地质与岩土工程分布式光纤监测技术及其发展

施斌,张丹,王宝军
(南京大学地球科学系光电传感工程监测中心,南京,210093)

工程地质学报, 2007, S(2)

摘要:本文分析了地质和岩土工程监测的特点和常规监测技术方法的不足,定义了分布式监测的内涵,介绍了光纤传感(FOS)监测技术的类型,重点阐述了分布式FOS技术的特点、种类和国内外的进展,最后提出了今后需要进一步研发的关键技术课题。

1 引 言

近30年来,我国的地质和岩土工程的建设规模和强度以前所未有的速度在迅猛发展。由于建设速 度过快、资金投入不足和建设经验不够等原因,造成许多工程的建设质量不高、运行过程存在隐患,问题十分突出。如在地铁建设方面,岩土体开挖过程中的岩土体变形和稳定问题,高层建筑物的深基坑支护问题,各类建筑物的变形和不均匀沉降问题,跨区域的输油管、输气管变形、漏油、漏气问题;因施工质量造成的各类“豆腐碴”工程的安全使用问题;水利工程中的大坝、江河大堤和高边坡的稳定问题,抽取地下水造成的地面沉降问题,各类构筑物的变形问题等。这些工程问题一旦发生,造成的后果是不堪设想的,造成的损失往往超过原有构筑物的代价,且不易恢复。因此要解决这些问题和减少损失,提高和革新当前地质和岩土工程设施的监测技术是一项十分紧迫的工作。

地质和岩土工程一般规模较大,一些工程属于 线状工程,如隧道、堤防等,长达几公里到数十、数百乃至上千公里,往往穿越许多不同的环境空域和时域,如输油输气管道、地下隧道、高速公路等,工程条件常常比较复杂,有时环境十分恶劣,因此要准确、快速、长距离、实时、大范围获得岩土体的变形数据和变化规律并非易事,有赖于监测系统的先进性和
功能,有赖于先进理论和方法的指导。

目前地质和岩土工程的监测主要集中在岩土体及其工程结构的位移、应变和沉降3个方面,从现有的监测技术来看,这些常规的检测和监测技术存在以下不足:

(1)均为点式的。点式的检测方法,布点常带有随意性,最危险的地方常可能被漏检,存在监测盲区;增加监测点数,虽然提高了结果的可靠性,但工作量大为增加,况且实际工程或研究项目中也不可能无限布设各种检测探头或传感器而影响岩土结构的安全。

(2)成活率较低。一些检测和监测技术所用的传感器,均为电阻式或振弦式,其封装材料主要是金属材料,在一些恶劣的岩土环境中,易受潮生锈失效,耐久性差;在传感器与传导线的交接处易于接触不良、断裂而使检测点失效,成活率较低。

(3)实时、并行和自动化监测程度不高。目前常用的检测和监测技术实际上多为检测技术而不是监测技术,多为静态单点检测,有些检测技术具有多通道的检测功能,但一般的监测仪器通道数是十分有限的,无法满足实际岩土体变形的实时、并行和自动监测的要求。

(4)缺少长距离和大面积的监测技术。地质体的变形或一些大型或超大型的地质和岩土工程通常数公里到数十公里以上(如隧道、堤防)或几十平方公里以上,对这些长距离和大面积的监测对象,传统点式的检测和监测技术和方法一般无能为力。

(5)监测系统的集成化程度不高。各种检测和监测技术自成体系,彼此独立;现场监测,数据处理,分析评价系统等环节间集成化程度不高,从而影响到监测的效率和分析。

地质和岩土工程监测中的上述不足,阻碍了人 们对岩土体变形机理和规律的认识,影响了人们在地质灾害防治和岩土工程实践中的正确判断和措施的实施,因此十分需要一些新的技术和方法来弥补这些不足,以满足现代地质和岩土工程监测的要求。

本文主要介绍了国际上近10a来迅速发展起来的一些分布式光纤传感技术,以及在地质和岩土工程监测中应用的现状和发展,以期提高我国地质和岩土工程的监测水平。

2 分布式监测与光纤传感技术

分布式监测是指利用相关的监测技术获得被测量在空间和时间上的连续分布信息。而地质和岩土工程变形的分布式监测就是在地质和岩土工程中布设线形传感元件,形成一个传感监测网络,利用相关的调制解调技术,连续监测传感网络沿线的地质和岩土工程变形信息,这些传感网络就象在“死”的地质和岩土工程中植上了能感知的神经网络,当地质和岩土工程发生任何变形时,监测系统就能感知它们的分布和大小,从而获得地质和岩土工程的变形
规律。这种监测方法的突出优点就是改变了传统的点式监测方式,弥补了点式监测的不足,实现了实时、长距离和分布式的监测目标。

光纤传感技术(FOS)是20世纪80年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光纤为媒介,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。根据不同传感系统的特点和监测需要,光纤传感监测技术又可以分为以下几种类型(表1)。


表1 光纤传感监测技术(FOS)的类型

在表1中所列出光纤传感技术中,分布式光纤传感技术是最具前途的技术之一,也是实现地质和岩土工程分布式监测的主要手段,它是在光时域反射(OTDR)技术的基础上发展起来的。它应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术,把被测参量作为光纤位置长度的函数,可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量,同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感技术也经历了准分布式、(全)分布式两个发展阶段。准分布式光纤传感器是由多个布置在空间预知位置上的分立的光纤传感器采用串联或其他网络结构形式连接起来,利用时分复用、频分复用、波分复用等技术共用一个或多个信息传输通道所构成的分布式的网络系统,如Bragg光纤光栅传感器等,而分布式光纤传感技术利用光纤同时获得随时间和空间变化的连续分布信息如BOTDR等。由于它具有其他传感技术所无法比拟的优点,因此它已成为一些发达国家竞相研发的 热点项目[1-3]。

3 分布式光纤传感技术

分布式FOS技术不仅具有FOS所固有的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优点,还具有如下特点:

(1)光纤既是传感介质,又是传输通道。光纤上任意一段既是敏感单元又是其他敏感单元的信息传输通道,可进行空间上的连续检测;光纤象人的神经一样对被测对象进行感知和监视;

(2)分布式。一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图,如果将光纤布设成网状,就可以得到被测量的二维和三维分布情况。对于如基于布里渊散射光时域反射的分布式光纤传感技术(简称BOTDR),可自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息,无需构成回路,也不需要定制传感器,只需十分廉价
的普通通讯光纤;

(3)长距离。光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离(目前可达80km)、全方位监测和准实时的连续监测;

(4)耐久性。传统的工程监测一般采用应变片监测技术,应变片易受潮湿失效,不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃,与金属传感器相比具有更大的耐久性;

(5)抗干扰。光纤是非金属、绝缘材料,避免了电磁、雷电等干扰,况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低,对光波无干扰。此外,光波易于屏蔽,外界光的干扰也很难进入光纤;

(6)轻细柔韧。使它在埋入构筑物的过程中,避免了匹配的问题,便于安装埋设。

分布式FOS主要利用光的瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射效应来实现的,目前主要技术有:光时域反射计(简称OTDR);拉曼散射光时域反射测量仪(简称ROTDR);布里渊散射光时域反射测量仪(简称BOTDR)和布里渊光时域分析测量仪(简称BOTDA)等。这四种技术在国内外的研发现状简述如下:

(1)光时域反射计(OTDR),它是最早出现的分 布式光纤传感器,于1980年由Fields J.N.和Cole J.H.首次提出,是一种基于瑞利散射、利用微弯损耗构成的一项传感技术。一直以来,它主要用于测量通信系统中光纤断裂点的位置,而作为分布式传感器还是近些年的事情。由于它结构简单、造价低,引 起了人们的关注并被研制成位移、压力、加速度、振动等各种传感器。目前这一技术在土木工程监测领域中的应用主要集中在对混凝土中裂缝的检测,尚处于摸索阶段。在这一技术的应用方面,美国和法
国等国作了不少研究。

(2)ROTDR是一种基于拉曼散射的分布式温度传感技术。最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。经过20多年的发展,这一技术日趋成熟。在这一技术领域,英国和日本领先与其它国家。如英国的BICC公司与日本HitachiCable公司合作,于90年代后期推出了中、长距离FTR系列的分布光纤温度传感器产品;90年代中、后期英国York传感器公司推出长距离和超长距离的DTS-800系列分布光纤温度传感系统等。目前该技术已开始应用于煤矿、隧道等的分布温度测量、报警,油库、油轮、危险品仑库、冷库、大型货轮、军火库等温度报警;地下和架空高压电力电缆的热检测与监控;输油管道的热点检测;高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测;航空、航天飞行器的在线动态检测等。

(3)BOTDA和BOTDR是两种基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。BOTDA是在1989年由日本的Horiguchi等人作为光纤无损增益测量技术而提出来的,当时主要应用于分布式温度测量。它是利用受激布里渊散射光,需要在光纤的两端放置可调谐激光器,分别将一脉冲光与一连续光注入传感光纤来实现分布式监测的。BOTDR是在1992年由Kurashima等首次研发成功的,它利用自发布里渊散射光,只需在传感光纤的一端设置光源,无需构成回
路,就可实现分布式监测,因此实际应用时比较方便。BOTDA与BOTDR相比,BOTDA系统的信号检测较容易,但双光源的使用以及光源的两端入射使它的应用受到一定的限制。由于这二种技术具有长距离、分布式、对被测对象的应变和温度都能传感等突出的功能和优点,因此目前已成为一些主要发达国家竞相研发的一项尖端技术。

在这一技术研发的竞争中,日本、加拿大、英国和瑞士在国际上处于领先地位。在这些技术的应用基础研究方面,除了上述国家,再加上美国、法国、德国、韩国和中国都在积极地开展这方面的研究和开发,应用的领域主要集中在国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医疗等领域的智能材料和结构的健康监测和诊断方面。如Kihara等在日本的清水县、高知县和鹿儿岛县进行了分布式混凝土监测的现场试验[4];Yasue等进行了混凝土管道变形的分布式光纤监测试验研究[5];Shiba等首次应用BOTDR技术监测隧道支护结构的应力和变形[6];日本NTT公司与北海道土木工程研究学会(2002)合作将BOTDR分布式光纤传感技术用于混凝土灌注桩的载荷试验研究等。

4 国际上的应用现状

在地质和岩土工程领域,国际上应用分布式FOS技术开展地质和岩土工程的分布式监测的系统研究还未真正开始,但由于地质和岩土工程监测的重要性和实际需要,地质和岩土工程分布式监测现已成为国际上一些发达国家如日本、瑞士、加拿大、美国、韩国、法国、英国等国的研究热点和重大科研课题。特别是日本,由于国土面积小,又处在地质构造活动带,地震频繁发生,地形、地貌和地质条件十分复杂,在这样不良的地质条件下,确保包括各类地
质工程在内的基础设施建设的安全施工和安全营运显得尤为重要,因此日本在地质和岩土工程检测和监测技术及其自动化、智能化、网络化方面,投入了大量的人力和财力进行研发,尤其在岩土体变形分布式监测方面取得了一批重要成果[4,7-10]。但从目前国际上已发表的成果来看,在地质和岩土工程分布式监测方面还存在以下不足:

(1)大部分的研究成果属于准分布式监测,主要采用Bragg光纤光栅传感技术,对岩土体的变形进行监测。这种方法是由多个布置在空间预知位置上的分立的光纤传感器,采用串联或其他网络结构形式连接起来,利用时分复用、频分复用、波分复用等技术对岩土体变形进行监测。这种方法可以较精确地同时或分时得到已知位置上被测量信息的空间分布,也可同时得到某一或某些空间点上不同的被测量的分布信息,但它只能得到预知的离散空间位置上的传感信息,仍存在传感“盲区”,且在岩土体变形监测的一般情况下, Bragg 光纤光栅传感器埋设困难,与岩土体变形的协调性差,传感器成活率低,传感网络结构复杂,成本较高。

(2)目前国际上基于BOTDR的分布式光纤传感监测技术的研究和应用,在土木工程领域主要集中在钢、混凝土结构的健康监测和诊断领域,而在地质和岩土工程领域关于岩土体变形的分布式监测研究成果还不多。其原因一方面是因为土木工程结构一般都是人造的规则结构,传感光纤的布设和保护比较容易,实施分布式监测相对简单;二是分布式光纤传感监测技术本身还在不断改进中,它们在工程中的应用也仅仅是近五年来的事。因此将其作为岩土体变形的分布式监测技术,还有一些关键技术问题需要解决,还需要相关的理论和方法创立监测体系。

5 国内应用现状

在光时域反射计(OTDR)工程应用方面,刘浩吾等在这方面作了大量的研究工作,取得了一批应用成果;在国内分布式温度传感技术ROTD工程应用方面[11~12],蔡德所等采用了基于拉曼散射原理的分布式光纤传感技术监测了三峡大坝混凝土水化热的释放过程等[13];在布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)地质和岩土工程应用方面,主要由作者所在的课题组开始在岩土体变形全分布式监测方面,开展了相关的试验和应用基础研究,取得了一批重要成果[14-43]。近三年来,国内一些科研单位也相继开展了这方面的研究工作,如中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所韩子夜等开展了基于BOTDR的边坡岩土体变形分布式光纤监测研究[4];蒋小珍等应用OTDR光纤传感监测技术对岩溶塌陷进行了监测试验研究[45];魏德荣等开展了基于ROTDR分布式温度传感技术的大坝渗漏监测研究[46]。总的来说,我国在分布式FOS技术及其工程应用方面的研究主要集中在少数高等院校和科研机构,相关的成果还处在工程应用转化阶段,大规模的工程应用还没有全面铺开。

6 关键技术课题

6.1 传感光纤的比选、研制和疲劳效应研究

要实现地质和岩土工程分布式监测,关键技术之一就是传感光纤的传感性能、保护和疲劳效应。岩体和土体的工程性质及变形特征是明显不同的,岩体比较坚硬,它的变形特征是由组成岩体的岩石及其结构面的组合所决定的。一般来说,岩石的变 形是弹性或弹塑性变形,属于小变形,而岩体的变形主要受岩体中的结构面所控制,变形具有明显的不均一性、不连续性和方向性;土体一般比较松软,属多孔介质,它的变形多为粘塑性变形。另一方面,由于岩土体变形的监测环境常比较恶劣,被监测岩土体的体积和规模较大,结构和形态比钢筋混凝土结构要复杂得多,而一般通信用的光纤强度较低,在安装过程中易于拉断和破坏,不宜直接作为岩土体变形的传感光纤,因此如何选择或研制相应的传感光纤或特种光缆,能使它既能满足岩土体变形的传感,又要具有一定的抗拉、抗折、抗磨损等性能,适应岩体和土体不同的布设环境,是需要解决的关键技术课题之一。而与这一技术问题相关联的另一个需要解决的问题是传感光纤的疲劳效应。在分布式光纤监测中,光纤既作为传导介质,又作为传感介质,因此必须掌握和弄清所用的传感光纤在各种岩土体环境和受力条件下的长期性能和稳定性的规律,以确保分布式光纤监测结果的正确性。

6.2 传感光纤的布设工艺与岩土体变形的一致性研究
传感光纤的布设工艺,直接关系到分布式光纤传感监测系统的成活率和传感光纤与岩土体变形间的一致性。一般来说,传感光纤在岩土体表面和内部的布设环境,要比它在混凝土结构和钢结构中的布设环境要恶劣的多。一方面传感光纤的布设应尽可能地减小对岩土体性质的影响,另一方面也要保证传感光纤与岩土体变形的协调,因此必须解决好传感光纤在岩体上(中)的固定和在土体上(中)的埋设工艺。岩土体作为人类经济和工程活动的载体,不断地受到自然和人为的扰动和影响,因此为了确保布设于岩土体中传感光纤不受到自然和人为的破坏,必须对传感光纤进行保护,而保护材料和方法的选取同样会影响到光纤的传感性能和与岩土体变形的一致性。因此如何解决好传感光纤在布设和安装过程中,既要能使它与岩土体变形保持一致和协调,又要能使传感光纤不至于在恶劣的施工和监测环境中遭到自然和人为的非监测因素的损坏甚至断裂,是需要解决的另一个关键技术课题。

6.3 岩土体大变形和定向变形监测技术研究

岩土体的变形与一般的混凝土结构和钢结构的变形有较大的不同,特别是土体的变形常常属于大变形如土体的蠕变等,而传感光纤应变的可测范围一般在(1.5%,因此对于岩土体大变形的分布式监测,必须研发相关的转换传感技术加以克服。岩土体变形的另一个特点是方向性。岩土体变形的方向性主要受岩土体内部的结构面及其组合所控制的,一些是可以预知的,一些是不能预先确定的,因此如何在光纤的分布式监测中,确定岩土体变形的方向
性,监测岩土体的大变形,是一个重要的技术课题。

6.4 空间分辨率研究

分布式光纤传感监测技术如BOTDR、BOTDR等仪器的空间分辨率取决于入射光的脉冲宽度。目前,BOTDR的空间分辨率最高能达到1m,BOTDA的空间分辨率最高能达到0.5m,这样的空间分辨率对于通常的岩土体变形监测可以满足,但对于岩土工程结构的微小损伤及小于0.5m的局部变形的监测,这样的空间分辨率就不能满足要求。进一步减小入射光的脉冲宽度是提高BOTDR 空间分辨率最直接的方法,但与此同时,布里渊谱线的宽度就会显著地变宽,造成了正确提取布里渊频移的难度增大,系统的应变测量精度大幅度下降。因此,如何通过相关理论的分析,寻找新的方法,在不减小入射光脉冲宽度的前提下,提高分布式光纤传感监测技术的空间分辨率,是一个重要研究课题。

6.5 温度补偿技术研究

分布式光纤传感监测中的另一个关键问题是监测中的温度补偿问题,因为基于后向散射光的分布式光纤传感监测如BOTDR,在监测过程中对传感光纤的应变和所受的温度同时感知,因此当用这些技术进行岩土体的变形监测时就必须要进行温度补偿或应变补偿,以获得真实的应变或温度分布值,而这一问题在岩土体变形监测中变得更加复杂,这是因为岩土体中的温度场比一般的土木工程结构要复杂,特别是进行岩土体内部的应变分布监测时,由于
存在地温梯度和地下水的影响,温度场的分布和变化异常复杂,如何在复杂的岩土体温度分布场中,通过技术改进和理论分析,准确、快速获得应变分布,是需要解决的一个关键技术和理论方法课题。

6.6 数据处理和异常识别

不同于传统的点式传感技术,分布式光纤传感技术可以得到整个传感光纤沿线的应变或温度分布。一条传感光纤线路上可以有成千上万个采样点,有时甚至可以达到十万以上。每个采样点不仅包含光纤的应变信息,而且还包含如布里渊散射光谱的信息,如功率谱、损耗、线宽等。因此,一次测量所得到的数据量是非常大的。如果需要对岩土体的变形进行长期的连续监测,将会产生海量数据。如何对这些数据进行存储和管理,在海量的监测数据中挖掘和识别出异常点、段、区和体,需要先进的数据处理技术和异常识别模型和方法,它是需要攻克的一个关键理论和方法问题。

6.7 岩土体的变形计算与显示

要了解和掌握岩土体在时、空中的变形规律,理论上可通过分布式传感光纤在岩土体内外按一定的要求布设,在经过一定时间的监测后,就可以获得传感光纤沿线岩土体中各部分的应变在时、空上的分布和变化规律,然而要构建整个岩土体的变形分布场并能真实地显示出来并非易事,这需要克服以下二个方面的关键技术和理论问题:一是岩土体变形的计算。基于现有的分布式光纤监测技术所获得的岩土体变形监测结果,通常只反映了被测岩土体沿
传感光纤的应变特征和规律,如何在此基础上构建被测岩土体三维的变形模型,需要建立相关的理论计算模型;二是在岩土体变形计算的基础上,如何在四维空间中十分直观地显示岩土体内部和外表变形特征,便于分析和掌握岩土体变形的分布和演化规律,同样是一个十分重要的研究课题。

6.8 岩土体变形分布式监测和分析系统的集成技术研究
在解决了上述7个方面的关键技术和理论课题的基础上,最终需要建立一个能满足各类岩土体变形的分布式监测和分析系统,因此必须要分析相关成果彼此间的因果关系,建立系统的流程图,熟悉、掌握和研发先进的集成理论和方法,实现各类成果的无缝拼接,建成一个普适性较强、功能强大的岩土体变形分布式监测和分析系统。

7 结 语

分布式监测是现代地质和岩土工程监测的要求,而分布式FOS技术为这一要求提供了新的技术保障。随着这一技术体系的不断成熟和完善,其应用领域将不断拓宽。当前我国越来越多的科技人员和科研单位已经开始了这一方面的科研和生产实践,相信随着分布式FOS技术的不断应用和推广,必将大大提高我国地质和岩土工程的监测水平,为建设一个安全和谐的社会作出贡献。

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