巖溶地區(qū)塌陷監(jiān)測

1、巖溶地區(qū)塌陷監(jiān)測解決方案上海光子光電傳感設備有限公司巖溶地區(qū)塌陷監(jiān)測1. 背景概述巖溶塌陷的監(jiān)測和預測預報問題一直是工程上的難點問題，主要原因在于巖溶塌陷以及由此而產(chǎn)生的土體變形所具有的突發(fā)性、隱蔽性和不確定性等特點?；诓祭餃Y光時域分析測量（BOTDA）的分布式光纖傳感技術是目前國際上最前沿的新型傳感技術，它不但具有一般光纖傳感技術的抗電磁干擾、電絕緣性好、化學穩(wěn)定性強以及頻帶寬、靈敏度高、易于實現(xiàn)遠程監(jiān)測等優(yōu)點，而且具有獨特的分布式傳感的特點。光纖（纜）既是傳感介質(zhì)，又是光信號傳輸?shù)耐ǖ馈Ｋ鼞霉饫w幾何上的一維特性，把被測參量作為光纖位置長度的函數(shù)，可以在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布

2、的外部物理參量進行連續(xù)的測量，同時獲取被測物理參量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。最新研發(fā)的新型傳感光纜不但克服常用通訊光纖易損傷、鋪設損耗大的問題，而且具有體積小、重量輕、幾何形狀適應性強等優(yōu)點。因此，基于BOTDA的分布式光纖傳感技術經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已經(jīng)得到工程傳感及監(jiān)測領域的普遍認可和廣泛應用。2. 地下巖溶模擬實驗試驗舉例為了研究巖溶塌陷過程中，埋設于土層中的傳感光纖的響應及光纖的應變分布規(guī)律，同時為了解決特定地質(zhì)條件下適用傳感光纖的比對和選型的問題，設計了本試驗方案。試驗采用長2m，高1m，寬2m的試驗箱，試驗箱底部設有4片可開閉式擋板，用于模擬巖溶塌陷；為了模擬土層由于大氣降雨

3、入滲而引起的潛蝕及土體變形情況，在試驗箱的頂部設置了大氣降雨模擬噴淋裝置；另外，試驗箱的側(cè)面板為透明有機玻璃，便于觀察土層及其變化情況，其中一側(cè)的側(cè)板可以拆除，用于土體變形后，土體變形量的觀察和測量。試驗裝置如圖1所示。圖1 試驗裝置示意圖根據(jù)該地區(qū)巖溶塌陷的特點以及工作區(qū)的工程地質(zhì)條件，設計了兩組試驗，分別采用不同的土層結(jié)構(gòu)：A組自上而下分別為粉砂、粘土和粉砂，厚度依次為0.1m、0.6 m和0.2m；B組自上而下分別為粉砂和粘土，厚度分別是0.1m和0.8m。試驗采用4種光纜，并按網(wǎng)狀分別布設在距離底板為0.2m和0.4m兩個層位上。在平面上，要求傳感光纖依次經(jīng)過可開閉式擋板所對應的位置。

4、同時，作為對比，在相應位置安裝了4只大量程百分表，用以監(jiān)測0.2m層位和0.4m層位土體的沉降變形情況。光纜布設的平面圖如圖2所示。dca b砂土粘土土圖2 傳感光纜布設平面圖當箱內(nèi)土體填筑完畢后，拉動底板，使底部土體局部臨空，模擬巖溶的產(chǎn)生，同時監(jiān)測傳感光纜的應變分布及變化情況。為了進一步模擬土體塌陷及土洞的形成，采用噴淋裝置對試驗箱土體進行飽和、滲透，使其發(fā)生較大的變形，同時監(jiān)測土體變形過程中，傳感光纜的應變分布及變化情況。為了了解試驗過程中土體內(nèi)部的變形，在相應位置分別安裝了4組沉降觀測標，并采用大量程百分表測量土體內(nèi)部的變形情況，如圖3所示。沉降觀測標圖3 填土及沉降標安裝土體全部填筑

5、完成之后，抽掉試驗箱底部的a號擋板和d號擋板，使砂層和粘土層底部局部臨空，模擬巖溶的產(chǎn)生，待土體變形穩(wěn)定后測量傳感光纜的應變分布和變化情況，同時讀取沉降標的變化。但由于土體變形緩慢，光纖應變和沉降標的示數(shù)幾乎無明顯變化。為加速土體變形，采用噴淋裝置對試驗箱土體進行飽和、滲透，如圖4所示。經(jīng)過數(shù)小時的浸泡和滲透，位于d號擋板上方的土體發(fā)生塌陷；a號擋板上方的土體發(fā)生輕微變形，我們對塌陷發(fā)生前后光纖的應變分布進行了測量。應變測量結(jié)果如圖5所示。圖4 試驗箱土體浸水滲透如圖5所示，傳感光纖大致可以分為060m，6090m，90m150m三個區(qū)域，分布對應于4種傳感光纜。B、D、E三個區(qū)域?qū)诘谝粚?/p>

6、監(jiān)測面的傳感光纜，A、C、F則對應于第二層傳感光纖。FEDCBA 傳感光纖長度 /m 布里淵頻移 /MHz土體塌陷后光纖應變分布土體塌陷前光纖應變分布圖5 土體塌陷前后光纖應變分布3. 小結(jié)利用DSTS作為核心設備，根據(jù)傳感光纜應變分布的變化能夠?qū)崿F(xiàn)對巖溶地區(qū)可能發(fā)生的塌陷進行監(jiān)測，基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術（DSTS）是未來分布式光纖傳感系統(tǒng)的發(fā)展方向。突出的性能指標具體表現(xiàn)為：l 超長的可監(jiān)測距離，達到100公里l 高溫度及應變分辨率，溫度達0.005，應變達0.1l 測量時間短，最低1秒即可完成整個回路的測量l 便于對待監(jiān)測的區(qū)域進行集中管理我公司基于該技術已經(jīng)完成了深圳地質(zhì)地下巖溶監(jiān)