專利名稱：管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于光纖光柵的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法和系統(tǒng)及系統(tǒng) 的構(gòu)建方法。涉及測量應(yīng)力、溫度的測量及管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
滑坡是指構(gòu)成斜坡的巖土體在重力作用下伴隨其下部軟弱面上的剪切作用過 程而產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象?；聻?zāi)害是造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失的地質(zhì)災(zāi)害的主要形 式之一。長距離輸油或輸氣管道輸送距離可達(dá)數(shù)千公里，穿越眾多地質(zhì)地貌單元， 常不可避免地要穿過地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，如山區(qū)、凍土區(qū)等。因?yàn)檫x線的不充 分或管道建設(shè)誘發(fā)滑坡或地震誘發(fā)滑坡等原因，在山區(qū)敷設(shè)的管道有可能在活動(dòng) 滑坡體內(nèi)通過，管道的安全運(yùn)營遭受這些活動(dòng)滑坡的嚴(yán)重威脅。這些有可能要威 脅管道安全的滑坡稱之為管道滑坡。
在過去四十年的管道運(yùn)輸歷史中，以滑坡為主的地質(zhì)災(zāi)害曾多次造成管道事
故。歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)小組(EGIG)調(diào)^的1970年到2001年的西歐管道 事故中，7%是由地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的；美國交通部統(tǒng)計(jì)的1984年到2001天然氣輸送 數(shù)據(jù)表明，8.5%的事故是由地質(zhì)災(zāi)害引起的；加拿大國家能源委員會(huì)調(diào)査顯示影 響加拿大運(yùn)營的管道事故的12%是地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的。1987年3月由地震導(dǎo)致的巨 型滑坡使橫貫厄瓜多爾管道發(fā)生40km長的斷裂，停輸兩個(gè)星期，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7 億美元。1995年及1996年冬天，由于華盛頓西部的特強(qiáng)降雨誘發(fā)滑坡，導(dǎo)致美 國西北輸氣管線三處管道發(fā)生斷裂。
我國的管道工業(yè)正處在蓬勃發(fā)展之中，這些管道大多將我國西部豐富的石油 天然氣輸送到我國的東部，而我國的西部、西南部集中了我國大多數(shù)山地，管道 就不可避免地要穿越地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)。忠武輸氣管道忠縣-宜昌409公里段處于 渝東鄂西山區(qū)，山峰層巒疊嶂、高差顯著，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育有多組地 質(zhì)災(zāi)害易發(fā)巖層，是滑坡、危巖崩塌的頻發(fā)地段。2003年建成投產(chǎn)的蘭成渝成品 油管道蘭州至廣元段，構(gòu)造活躍，巖性破碎，地形切割發(fā)育，投產(chǎn)后投入巨資用 于地質(zhì)災(zāi)害防治，但2007年的調(diào)查顯示威脅管道安全的地質(zhì)災(zāi)害仍有530處之多。 西氣東輸工程干線總長約4000公里，遭受各種地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅，其中査明的滑 坡災(zāi)害達(dá)39處之多。
5面對眾多的管道滑坡災(zāi)害，我國的管道運(yùn)營公司經(jīng)常采取積極的工程治理措 施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工程也并非"一 勞永逸"，設(shè)計(jì)施工的不確定因素較多，再者治理的周期長。而監(jiān)測則是一種高效、
低成本的防治措施。意大利SNAM公司將監(jiān)測管道作為防治滑坡災(zāi)害的主要方式，
他們對管道進(jìn)行了長達(dá)三十年的監(jiān)測，成功避免了大量的管道事故。我國的西氣 東輸、忠武線等管道投產(chǎn)后對滑坡也進(jìn)行有效的監(jiān)測。
傳統(tǒng)的滑坡深部位移監(jiān)測主要釆用多點(diǎn)位移計(jì)或鉆孔測斜儀，該方法的實(shí)時(shí) 性都較差，難以滿足滑坡監(jiān)測長期實(shí)時(shí)的要求。
同軸電纜技術(shù)用于監(jiān)測滑坡深部位移時(shí)在成本、實(shí)時(shí)監(jiān)測方面都較有優(yōu)勢，
但同軸電纜外徑較細(xì)(io誦左右)，買入土體之后電纜與土體難以協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)
致同軸電纜不能真正反映滑坡體變形。
分布式光纖技術(shù)作為一種新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測，該技術(shù)在精度、自'動(dòng)
監(jiān)測等方面較有優(yōu)勢，但該技術(shù)監(jiān)測滑坡深部位移時(shí)，其垂向定位精度差(lm 左右)，在滑坡監(jiān)測方面也有一定的局限。

發(fā)明內(nèi)容
'本發(fā)明的目的是發(fā)明一種精確定位、空間分辨率高、成本低的基于光纖光柵 的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法。
本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法 和系統(tǒng)及其構(gòu)建方法。這種系統(tǒng)釆用光纖光柵傳感技術(shù)，對滑坡及其影響下的管 道進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括滑坡深部位移監(jiān)測、滑坡對管道的推力監(jiān)測及管 道應(yīng)變監(jiān)測。并構(gòu)建了監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)釆集、遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng) 分析。
光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG,簡稱光纖光柵)是近20年來 迅速發(fā)展起來的微光學(xué)元件，是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏 性是指激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的 特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄 帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。
光纖光柵傳感是一種在由光纖刻制而成的波長選擇反射器，其背向反射光中 心波長^與光柵周期A和纖芯折射率 '有關(guān)，即
義《 = A
FBG光纖光柵傳感的基本原理是，當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵的 中心波長產(chǎn)生位移A弋，通過檢測光柵波長的位移情況，即可獲得待測物理量的 變化情況。即
=尺￡. + Ar
式中&為應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù)，^為光纖光柵溫度傳感靈敏度系數(shù)。
對于FBG纖芯為純石英的情況，^為lpm/ue，、為10pm廣C。光纖材質(zhì)、 寫入工藝和封裝材料都會(huì)影響FBG的應(yīng)變和溫度傳感靈敏度系數(shù)，應(yīng)用前必須對 以上參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感 器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)l.傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重 量輕、外形可變，適合埋入各種大型結(jié)構(gòu)中，可測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié) 構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；2.與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、 光損耗低、光譜特性好、可靠性高；3.具有非傳導(dǎo)性，對被測介質(zhì)影響小，又具 有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；4.輕巧柔軟，可以在一 根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí) 現(xiàn)分布式傳感；5.測量信應(yīng)以波長編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波 動(dòng)、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強(qiáng)的抗干擾能力； 6.高靈敏度、高分辯力。
與廣泛使用的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)有 l.對測量點(diǎn)能精確定位，分辨率高；2.成本低；3.能對傳感部分進(jìn)行加工、封裝， 使其更適合現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。
由于這些優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對 其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍測量，技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，尤其體現(xiàn) 在能獲得長期、可靠的巖土體變形數(shù)據(jù)。目前光纖光柵傳感技術(shù)還未用于滑坡的 深部位移監(jiān)測。
本發(fā)明提出的基于光纖光柵傳感技術(shù)的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法如圖 l所示，是將監(jiān)測分為滑坡深部位移監(jiān)測、滑坡對管道的推力監(jiān)測及管道應(yīng)變監(jiān) 測三部分。滑坡深部位移必將產(chǎn)生對管道的推力，進(jìn)而在管道上產(chǎn)生應(yīng)變。
滑坡深部位移監(jiān)測方法如圖2所示，當(dāng)滑坡體下滑使測斜管1受到滑坡體推 力而發(fā)生彎曲時(shí)，監(jiān)測朝向滑坡體滑動(dòng)方向的測斜管1一側(cè)承受最大的拉應(yīng)變， 順向滑坡體滑動(dòng)方向的測斜管1一側(cè)承受最大的壓應(yīng)變；具體是將粘貼有測斜管光纖光柵傳感器16的測斜管1以粘有光纖光柵傳感器一側(cè)朝向滑坡潛在滑動(dòng)的方 向，在滑坡體上沿鉛垂方向插入穿過所有潛在滑動(dòng)面并延伸至基巖面以下3~5m 的鉆孔內(nèi)；將光纖接頭與光纜連接，通過光纜5將信號引到監(jiān)測站；在監(jiān)測站， 上位計(jì)算機(jī)8調(diào)用自編的程序，控制光纖光柵解調(diào)儀7，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采 集；就能測出測斜管l承受的最大拉應(yīng)變。設(shè)定基巖里的測斜管l是固定約東的， 利用二重積分算法，通過測斜管1的拉應(yīng)變分布就可求解出測斜管1的彎曲撓度， 這一撓度即是滑坡深部位移量。
利用二重積分算法求測斜管彎曲撓度(滑坡深部位移量)的公式如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中
c一一FBG傳感器測出測斜管的彎曲應(yīng)變；
y — 一深度位置;c處(從基巖頂面算起)測斜管的撓度(滑坡深部位移)； r— 一測斜管外徑；
s(x)—一x處測斜管的彎曲應(yīng)變，1 = ￡處應(yīng)變管無約東，f = 0;
c一一積分常數(shù)，x二O處測斜管被固定，故c-0。 光纖光柵傳感器沿應(yīng)變管深度方向呈點(diǎn)式分布，釆用三次樣條函數(shù)差值或 線性插值的方法求得測量點(diǎn)之間的應(yīng)變e(;c)。各點(diǎn)之間的f(x)可能各不相同，深 部位移y實(shí)質(zhì)是一個(gè)分段積分函數(shù)。
滑坡對管道的推力監(jiān)測方法如圖6所示，用固定在管道上的封裝土壓力盒光 纖光柵傳感器4測壓力；土壓力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在 管道14上，并土壓力盒光纖光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng) 方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳感器4測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面 推力。
管道應(yīng)變監(jiān)測方法如圖7和圖8所示，在滑坡13的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心 位置的管道14上，均勻布置管道監(jiān)測截面，且監(jiān)測截面的間距不宜超過60m;在 管道14的每個(gè)監(jiān)測截面上均勻布置3個(gè)管體光纖光柵應(yīng)變傳感器3,監(jiān)測管道14 軸向的應(yīng)變。
大量的研究表明，滑坡13對管道14作用應(yīng)力關(guān)鍵表現(xiàn)在軸向上，對管道14 軸向應(yīng)力的測量就能較好地判斷管道14的可接受應(yīng)力狀態(tài)。因此管體光纖光柵應(yīng) 變傳感器3僅測量管道軸向的應(yīng)變，基于鋼材彈性理論，已知應(yīng)變就可求出應(yīng)力。由于滑坡13變形自身的復(fù)雜性及其對管道14作用的復(fù)雜性，釆用多指標(biāo)預(yù)
警的方式對管道滑坡13的安全進(jìn)行預(yù)警。這些指標(biāo)包括滑面形成、滑坡13的 表部變形量、管道14的附加應(yīng)變。其中"滑面形成"是定性判斷指標(biāo)，其余2 個(gè)指標(biāo)是定量判斷指標(biāo)。僅當(dāng)3個(gè)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)警閥值，則對管道滑坡發(fā)出安全 預(yù)警。滑面15是否形成的判斷依據(jù)是滑坡13的深部位移分布曲線上是否有突變 點(diǎn)。"滑面形成"有兩個(gè)評語"已形成"、"未形成"，將"已形成"作為預(yù)警閥值。 管道14的附加軸向應(yīng)變閥值受管材、運(yùn)行壓力、建造溫度、監(jiān)測前滑坡已給管道 14造成的應(yīng)變、管道缺陷等的影響。對于缺陷不明顯的X60管道，將管道14的 受拉附加軸向應(yīng)變閥值定為380"e,受壓附加軸向應(yīng)變閥值定為-300"s。
按照上述的方法構(gòu)建的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)如圖3所示，是由滑 坡深部位移監(jiān)測裝置、滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置、管道應(yīng)變監(jiān)測裝置、現(xiàn)場監(jiān) 測站、辦公室的接收終端組成。以一定結(jié)構(gòu)形式安裝在滑坡內(nèi)的現(xiàn)場滑坡深部位 移監(jiān)測裝置的測斜管應(yīng)變光纖光柵傳感器16、滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的土壓 力盒應(yīng)變光纖光柵傳感器4和管道應(yīng)變監(jiān)測裝置的管體應(yīng)變光纖光柵傳感器3輸 出接現(xiàn)場監(jiān)測站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6，自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7 的輸入，另外上位計(jì)算機(jī)8的一端輸出接自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的一端輸入；光纖光 柵解調(diào)儀7的輸出也接上位計(jì)算機(jī)8的輸入;上位計(jì)算機(jī)8的輸出接GPRS傳輸模 塊9，由辦公室的接收終端GPRS接收模塊lO接下位計(jì)算機(jī)ll的輸入，下位計(jì)算 機(jī)11的輸出接報(bào)警器12和顯示器。
該系統(tǒng)的電原理如圖4所示，分別監(jiān)測滑坡深部位移、滑坡對管道的推力和 管道應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器--測斜管光纖光柵傳感器16、 土壓力盒光纖光柵 傳感器4、管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連 接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭 連接光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的LAN端口接 上位計(jì)算機(jī)8的LAN端口 ，上位計(jì)算機(jī)8的R232端口接GPRS傳輸模塊9西門子 MC35i的R232端口 , GPRS傳輸模塊9經(jīng)天線GSM、 GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊 10天線GSM接收后由R232接到下位計(jì)算機(jī)11的R232，下位計(jì)算機(jī)11的輸出由 R232接報(bào)警器12 DS-7400的R232,下位計(jì)算機(jī)11的輸出由VGA端接顯示器的 VGA端。
監(jiān)測滑坡深部位移、滑坡對管道的推力和管道應(yīng)變的三種光纖光柵傳感器的 輸出信號經(jīng)逐一導(dǎo)通給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵
9傳感器的中心波長位移量輸給上位計(jì)算機(jī)8,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6給光纖光柵解調(diào)儀7導(dǎo)通信號的周期由上位計(jì)算機(jī)8控制。上位計(jì)算機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測量輸給 GPRS傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號進(jìn)行控制，GPRS傳輸模塊9將上 位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端 GPRS接收模塊IO,也可接受接收終端的信號，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)ll處理后，由 顯示器顯示并由報(bào)警器12報(bào)警?；律畈课灰票O(jiān)測裝置的構(gòu)成如圖1和圖2所示，是測斜管1的測斜管光纖 光柵傳感器16輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7 輸入，光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場上位計(jì)算機(jī)8。而測斜管1上的測斜管光 纖光柵傳感器16是將串聯(lián)的光纖光柵傳感器組成傳感器組直接粘貼于測斜管1 軸向的外側(cè)，各測斜管光纖光柵傳感器16的引纖熔接后接至連接光纖。在滑坡 13的鉆孔里放入粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管1，下放時(shí)將測斜管1粘有測斜 管光纖光柵傳感器16的一側(cè)朝向滑坡潛在滑動(dòng)方向。將光纖接頭與光纜5連接， 通過光纜5將信號引到監(jiān)測站；在監(jiān)測站，上位計(jì)算機(jī)8調(diào)用自編的程序，控制 光纖光柵解調(diào)儀7，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)釆集。''該裝置的工作原理的是這樣的，當(dāng)滑坡13沿滑動(dòng)面15下滑時(shí)，測斜管l受 到滑坡13推力而發(fā)生彎曲，則朝向滑坡13滑動(dòng)方向的測斜管l一側(cè)承受最大的 拉應(yīng)變，順向滑坡13滑動(dòng)方向的測斜管1 一側(cè)承受最大的壓應(yīng)變。置于測斜管1 上朝向滑坡13滑動(dòng)方向 一側(cè)的測斜管光纖光柵傳感器16組就能測出測斜管承受 的最大拉應(yīng)變。設(shè)定基巖里的測斜管l是固定約東的，利用二重積分算法，通過 測斜管1的拉應(yīng)變分布就可求解出測斜管1的彎曲撓度，這一撓度即是滑坡深部位移量》 其中測斜管光纖光柵傳感器16分為測軸向應(yīng)變和測溫度兩種；測軸向應(yīng)變的測斜 管光纖光柵傳感器16采用快干膠粘貼于測斜管1外壁，然后用泡沬密封膠密封測 斜管光纖光柵傳感器16，避免測斜管光纖光柵傳感器16與周圍巖土體直接接觸； 測溫度的測斜管光纖光柵傳感器16在測斜管1上一定距離處自由放置，這種未粘 貼的光纖光柵傳感器只對溫度敏感,是對測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感器16組進(jìn)行溫 度補(bǔ)償，而不受測斜管變形的影響；測斜管光纖光柵傳感器16等間距粘貼，在潛在滑動(dòng)面附近粘貼間距縮??；測斜管1選用ABS或PVC材質(zhì)；測斜管光纖光柵傳感器16的連接光纖布置在測斜管1外壁刻的凹槽內(nèi)，以防 在下放測斜管的過程中，鉆孔孔壁刮傷光纖?；律畈课灰票O(jiān)測裝置的構(gòu)建方法(見圖2 )如下1) 在擬監(jiān)測的滑坡13上用地質(zhì)鉆進(jìn)工藝鉆孔，鉆孔需穿過所有潛在滑動(dòng)面 15，并延伸至基巖面以下3 5m;要求鉆孔終孔口徑為OllOmm，孔斜小于1°鉆 井過程中除基巖孔外要求全套管護(hù)壁；2) 準(zhǔn)備好一節(jié)ABS或PVC常規(guī)測斜管1;按鉆孔深度將測斜管1逐節(jié)進(jìn)行預(yù) 連接，并在對接處作對準(zhǔn)標(biāo)記和編號，然后拆除連接；3) 下放測斜管1前，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行清孔作業(yè)，直至泥漿水變成清混水為止， 確保鉆孔通暢，保證測斜管l的順利下放；提鉆后立即下放粘貼有傳感器的測斜 管l;4) 在第一根測斜管1外壁上粘貼光纖光柵應(yīng)變片，并在測斜管1外壁上刻槽， 將連接光纖用膠布固定于凹槽內(nèi)；為了對本裝置的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將光纖光 柵傳感器組粘貼在測斜管l內(nèi)壁十字導(dǎo)槽所處的某一平面內(nèi)，這樣光纖光柵監(jiān)測 的變形就與測斜儀測量的變形 一 致；5) 下放第一節(jié)測斜管l至孔口一定高度，按測斜管l的對準(zhǔn)標(biāo)記和編號連接 第二根測斜管i,并在第二節(jié)測斜管l外壁上粘貼測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感器16、 刻槽、固定連接光纖后，下放第二節(jié)測斜管l;依此方法，下放所有測斜管l至 孔內(nèi)；當(dāng)鉆孔內(nèi)水的浮力致使測斜管l上浮時(shí)，可在測斜管l注入適量清水以減 小下放阻力；6) 待所有測斜管l下放至孔內(nèi)后，調(diào)整導(dǎo)槽方向，使導(dǎo)槽方向及測斜管光纖 光柵應(yīng)變傳感器16組的方向朝向滑坡體的位移方向；7) 向基巖與測斜管1間隙里注入M5細(xì)砂水泥砂漿，砂漿用注漿管引導(dǎo)，當(dāng) 注漿管下至離孔底lm處后開始注漿；在土體與測斜管1間隙內(nèi)回填細(xì)砂；8) 在孔口做混凝土墩，在墩內(nèi)埋設(shè)鋼套簡，以保護(hù)測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感 器16組的信號接頭；將光纖信號接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號引到監(jiān)測 站。滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的構(gòu)成如圖6所示，是滑坡13對管道14推力監(jiān)測的土壓力盒光纖光柵傳感器4輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接 光柵解調(diào)儀7輸入，光柵解調(diào)儀的輸出接現(xiàn)場上位計(jì)算機(jī)8。而滑坡13對管道14 推力監(jiān)測的光纖光柵傳感器釆用光纖光柵封裝土壓力盒光纖光柵傳感器4; 土壓力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，并土壓力盒光纖光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵 傳感器3測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面推力?；聦艿赖耐屏ΡO(jiān)測裝置的構(gòu)建方法如圖6所示，土壓力盒光纖光柵傳感 器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，土壓力盒光纖光柵傳感器4感受壓 力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳感器4測量的壓力 就是滑坡13對管道14的正面推力。土壓力盒支架21由兩塊圓弧形鋼板卡箍組成， 其中一段圓弧形鋼板上焊有底座，土壓力盒光纖光柵傳感器4嵌入底座中，并保 持一定的裕量，使土壓力盒能自由變形。土壓力盒支架21兩端的卡箍連接件23 通過螺帽連接。當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，滑坡13對土壓力盒的推力可通過土壓力盒光 纖光柵傳感器4測量，該測量值減去土壓力盒光纖光柵傳感器4承受的土體自重 壓力，即為滑坡13變形對管道14產(chǎn)生的推力。管體應(yīng)力的監(jiān)測裝置的構(gòu)成如圖7、圖8所示，是在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑坡 的中心位置各布置一管道監(jiān)測截面，在管道14的每個(gè)監(jiān)測截面的外周均勻布置3 個(gè)管體光纖光柵傳感器3且3個(gè)管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直 的平面上。管體光纖光柵傳感器3輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出 接光纖光柵解調(diào)儀7輸入，光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場上位計(jì)算機(jī)8。管體應(yīng)力的監(jiān)測裝置的構(gòu)建方法如圖7、圖8所示，在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑 坡的中心位置各布置一管道監(jiān)測截面，且監(jiān)測截面的間距不宜超過60m。在管道 14的每個(gè)監(jiān)測截面的外周均勻布置3個(gè)管體光纖光柵傳感器3且3個(gè)管體光纖光 柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平面上。安裝管體光纖光柵傳感器3時(shí)， 完全刮開管道14防腐層，并打磨管道14表面至光滑，用快干膠3粘貼管體光纖 光柵傳感器封裝24封裝好管體光纖光柵傳感器3。待三個(gè)管體光纖光柵傳感器3 全部粘貼好后，將管體光纖光柵傳感器3的引纖一并引至地面，并進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)管道14軸向承受拉/壓應(yīng)力時(shí)，三個(gè)管體光纖光柵傳感器3承受拉/壓應(yīng)變； 按照一定的算法，由該截面三處應(yīng)變，即可求出該管道14截面上最大應(yīng)變的大小 和位置?；阡摬膹椥岳碚?，即可求出管道14截面上最大的拉/壓應(yīng)力的大小。 監(jiān)測截面的選擇對監(jiān)測效果很重要。大量的研究表明，滑坡13對管道14作用應(yīng)力關(guān)鍵表現(xiàn)在軸向上，對管道14 軸向應(yīng)力的測量就能較好地判斷管道14的可接受應(yīng)力狀態(tài)。因此，管體光纖光柵 傳感器3僅測量管道14軸向的應(yīng)變?，F(xiàn)場監(jiān)測站設(shè)置在滑坡現(xiàn)場，包括光纖接線盒、連接光纜5、光轉(zhuǎn)換開關(guān)6、光纖光柵解調(diào)儀7、上位計(jì)算機(jī)8、 GPRS傳輸模塊9;由各光纖光柵傳感器的光纖 接線盒和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器接到監(jiān)測站的光轉(zhuǎn)換 開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7輸出接上位計(jì) 算機(jī)8,上位計(jì)算機(jī)8輸出接GPRS傳輸模塊9。各光纖光柵傳感器的光纖接線盒 和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器信號集中傳輸?shù)奖O(jiān)測站的光 轉(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵 解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量給上位計(jì)算機(jī)8,上位計(jì)算 機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測量輸給GPRS傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號進(jìn) 行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò) 傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端，也可接受接收終端的信號，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)11。 其中光轉(zhuǎn)換開關(guān)6:由于監(jiān)測滑坡和管道的光纖光柵傳感器很多，信號通道眾多， 無法一次連接到光纖光柵解調(diào)儀7上，用光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號依次轉(zhuǎn)換給 光纖光柵解調(diào)儀7分析；該光轉(zhuǎn)換開關(guān)6選用巿銷產(chǎn)品；光纖光柵解調(diào)儀7:用于解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量；選用 巿銷產(chǎn)品；上位計(jì)算機(jī)8及程序用于控制光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)的頻率，并將光纖光 柵解調(diào)儀7解調(diào)出的中心波長位移量自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測量，如滑坡的深部位移、 表部位移、管體最大應(yīng)變等，將監(jiān)測量發(fā)送給GPRS傳輸模塊9，并接受GPRS傳 輸模塊9的信號進(jìn)行控制；上位計(jì)算機(jī)8選用巿銷產(chǎn)品，程序自編；GPRS傳輸模塊9:用于將上位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng) 絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端，也可接受接收終端的信號，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī) 11。位于辦公室的接收終端包括如下2個(gè)部分1) GPRS接收模塊IO，用于接收現(xiàn)場監(jiān)測站GPRS傳輸模塊9發(fā)送的監(jiān)測量， 并傳輸給終端下位計(jì)算機(jī)11,也可給現(xiàn)場GPRS傳輸模塊9發(fā)送反饋指令；2) 下位計(jì)算機(jī)ll及程序，用于下載終端GPRS接收模塊10的信號，并調(diào)用程序進(jìn)行自動(dòng)分析，將分析結(jié)果與報(bào)警閥值進(jìn)行對比，必要的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警；3) 報(bào)警器12，用于當(dāng)分析結(jié)果超過報(bào)警閥值時(shí)，發(fā)生聲音警示信號；報(bào)警 器12由下位計(jì)算機(jī)11及程序控制。13該系統(tǒng)的工作原理是這樣的，當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，埋于滑坡13深部的測斜管 1受滑坡13 土體推力而發(fā)生彎曲應(yīng)變，測斜管1上的測斜管光纖光柵傳感器16 感受到拉應(yīng)變，通過計(jì)算可得出測斜管上的水平位移，即滑坡13深部的水平位移。 同時(shí)滑坡13的滑動(dòng)，對管道產(chǎn)生的推力由土壓力光纖光柵傳感器4測到，最終導(dǎo) 致的管體應(yīng)變由管體光纖光柵傳感器3測到。通過連接光纜5，將滑坡上的各傳 感器信號傳輸?shù)焦廪D(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將信號轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光 纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)出各傳感器波長中心波長位移量并傳給上位計(jì)算機(jī)8,上位 計(jì)算機(jī)8將解調(diào)儀解調(diào)出的各中心波長位移量自動(dòng)計(jì)算為監(jiān)測量，并將各監(jiān)測量 發(fā)送給現(xiàn)場GPRS傳輸模塊9， GPRS傳輸模塊9通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)將信號傳輸 給終端GPRS接收模塊10，終端GPRS接收模塊10發(fā)送給終端下位計(jì)算機(jī)11，終 端下位計(jì)算機(jī)11將監(jiān)測量與報(bào)警閬值對比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。本方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在1 )將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于管道滑坡13的深部位移監(jiān)測及對管道14的影 響，該技術(shù)抗干擾、耐腐蝕、易于組網(wǎng)等有時(shí)明顯；通過構(gòu)筑特定的載體，實(shí)現(xiàn) 了用光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測滑坡深部位移，與傳統(tǒng)的監(jiān)測滑坡深部位移的技術(shù)手 段相比，光纖光柵傳感技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，且成本較低；2) 定位精確、空間分辨率高；3) 監(jiān)測量通過光纖光柵傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，易于構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)管道滑坡深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)釆集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警；避免了繁瑣的人工釆集數(shù)據(jù)，減少了報(bào)警時(shí)間，這對管道應(yīng)急措施的釆取至關(guān)重要。


圖1管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成示意2管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)光纖光柵傳感器安裝圖 圖3管道滑坡深部位移監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖 圖4管道滑坡深部位移監(jiān)測系統(tǒng)電原理5滑坡深部位移監(jiān)測結(jié)果與活動(dòng)式鉆孔測斜儀監(jiān)測結(jié)果的效果對比圖 圖6土壓力光纖光柵傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖 圖7管體光纖光柵傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖(橫斷面圖) 圖8管體光纖光柵傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖 其中l(wèi)一測斜管3—管體光纖光柵傳感器 5 —光纜
7—光纖光柵解調(diào)儀
9一GPRS傳輸模塊
ll一下位計(jì)算機(jī)
13-滑坡
15-滑動(dòng)面
18-邊坡
21-土壓力盒支架 23-卡箍連接件
22-支架卡箍
24-管體光纖光柵傳感器封裝
4一土壓力盒光纖光柵傳感器
6—光轉(zhuǎn)換開關(guān)
8—上位計(jì)算機(jī) IO—GPRS接收模塊 12-報(bào)警器 14-管道
16-測斜管光纖光柵傳感器
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例.本例是一試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，并在一寬300m、滑坡厚29m、基覆截面即 為滑面的覆蓋層慢速滑坡體上作試驗(yàn)。本管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成如 圖1所示，電原理框圖如圖3所示。是由滑坡深部位移監(jiān)測裝置、滑坡對管道的 推力監(jiān)測裝置、管道應(yīng)變監(jiān)測裝置、魂場監(jiān)測站、辦公室的接收終端組成。以一 定結(jié)構(gòu)形式安裝在滑坡內(nèi)的現(xiàn)場滑坡深部位移監(jiān)測裝置的測斜管應(yīng)變光纖光柵傳 感器16、滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的土壓力盒應(yīng)變光纖光柵傳感器4和管道應(yīng) 變監(jiān)測裝置的管體應(yīng)變光纖光柵傳感器3輸出接現(xiàn)場監(jiān)測站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6， 自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7的輸入，另外上位計(jì)算機(jī)8的一端輸 出接自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的一端輸入；光纖光柵解調(diào)儀7的輸出也接上位計(jì)算機(jī)8 的輸入；上位計(jì)算機(jī)8的輸出接GPRS傳輸模塊9，由辦公室的接收終端GPRS接 收模塊10接下位計(jì)算機(jī)11的輸入，下位計(jì)算機(jī)11的輸出接報(bào)警器12和顯示器。
該系統(tǒng)的電原理如圖4所示，分別監(jiān)測滑坡深部位移、滑坡對管道的推力和 管道應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器一測斜管光纖光柵傳感器16、 土壓力盒光纖光柵 傳感器4、管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連 接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭 連接光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的L認(rèn)端口接 上位計(jì)算機(jī)8的LAN端口 ，上位計(jì)算機(jī)8的R232端口接GPRS傳輸模塊9西門子 MC35i的R232端口， GPRS傳輸模塊9經(jīng)天線GSM、 GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊 10天線GSM接收后由R232接到下位計(jì)算機(jī)11的R232，下位計(jì)算機(jī)11的輸出由R232接報(bào)警器12 DS-7400的R232,下位計(jì)算機(jī)11的輸出由VGA端接顯示器的 VGA端。
監(jiān)測滑坡深部位移、滑坡對管道的推力和管道應(yīng)變的三種光纖光柵傳感器的 輸出信號經(jīng)逐一導(dǎo)通給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵 傳感器的中心波長位移量輸給上位計(jì)算機(jī)8,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6給光纖光柵解調(diào)儀7 導(dǎo)通信號的周期由上位計(jì)算機(jī)8控制。上位計(jì)算機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測量輸給 GPRS傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號進(jìn)行控制，GPRS傳輸模塊9將上 位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端 GPRS接收模塊IO，也可接受接收終端的信號，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)ll處理后，由 顯示器顯示并由報(bào)警器12報(bào)警。
滑坡深部位移監(jiān)測裝置的構(gòu)成如圖3所示，是測斜管1的測斜管光纖光柵傳 感器16輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7輸入， 光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場上位計(jì)算機(jī)8。而測斜管1上的測斜管光纖光柵 傳感器16是將串聯(lián)的光纖光柵傳感器組成傳感器組直接粘貼于測斜管1軸向的外 側(cè)，各測斜管光纖光柵傳感器16的引纖熔接后接至連接光纖。在滑坡13的鉆孔 里放入粘貼有光纖光柵傳感器的渺斜管1,下放時(shí)將測斜管1粘有測斜管光纖光 柵傳感器16的一側(cè)朝向滑坡潛在滑動(dòng)方向。將光纖接頭與光纜5連接，通過光纜 5將信號引到監(jiān)測站；在監(jiān)測站，上位計(jì)算機(jī)8調(diào)用自編的程序，控制光纖光柵 解調(diào)儀7，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)釆集。
糾
測斜管光纖光柵傳感器16分為測軸向應(yīng)變和測溫度兩種；測軸向應(yīng)變的測斜 管光纖光柵傳感器16釆用快干膠粘貼于測斜管1外壁，然后用泡沬密封膠密封測 斜管光纖光柵傳感器16，避免測斜管光纖光柵傳感器16與周圍巖土體直接接觸； 測溫度的測斜管光纖光柵傳感器16在測斜管1上一定距離處自由放置，這種未粘 貼的光纖光柵傳感器只對溫度敏感,是對測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感器16組進(jìn)行溫 度補(bǔ)償，而不受測斜管變形的影響；
測斜管光纖光柵傳感器16等間距粘貼，在潛在滑動(dòng)面附近粘貼間距縮??；
測斜管l選用ABS材質(zhì)；
測斜管光纖光柵傳感器16的連接光纖布置在測斜管1外壁刻的凹槽內(nèi)，以防 在下放測斜管的過程中，鉆孔孔壁刮傷光纖。
該裝置單通道的電原理如圖4所示，監(jiān)測滑坡深部位移的測斜管光纖光柵傳感器16的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232 直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的LAN端口接上位計(jì)算機(jī)8的L認(rèn)端 口 。
其中
光纖光柵傳感器選用自行設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵傳感器。 光轉(zhuǎn)換開關(guān)選用光隆SUM-FSW; 光柵解調(diào)儀選用SM125。
具體是將串聯(lián)的光纖光柵傳感器組成傳感器組直接粘貼于測斜管1軸向的外 側(cè)，按測軸向應(yīng)變和測溫度兩種間隔等間距粘貼，在潛在滑動(dòng)面附近粘貼間距縮 小到0.8米；各光纖光柵傳感器的引纖熔接后接至連接光纖；然后在滑坡體上的 鉆孔里放入粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管1,下放時(shí)將測斜管1粘有光纖光柵 傳感器的一側(cè)朝向滑坡潛在滑動(dòng)方向；將光纖接頭與光纜連接，通過光纜將信號 引到監(jiān)測站。
該裝置的工作原理的是這樣的，當(dāng)滑坡13沿滑動(dòng)面15下滑時(shí)，測斜管1受 到滑坡13推力而發(fā)生彎曲，則朝向滑坡13滑動(dòng)方向的測斜管1 一側(cè)承受最大的 拉應(yīng)變，順向滑坡13滑動(dòng)方向的測斜管1 一側(cè)承受最大的壓應(yīng)變。置于測斜管l 上朝向滑坡13滑動(dòng)方向 一側(cè)的測斜管光纖光柵傳感器16組就能測出測斜管承受 的最大拉應(yīng)變。設(shè)定基巖里的測斜管l是固定約束的，利用二重積分算法，通過 測斜管1的拉應(yīng)變分布就可求解出測斜管1的彎曲撓度，這一撓度即是滑坡深部 位移量。
其構(gòu)成方法如下
1)在擬監(jiān)測的滑坡13上用地質(zhì)鉆進(jìn)工藝鉆孔，鉆孔需穿過所有潛在滑動(dòng)面 15,并延伸至基巖面以下3 5m;要求鉆孔終孔口徑為OllOmm,孔斜小于1°鉆 井過程中除基巖孔外要求全套管護(hù)壁；
2 )準(zhǔn)備好一節(jié)ABS或PVC常規(guī)測斜管1;按鉆孔深度將測斜管1逐節(jié)進(jìn)行預(yù) 連接，并在對接處作對準(zhǔn)標(biāo)記和編號，然后拆除連接；
3) 下放測斜管1前，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行清孔作業(yè)，直至泥漿水變成清混水為止，
確保鉆孔通暢，保證測斜管l的順利下放；提鉆后立即下放粘貼有傳感器的測斜 管i;
4) 在第一根測斜管1外壁上粘貼光纖光柵應(yīng)變片，并在測斜管1外壁上刻槽，將連接光纖用膠布固定于凹槽內(nèi)；為了對本裝置的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將光纖光 柵傳感器組粘貼在測斜管1內(nèi)壁十字導(dǎo)槽所處的某一平面內(nèi)，這樣光纖光柵監(jiān)測
的變形就與測斜儀測量的變形 一 致；
5) 下放第一節(jié)測斜管1至孔口一定高度，按測斜管1的對準(zhǔn)標(biāo)記和編號連接 第二根測斜管l，并在第二節(jié)測斜管1外壁上粘貼測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感器16、 刻槽、固定連接光纖后，下放第二節(jié)測斜管1;依此方法，下放所有測斜管1至 孔內(nèi)；當(dāng)鉆孔內(nèi)水的浮力致使測斜管1上浮時(shí)，可在測斜管1注入適量清水以減 小下放阻力；
6) 待所有測斜管1下放至孔內(nèi)后，調(diào)整導(dǎo)槽方向，使導(dǎo)槽方向及測斜管光纖 光柵應(yīng)變傳感器16組的方向朝向滑坡體的位移方向；
7) 向基巖與測斜管1間隙里注入M5細(xì)砂水泥砂漿，砂漿用注漿管引導(dǎo)，當(dāng) 注漿管下至離孔底lm處后開始注漿；在土體與測斜管1間隙內(nèi)回填細(xì)砂；
8) 在孔口做混凝土墩，在墩內(nèi)埋設(shè)鋼套筒，以保護(hù)測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感 器16組的信號接頭；將光纖信號接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號引到監(jiān)測 站。
圖5是本發(fā)明的光纖光柵深部位移監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與活動(dòng)式鉆孔測斜儀 的監(jiān)測結(jié)果的對比圖。對比監(jiān)測的條件是滑坡體深29m，下覆基巖，測斜管1 底部埋置于基巖內(nèi)3m,測斜管1外徑70咖，內(nèi)徑60mm，在測斜管1外的2. 5m、 7.5m、 12.5m、 17. 5m、 21. 5m、 30m處各布置一個(gè)光纖光柵傳感器；活動(dòng)式鉆孔測 斜儀釆用某進(jìn)口知名品牌，在鉆孔測斜儀領(lǐng)域有較長的監(jiān)測歷史，穩(wěn)定性好。
滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的構(gòu)成如圖6所示，是滑坡13對管道14推力監(jiān) 測的土壓力盒光纖光柵傳感器4輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接 光柵解調(diào)儀7輸入，光柵解調(diào)儀的輸出接現(xiàn)場上位計(jì)算機(jī)8。而滑坡13對管道14 推力監(jiān)測的光纖光柵傳感器釆用光纖光柵封裝土壓力盒光纖光柵傳感器4; 土壓 力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，并土壓力盒光纖 光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵 傳感器3測量的壓力就是滑坡13對管道14的正面推力。
滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的構(gòu)建方法如圖6所示，土壓力盒光纖光柵傳感 器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，土壓力盒光纖光柵傳感器4感受壓 力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳感器4測量的壓力 就是滑坡13對管道14的正面推力。土壓力盒支架21由兩塊圓弧形鋼板卡箍組成，
18其中一段圓弧形鋼板上焊有底座，土壓力盒光纖光柵傳感器4嵌入底座中，并保
持一定的裕量，使土壓力盒能自由變形。土壓力盒支架21兩端的卡箍連接件23 通過螺帽連接。當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，滑坡13對土壓力盒的推力可通過土壓力盒光 纖光柵傳感器4測量，該測量值減去土壓力盒光纖光柵傳感器4承受的土體自重 壓力，即為滑坡13變形對管道14產(chǎn)生的推力。
管體應(yīng)力的監(jiān)測裝置如圖7和圖8所示，是在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心 位置各布置一管道監(jiān)測截面，在管道14的每個(gè)監(jiān)測截面的外周均勻布置3個(gè)管體 光纖光柵傳感器3且3個(gè)管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平面 上。管體光纖光柵傳感器3輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖 光柵解調(diào)儀7輸入，光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場上位計(jì)算機(jī)8。
該裝置單通道的電原理如圖4所示,管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖 與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232， 光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀 7 SM125的L緒端口接上位計(jì)算機(jī)8的LAN端口 。
管體應(yīng)力的監(jiān)測裝置的構(gòu)建方法如圖7、 8所示，在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑坡的 中心位置各布置一管道監(jiān)測截面，且監(jiān)測截面的間距不宜超過60m。在管道14的 每個(gè)監(jiān)測截面的外周均勻布置3個(gè)管體光纖光柵傳感器3且3個(gè)管體光纖光柵傳 感器3布置在與管道14軸線垂直的平面上。安裝管體光纖光柵傳感器3時(shí)，完全 刮開管道14防腐層，并打磨管道14表面至光滑，用快干膠3粘貼管體光纖光柵 傳感器封裝24封裝好管體光纖光柵傳感器3。待三個(gè)管體光纖光柵傳感器3全部 粘貼好后，將管體光纖光柵傳感器3的引纖一并引至地面，并進(jìn)行保護(hù)。
當(dāng)管道14軸向承受拉/壓應(yīng)力時(shí)，三個(gè)管體光纖光柵傳感器3承受拉/壓應(yīng)變； 按照一定的算法，由該截面三處應(yīng)變，即可求出該管道14截面上最大應(yīng)變的大小 和位置。基于鋼材彈性理論，即可求出管道14截面上最大的拉/壓應(yīng)力的大小。 監(jiān)測截面的選擇對監(jiān)測效果很重要。
大量的研究表明，滑坡13對管道14作用應(yīng)力關(guān)鍵表現(xiàn)在軸向上，對管道14 軸向應(yīng)力的測量就能較好地判斷管道14的可接受應(yīng)力狀態(tài)。因此，管體光纖光柵 傳感器3僅測量管道14軸向的應(yīng)變。
現(xiàn)場監(jiān)測站設(shè)置在滑坡現(xiàn)場，包括光纖接線盒、連接光纜5、光轉(zhuǎn)換開關(guān)6、 光纖光柵解調(diào)儀7、上位計(jì)算機(jī)8、 GPRS傳輸模塊9;由各光纖光柵傳感器的光纖 接線盒和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器接到監(jiān)測站的光轉(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7輸出接上位計(jì)
算機(jī)8,上位計(jì)算機(jī)8輸出接GPRS傳輸模塊9。各光纖光柵傳感器的光纖接線盒 和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器信號集中傳輸?shù)奖O(jiān)測站的光 轉(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵 解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量給上位計(jì)算機(jī)8,上位計(jì)算 機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測量輸給GPRS傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號進(jìn) 行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò) 傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端，也可接受接收終端的信號，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)11。 其中
光轉(zhuǎn)換開關(guān)選用光隆科技SUM-FSW; 光纖光柵解調(diào)儀選用SM125; 上位計(jì)算機(jī)及程序選用研華IPC-610,程序自編； GPRS傳輸模塊西門子MC35i。 位于辦公室的接收終端包括如下2個(gè)部分 ，(1 )GPRS接收模塊IO，用于接收現(xiàn)場監(jiān)測站GPRS傳輸模塊9發(fā)送的監(jiān)測量， 并傳輸給終端下位計(jì)算機(jī)11,也可給現(xiàn)場GPRS傳輸模塊9發(fā)送反饋指令；
(2) 下位計(jì)算機(jī)ll及程序，用于下載終端GPRS接收模塊10的信號，并調(diào) 用程序進(jìn)行自動(dòng)分析，將分析結(jié)果與報(bào)警閥值進(jìn)行對比，必要的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警；
(3) 報(bào)警器12，用于當(dāng)分析結(jié)果超過報(bào)警閥值時(shí)，發(fā)生聲音警示信號；報(bào) 警器12由下位計(jì)算機(jī)11及程序控制。
該系統(tǒng)的工作原理是這樣的，當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，埋于滑坡13深部的測斜管 1受滑坡13 土體推力而發(fā)生彎曲應(yīng)變，測斜管1上的測斜管光纖光柵傳感器16 感受到拉應(yīng)變，通過計(jì)算可得出測斜管上的水平位移，即滑坡13深部的水平位移； 滑坡13活動(dòng)過程中，管道14承受滑坡13推力而發(fā)生管體14應(yīng)變變化，通過管 體光纖光柵傳感器3測量；在管道14與滑坡13的接觸面上，滑坡13對管道14 的推力通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測量。通過連接光纜5，將上述三個(gè)傳感 器信號傳輸?shù)焦廪D(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將信號轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖 光柵解調(diào)儀7解調(diào)出傳感器波長中心波長位移量并傳感給上位計(jì)算機(jī)8,上位計(jì) 算機(jī)8將解調(diào)儀解調(diào)出的中心波長位移量自動(dòng)計(jì)算為監(jiān)測量，并將監(jiān)測量發(fā)送給 現(xiàn)場GPRS傳輸模塊9, GPRS傳輸模塊9通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)將信號傳輸給終端 GPRS接收模塊10,終端GPRS接收模塊10發(fā)送給終端下位計(jì)算機(jī)11，終端下位計(jì)算機(jī)ll將各監(jiān)測量與報(bào)警閥值對比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。最終就可測量出管
道14上所受到的應(yīng)力。 其中
GPRS接收模塊10:選用西門子MC35i;
下位計(jì)算機(jī)ll及程序下位機(jī)選用研華IPC-610;程序自編。 報(bào)警器12:選用博世DS-7400。 就可測量出管道14上所受到的應(yīng)力。
經(jīng)長時(shí)間的監(jiān)測，本例定位精確、空間分辨率高；易于構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，易于 實(shí)現(xiàn)管道滑坡13監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)釆集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。 避免了繁瑣的人工釆集數(shù)據(jù)，減少了報(bào)警時(shí)間，這對管道應(yīng)急措施的釆取至關(guān)重
權(quán)利要求
1.一種管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法，其特征是將監(jiān)測分為滑坡深部位移監(jiān)測、滑坡對管道的推力監(jiān)測及管道應(yīng)變監(jiān)測三部分滑坡深部位移監(jiān)測方法是將粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管(1)以粘有光纖光柵傳感器一側(cè)朝向滑坡(13)潛在滑動(dòng)的方向，在滑坡(13)上插入穿過所有潛在滑動(dòng)面(15)并延伸至基巖面以下3～5m的鉆孔內(nèi)；將光纖接頭與光纜(5)連接，通過光纜(5)將信號引到監(jiān)測站；在監(jiān)測站，上位計(jì)算機(jī)(8)調(diào)用自編的程序，控制光纖光柵解調(diào)儀(7)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，測出測斜管(1)承受的最大拉應(yīng)變；設(shè)基巖里的測斜管(1)是固定約束的，利用二重積分算法，通過測斜管(1)的拉應(yīng)變分布就可求解出測斜管(1)的彎曲撓度，這一撓度即是滑坡深部位移量；滑坡對管道的推力監(jiān)測方法是用固定在管道(14)上的封裝土壓力盒光纖光柵傳感器(4)并土壓力盒光纖光柵傳感器(4)感受壓力的敏感面朝向滑坡(13)的滑動(dòng)方向測壓力；這樣土壓力盒光纖光柵傳感器(4)測量的壓力就是滑坡(13)對管道的正面推力；管道應(yīng)變監(jiān)測方法是在滑坡(13)的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心位置的管道(14)上，均勻布置管道(14)監(jiān)測截面，且監(jiān)測截面的間距不宜超過60m；在管道(14)的每個(gè)監(jiān)測截面上均勻布置3個(gè)管體應(yīng)變光纖光柵傳感器(3)，監(jiān)測管道(14)軸向的應(yīng)變。
2. —種如權(quán)利要求1所述管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其特征是由滑坡深部位移監(jiān)測裝置、滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置、管道應(yīng)變監(jiān)測裝置、現(xiàn)場監(jiān)測站、辦公室的接收終端組成；現(xiàn)場滑坡深部位移監(jiān)測裝置的測斜管光纖光柵傳感器U6)、滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的土壓力盒光纖光柵傳感器(4)和管道應(yīng)變監(jiān)測裝置的管體光纖光柵傳感器(3)輸出分別接現(xiàn)場監(jiān)測站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6),自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)輸出接光纖光柵解調(diào)儀(7)的輸入，光纖光柵解調(diào)儀(7)的輸出也接上位計(jì)算機(jī)(8)的輸入；上位計(jì)算機(jī)(8 )的輸出接GPRS傳輸模塊(9 )，由辦公室的接收終端GPRS接收模塊(10)接下位計(jì)算機(jī)(11)的輸入，下位計(jì)算機(jī)Ul)的輸出接報(bào)警器(12)和顯示器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)的電原理是分別監(jiān)測滑坡深部位移、滑坡對管道的推力和管道應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器--測斜管光纖光柵傳感器U6)、 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)、管體光纖光柵傳感器(3)的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)的(PC)接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)的(R232 )直接接上位計(jì)算機(jī)(8)的(R232 )，光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)的(PC)接頭連接光纖光柵解調(diào)儀(7) SM125的(CH1)端，光纖光柵解調(diào)儀(7 )SM125的(LAN)端口接上位計(jì)算機(jī)(8 )的(L腦)端口 ，上位計(jì)算機(jī)(8 )的(R232 )端口接GPRS傳輸模塊(9)西門子MC35i的(R232 )端口， GPRS傳輸模塊(9)經(jīng)天線GSM、 GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊(10 )天線GSM接收后由(R232 )接到下位計(jì)算機(jī)(ll)的(R232 )，下位計(jì)算機(jī)(ll)的輸出由(R232)接報(bào)警器(12)DS-7400的(R232 )，下位計(jì)算機(jī)(11)的輸出由(VGA)端接顯示器的(VGA)端；監(jiān)測滑坡深部位移、滑坡對管道的推力和管道應(yīng)變的三光纖光柵傳感器的輸出信號經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀(7)光纖光柵(7)解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量輸給上位計(jì)算機(jī)(8);上位計(jì)算機(jī)(8)自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測量輸給GPRS傳輸模塊(9)并接受GPRS傳輸模塊(9)的信號進(jìn)行控制，GPRS傳輸模塊(9)將上位計(jì)算機(jī)(8 )計(jì)算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端GPRS接收模塊(IO)，也可接受接收終端的信號，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)(ll)處理后，由顯示器顯示并由報(bào)警器(12)報(bào)警；
4. 一種如權(quán)利要求2所述管道滑坡深部位^監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征是其構(gòu)建方法如下滑坡深部位移監(jiān)測裝置的構(gòu)建方法1)在擬監(jiān)測的滑坡(13 )上用地質(zhì)鉆進(jìn)工藝鉆孔，鉆孔需穿過所有潛在滑動(dòng)面(15)，并延伸至基巖面以下3 5m;要求鉆孔終孔口徑為O IIO誦，孔斜小于1°井過程中除基巖孔外要求全套管護(hù)壁；2 )準(zhǔn)備好一節(jié)ABS或PVC常規(guī)測斜管(1);按鉆孔深度將測斜管(1)逐節(jié)進(jìn)行預(yù)連接，并在對接處作對準(zhǔn)標(biāo)記和編號，然后拆除連接；3) 下放測斜管(1)前，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行清孔作業(yè)，直至泥漿水變成清混水為止，確保鉆孔通暢，保證測斜管(1)的順利下放；提鉆后立即下放粘貼有傳感器的測斜管(1);4) 在第一根測斜管(1)外壁上粘貼光纖光柵應(yīng)變片，并在測斜管(1)外壁上刻槽，將連接光纖用膠布固定于凹槽內(nèi)；為對本監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將光纖光柵傳感器組粘貼在測斜管(1)十字導(dǎo)槽所處的某一平面內(nèi)；5) 下放第一節(jié)測斜管(1)孔口一定高度，按測斜管(1)的對準(zhǔn)標(biāo)記和編號連接第二根測斜管(1 )，并在第二節(jié)測斜管(1)外壁上粘貼光纖光柵應(yīng)變傳感器(16)、刻槽、固定連接光纖后，下放第二節(jié)測斜管(1);依此方法，下放所有測斜管(1)至孔內(nèi)；當(dāng)鉆孔內(nèi)水的浮力致使測斜管(1)上浮時(shí)，可在測斜管(1) 注入適量清水以減小下放阻力；6) 待所有測斜管(1)下放至孔內(nèi)后，調(diào)整導(dǎo)槽方向，使導(dǎo)槽方向及光纖光 柵應(yīng)變傳感器16組的方向朝向滑坡體的位移方向；7) 向基巖與測斜管(1)間隙里注入M5細(xì)砂水泥砂漿，砂漿用注漿管引導(dǎo)， 當(dāng)注漿管下至離孔底lm處后開始注漿；在土體與測斜管(1)間隙內(nèi)回填細(xì)砂；8) 在孔口做混凝土墩，在墩內(nèi)埋設(shè)鋼套簡，以保護(hù)光纖光柵應(yīng)變傳感器(16) 組的信號接頭；將光纖信號接頭與光纜(5)連接，通過光纜(5)將信號引到監(jiān) 測站；滑坡對管道的推力監(jiān)測裝置的構(gòu)建方法土壓力盒光纖光柵傳感器(4 )通過土壓力盒支架(21)固定在管道(14 )上， 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)感受壓力的敏感面朝向滑坡(13)的滑動(dòng)方向；土 壓力盒支架(21)由兩塊圓弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座， 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)嵌入底座中，并保持一定的裕量，使土壓力盒能自 由變形；土壓力盒支架(21)兩端的卡箍連接件(23)通過螺帽連接；管體應(yīng)力的監(jiān)測裝置的構(gòu)建方法.-在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監(jiān)測截面，且監(jiān)測截面的 間距不宜超過60m;在管道(14)的每個(gè)監(jiān)測截面的外周均勻布置3個(gè)管體光纖 光柵傳感器(3)，且3個(gè)管體光纖光柵傳感器(3)布置在與管道(14)軸線垂直 的平面上；管體光纖光柵傳感器(3)安裝在光滑的管道(14)表面，用快干膠粘貼 管體光纖光柵傳感器封裝(24 )封裝好管體光纖光柵傳感器(3);將管體光纖光柵 傳感器(3)的引纖一并引至地面，并進(jìn)行保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特 征是所述測斜管光纖光柵傳感器16分為測軸向應(yīng)變和測溫度兩種；測軸向應(yīng)變的 測斜管光纖光柵傳感器16采用快干膠粘貼于測斜管1外壁，然后用泡沬密封膠密 封測斜管光纖光柵傳感器16;測溫度的測斜管光纖光柵傳感器16在測斜管1上 一定距離處自由放置，對測斜管光纖光柵應(yīng)變傳感器16組進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明是一種管道滑坡深部位移監(jiān)測預(yù)警方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法。它是將監(jiān)測分為滑坡深部位移監(jiān)測、滑坡對管道的推力監(jiān)測及管道應(yīng)變監(jiān)測三部分將粘貼有光纖光柵傳感器的測斜管(1)插入滑坡(13)，穿過所有潛在滑動(dòng)面(15)并延伸至基巖面以下3～5m的鉆孔內(nèi)，測出測斜管(1)承受的最大拉應(yīng)變；用固定在管道(14)上的封裝土壓力盒光纖光柵傳感器(4)測量滑坡(13)對管道的正面推力；在滑坡(13)兩側(cè)邊緣及滑坡的中心的管道(14)上均勻布置管道(14)監(jiān)測截面，每個(gè)監(jiān)測截面上均勻布置3個(gè)管體應(yīng)變光纖光柵傳感器(3)，監(jiān)測管道(14)軸向的應(yīng)變。
文檔編號G08B21/00GK101667327SQ20081011955
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者劉建平, 胡志新, 荊宏遠(yuǎn), 郝建斌, 陳朋超, 冰 韓 申請人:中國石油天然氣股份有限公司