分布式光纖邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測

1分布式光纖邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術說明南京法艾博光電科技有限公司監(jiān)測意義與技術現狀1、場景描述滑坡是丘陵山區(qū)經常發(fā)生的地質災害，在我國每年發(fā)生的地質災害中所占比重最大，而且滑坡的發(fā)生還會引起泥石流等次生災害。滑坡可中斷交通、堵塞河道、摧毀廠礦、掩埋村莊等，其頻發(fā)性與嚴重性都相當驚人，尤其隨著國民經濟的發(fā)展，大量的鐵路、公路、水利、礦山、城鎮(zhèn)等設施的修建，人類工程堆填的邊坡數量越來越多，造成了大量工程滑坡的發(fā)生，給人民的生活和國家的經濟建設帶來了巨大的損失。2、監(jiān)測系統產品的目的 在地質工程監(jiān)測中光纖傳感器的應用以FBG為主，相對而言全分布式光纖傳感器仍處于起步和探索階段。分布式光纖傳感技術具有監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測路線連續(xù)無盲區(qū)、單位長度成本低、便于組網等諸多特有的優(yōu)點，其在邊坡監(jiān)測中應用有限的主要原因為該技術復雜度較高，以往在基礎理論研究和設備研發(fā)上均以國外為主導，我國關于分布式光纖傳感方面的儀器大多依賴進口。設備開發(fā)單位與實際使用單位之間存在行業(yè)上的隔離，設備開發(fā)單位沒有專門針對邊坡監(jiān)測的應用進行相應的優(yōu)化，導致監(jiān)測設備在功能上與邊坡監(jiān)測需求不完全匹配；而使用單位缺乏對設備原理的深入了解，無法有效發(fā)揮設備的能力。需求分析 （難點和痛點）近年來我國的道路建設處于快速增長階段，道路建設為我國經濟的快速發(fā)展做出了突出的貢獻。根據《國家公路網規(guī)劃（2013年-2030年）》，到2030年我國將建成總規(guī)模約40萬公里的國家公路網。由于我國復雜的地質條件，許多公路將會修建在地形復雜的山區(qū)中，時刻受到邊坡地質災害的威脅。然而在目前的山區(qū)道路建設與養(yǎng)護工程中，除少數災害高危區(qū)實施了儀器檢測外，大多數山區(qū)道路都沒有布設相應的邊坡監(jiān)測系統，僅采用人工巡視觀測的方法。觀測手段傳統落后，信息收集量嚴重不足且滯后，導致道路管理人員不能及時有效的掌握邊坡地質狀態(tài)，無法對邊坡災害進行預測，甚至不能在第一時間得到災害發(fā)生的信息，延誤事故救援。光纖傳感的優(yōu)勢光纖傳感技術是二十世紀八十年代伴隨著光導纖維及光纖通訊技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術。目前研制成功的光纖傳感器可以實現絕大部分物理量的監(jiān)測，包括應變、溫度、振動、位移、壓力、聲、流量、粘度、光強以及其它化學、生物醫(yī)學和電流、電壓參量等，已廣泛地應用于航空航天、國防軍事、土木、水利、計量測試、電力、能源、環(huán)保、智能結構、自動控制和生物醫(yī)學等眾多領域，表現出眾多優(yōu)勢：（1）長距離、大范圍監(jiān)測。分布式監(jiān)測（數十公里）可對隧道、管線等線性工程進行長距離無盲區(qū)的全覆蓋監(jiān)測。（2）分布式不漏監(jiān)。分布式應變測試，可以測試傳感光纜沿線的每一點的應變，對監(jiān)測體全程控制，不會漏檢、漏監(jiān)。（3）多參量測量技術。通過一根光纜，采用不同調制解調技術，可以實現對應變、溫度、以及應力等多變量感測。（4）系統成本低，易于集成。對于大面積、大范圍線性工程監(jiān)測，光纖傳感技術均攤成本低廉；通過波分、時分復利用技術可以實現光纖傳感器多點多參量串聯監(jiān)測，易于構建網絡化監(jiān)測；其測試解調系統可實現模塊化，易于系統集成。（5）測試精度高，定位精準。精準定位可以測試異常區(qū)進行精準定位，光纖監(jiān)測技術可以實現幾個微應變的測試精度。產品介紹1、概況分布式光纖傳感器的優(yōu)勢在于可以對光纖沿線所有位置的應變狀態(tài)進行測量，因此本方案擬對將光纖埋入邊坡表面進行監(jiān)測的方法為基礎展開測量，充分發(fā)揮分布式光纖傳感技術的特長，實現對邊坡狀態(tài)的準確、高精度測量。通過本方案，首先將實現對本標段高邊坡坡體狀況的實時監(jiān)測，及時發(fā)現隱患，避免滑坡災害。本方案創(chuàng)新性的提出基于框架梁耦合的分布式光纖，可實現對邊坡橫向、縱向形變以及塌陷造成的垂直于坡面的形變，并具有測量精度高、測量范圍大、無監(jiān)測盲區(qū)、監(jiān)測數據連續(xù)不間斷等優(yōu)點。更進一步的，以高邊坡監(jiān)測為依托，解決傳感設備功能與邊坡監(jiān)測應用脫節(jié)的矛盾，提高邊坡監(jiān)測的自動化、信息化、智能化和可靠性，降低監(jiān)測成本，實現分布式光纖傳感在高邊坡施工中科學有效的監(jiān)測。2、監(jiān)測系統方案（本方案采用應變、振動雙參量融合傳感技術）對于分布式光纖傳感技術，測量應變和振動的原理有很大不同。對于應變的分布式測量，主要利用光纖中布里淵散射的頻率進行傳感；對于振動的分布式測量，主要利用光纖中瑞利散射信號的相位或偏振態(tài)變化進行傳感；相對而言，瑞利散射的相位變化對振動的敏感性要遠大于偏振態(tài)變化對振動的敏感性，因此為了能夠更靈敏地捕獲邊坡的振動信息，本項目選擇瑞利散射的相位變化作為振動信號的載體與布里淵散射作為應變信號的載體進行融合傳感。(1)傳感光纜與高邊坡框架梁耦合的光纖監(jiān)測網布設分布式光纖傳感對邊坡表面的監(jiān)測要求傳感光纜與邊坡良好的耦合，當邊坡產生形變時，光纜與邊坡不產生相對滑動。邊坡上的框架梁具有與邊坡結合牢固、便于網格化布設的優(yōu)勢，可以成為布設光纜的有效依托。但框架梁為一個整體的固態(tài)結構，將光纜直接澆筑在其中時，較小的變形可能直接將光纜拉斷，無法匹配邊坡的大應變范圍。因此需要對傳感光纜與框架梁的耦合方式進行研究，提高分布式傳感光纜的抗拉能力，增大其應變測量范圍，并能夠對框架梁的縱向、橫向及垂直于坡面的變形進行分辨。(2)基于分布式光纖傳感的高邊坡坡面應力、振動監(jiān)測分布式光纖傳感技術對應力、振動變化監(jiān)測具有精度高、范圍廣、不間斷的特點。研究分布式光纖應變、振動同步監(jiān)測技術，實現對高邊坡應變、振動的監(jiān)測。研究高邊坡分級施工過程中，邊坡應力、振動的變化情況，研究對邊坡橫向、縱向形變、塌陷、落石等的辨識。(3)基于分布式光纖傳感的錨桿變形監(jiān)測基于分布式光纖傳感技術，對植入邊坡土體中的整根錨桿各部位的形變狀況進行持續(xù)監(jiān)測。研究傳感光纜與錨桿的耦合方式對檢測精度的影響，提高對錨桿形變的檢測精度；研究傳感光纜應變與錨桿形變的映射關系。(4)基于分布式光纖傳感監(jiān)測的坡面狀態(tài)預警分析基于框架梁和錨桿的應變、振動信息，研究邊坡的狀態(tài)、變形和突發(fā)狀況的反演和分析方法，研究對邊坡安全狀態(tài)進行評估的方法，為高邊坡的安全穩(wěn)定施工提供預警信號?！緮M解決的關鍵問題】(1)分布式光纖振動/應變雙參量同步傳感與解耦技術。利用單一光源和單根傳感光纖，同時實現針對振動信號和應變信號的協同感測。(2)針對坡面大幅度形變測量的分布式光纖傳感技術量程擴展技術。(3)依據分布式光纖傳感系統測量的光纜的分布式應變和振動數據，實現對坡面各個位置變形狀態(tài)的反演。(4)提出邊坡安全狀態(tài)的科學準確評估方法，對高邊坡的穩(wěn)定性進行有效預警。圖1分布式光纖振動/溫度雙參量測量系統結構圖將傳感光纜與邊坡坡面平行布設，可將邊坡表面的形變狀態(tài)直接反映到光纜上。當直接將光纜埋設在土體中時，由于光纜較細，土體發(fā)生移動時會導致光纜與土體產生相對滑動，無法真實反映土體的形變狀態(tài)。針對邊坡坡面形變直接監(jiān)測的需求，為了能夠同時測量平行于邊坡的縱向和橫向形變，需使鋪設的光纜形成網格狀結構，如圖2所示。圖2傳感光纜網格狀布設示意圖分布式光纖傳感系統測得的整根傳感光纜返回的信息主要為應變信息和位置信息。首先按照位置信息將信號進行分區(qū)，分為錨桿區(qū)、三級量程區(qū)、二級量程區(qū)、一級量程區(qū)。再對各區(qū)信號按照空間分辨率進行細分，根據現場鋪設情況細分為對應的多段。利用應變信息和相應的位置信息，解算出各段光纜受拉伸的長度。根據光纜布設的拓撲結構以及錨桿的位置，從固定點開始對滑坡的各個位置利用縱向、橫向及錨桿的彎曲變化，解調出坡面相應位置的位移情況，過程如圖3所示。圖3基于分布式應變測量數據的邊坡狀態(tài)反演3、本系統的創(chuàng)新點分布式光纖應變/振動雙參量融合，實現施工期間高邊坡穩(wěn)定性自動監(jiān)測。本項目通過利用窄線寬激光器向單模光纖中發(fā)射探測光脈沖，并利用相干外差方法和選頻濾波技術分離瑞利散射信號和布里淵散射信號，同時實現對布置在邊坡上光纜各部分應變和振動的分布式測量，充分獲取邊坡失穩(wěn)引起的變化參量，為邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測提供全面的傳感信息。分布式光纖傳感技術通過現場布設光纖，儀器自動采集、自動上傳、自動分析等方式，實現安全、可靠、高效的高邊坡檢測技術。對現場監(jiān)測采集數據進行建模分析，綜合判斷施工期間及運營期間高邊坡安全穩(wěn)定性。通過框架梁位置布設光纖形成監(jiān)測網，由傳統的點監(jiān)測提升到面監(jiān)測。有效利用主體工程設計方案的優(yōu)勢，將光纖布設在框架梁上，通過框架梁混凝土澆筑進行固定，形成6m*6m光纖監(jiān)測網，進一步提升數據采集數量和精度，確保監(jiān)測數據的準確性。傳統高邊坡穩(wěn)定性觀測方式，比較多的集中在埋設單點傳感器、壓力計等設備進行單點監(jiān)測。分布式光纖監(jiān)測技術采用的是連續(xù)光纖受力變形監(jiān)測，對高邊坡建立監(jiān)測網，由傳統的點監(jiān)測提升到面監(jiān)測。光纖監(jiān)測網在高速公路運維期間可以繼續(xù)工作，加強特殊情況預警預報。在高速公路竣工后，項目運維期間分布式光纖傳感技術仍可以繼續(xù)使用，光纜的使用壽命在20年以上，為高邊坡安全穩(wěn)定性監(jiān)測提供安全可靠數據分析，通過模型管理加強運維期應急處理能力。在高邊坡整體防護工程完工之后，在缺陷責任期及運維期間，經常出現因為邊坡過渡沖刷導致框架梁根部掏空，甚至垮塌現象，造成非地質災害原因防護工程損壞。通過框架梁上光纖受力狀況監(jiān)測，可實時監(jiān)測框架梁與山體結合狀況，提前做好應對措施，對缺陷位置進行及時修復，防止造成邊坡失穩(wěn)。高精度、大量程的光纜拉力—應變轉換機制和結構基于分布式光纖傳感系統的特性和邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的實際需求，研發(fā)出高精度、大量程的光纜拉力-應變轉化機制，將cm級長度上的形變轉化為m級長度上的應變變化，極大提高傳感系統的空間分辨率和傳感光纜的抗拉性能。4、設備及材料清單本監(jiān)測系統擬采用EVA-7000型多參量分布式光纖傳感系統。其技術指標如下：表SEQ表\*ARABIC1EVA-7000型多參量分布式光纖傳感系統性能參數表單端傳感距離>50km溫度測量范圍-40℃~100℃溫度測量精度2℃空間分辨率1m振動頻率測試范圍1~100Hz異常事件響應時間<5min操作系統Windows7工作電源AC220V50/60Hz200VA主機尺寸8U工作溫度0℃~40℃工作濕度5~93%rh存儲溫度-40℃~70℃整套監(jiān)測系統的解決方案，主要由監(jiān)測儀主機、傳感光纜和信號處理系統三部分組成。國內外產品主要技術特點、對標1989年Mendez等首先將光纖傳感技術應用到混凝土結構安全檢測中來，隨后美國、加拿大、日本等國相關領域的人員將其在土木、水利工程中進行了推廣應用，如1992年美國佛蒙大學將分布式光纖應力應變傳感器安裝在成努期基河水電站壩內，以實時監(jiān)測大壩混凝土結構的健康狀況。與傳統差動電阻式及鋼弦式傳感器相比，由于光纖傳感器具有許多優(yōu)點，因此在地質工程領域受到了廣泛的關注和得到了良好的發(fā)展。加拿大渥太華大學教授鮑曉毅于提出分布式光纖傳感技術在各種管道變形監(jiān)測中應用的具體思路和方法，同時在試驗基礎上證明光纖監(jiān)測在管道變形監(jiān)測中的可行性和先進性；日本茨城大學Z．S．Wu博士，提出了改進型FBG技術和相應于該技術的結構靜、動態(tài)監(jiān)測的損傷識別和評價體系；德國聯邦材料研究所及測試學院H．Habel博士將FBG、BOTDR應用到微型錨桿樁、混凝土柱、土木織物、鋼筋混凝土結腐蝕等監(jiān)測中。四川大學劉浩吾等將OTDR應用到混凝土的裂縫監(jiān)測中，提出了非正交構型直接力—光轉換機制和雙界面細微觀力學模型，給出了裂縫寬度確定方法，并將其應用到巫峽長江大橋光纖裂縫監(jiān)測；香港大學殷建華教授對FBG進行標定，同時將其應用到邊坡土釘防護結構現場拉拔試驗中，并與傳統的電阻應變計的監(jiān)測結果作了對比，兩者的監(jiān)測結果吻合較好；南京大學將其應用到邊坡模型試驗、隧道、邊坡深部測斜等監(jiān)測中。與產品相關的證書序號名稱證書號1一種基于空分復用的φ-OTDR系統中降低死區(qū)概率的方法ZL201910382975.82一種降低探測死區(qū)概率的分布式光纖振動傳感裝置及方法ZL201811107990.33相位敏感型光時域反射系統中降低探測死區(qū)概率的方法ZL201810979504.04用于定位電力傳輸線中耐張塔地理坐標的便攜式振動器ZL202020138783.05一種基于振動敏感型光纖傳感技術的桿塔結構健康監(jiān)測的方法202011345605.66基于OPGW多芯應力感測的輸電線路動態(tài)形變重構方法202010572688.67一種架空輸電線路中耐張塔的地理信息標定方法20201006562478線路實時監(jiān)測軟件V1.02020SR12435219分布式光纖微擾動監(jiān)測軟件（基礎版）V1.02019SR048324710無探測死區(qū)的相位敏感型光時域反射計鑒相分析軟件2018R11L895704科技獎勵2017年，江蘇省科學技術進步獎一等獎，“融合式光纖傳感系統及其在重大裝備安全監(jiān)測中的應用”2015年，吳文俊人工智能科學技術獎進步獎一等獎，“連續(xù)分布式光纖智能感測技術及其應用”2019年，電力建設科學技術進步三等獎，“基于多參量分布式光纖傳感的輸電線路監(jiān)測”檢測報告本產品的主要技術參數均已通過了第三方權威機構的檢測，并通過了GB/T17626所規(guī)定的電磁10項測試。公安部國家安全防范報警系統產品質量監(jiān)督檢驗中心的檢測結果為“全部符合Q/NDZ2013-2015《分布式光纖應變溫度傳感系統》企業(yè)標準、GB16796-2009《安全防范報警設備安全要求和試驗方法》的相關要求”。公司簡介南京法艾博光電科技有限公司是一家集自主研發(fā)、生產、銷售于一體，專業(yè)從事分布式光纖傳感設備儀用光電模塊開發(fā)與工程應用的高科技實體。2013年在南京大學教授張旭蘋主導下成立，是“江蘇省科技型中小型企業(yè)”和“江蘇省民營科技企業(yè)”。江蘇省“高新技術企業(yè)”。由于在分