光子学报  2017, Vol. 46 Issue (8): 0812003  DOI: 10.3788/gzxb20174608.0812003
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引用本文  

高潮, 刘邦, 郭永彩, 朱正伟, 刘鹏, 郑勇, 刘虹霖. 一种用于滑坡监测的复合光纤装置[J]. 光子学报, 2017, 46(8): 0812003. DOI: 10.3788/gzxb20174608.0812003.
GAO Chao, LIU Bang, GUO Yong-cai, ZHU Zheng-wei, LIU Peng, ZHENG yong, LIU Hong-lin. A Composite Optical Fiber Transduser for Landslide Monitoring[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(8): 0812003. DOI: 10.3788/gzxb20174608.0812003.

基金项目

国家自然科学基金(Nos.51178488,51478066)资助

第一作者

高潮(1959-), 男, 教授, 博士, 博导, 主要研究方向为测控技术及仪器、图像获取及处理

通讯作者

刘邦(1983-), 男, 博士研究生, 主要研究方向为光纤传感技术.Email: 28374643@qq.com

文章历史

收稿日期:2016-12-16
录用日期:2017-03-20
一种用于滑坡监测的复合光纤装置
高潮1, 刘邦1, 郭永彩1, 朱正伟2, 刘鹏2, 郑勇2, 刘虹霖2    
(1 重庆大学 光电工程学院 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400030)
(2 重庆大学 土木工程学院 山地城镇建设与新技术教育部重点实验, 重庆 400045)
摘要:针对滑坡体深部位移这一重要指标,基于光时域反射技术,设计了一种蝴蝶结形式的复合光纤装置用于监测深部剪切位移.该传感装置由方形聚氯乙烯树脂管、毛细钢管、光纤、砂浆组合而成.首先在40 mm×40 mm×500 mm(厚2.0 mm)的聚氯乙烯树脂方管四周开挖导槽,将Φ1×500 mm毛细钢管放置在导槽中.然后用光纤穿入毛细钢管,光纤一端固定,另一端绕制成蝴蝶结形式.最后在聚氯乙烯树脂管外围浇筑Φ110 mm的砂浆,制作成圆柱式复合光纤装置.室内边坡模型剪切测试台测试结果表明:该装置对深部剪切位移初测准确度为1 mm,最大测量范围为40 mm.分析表明该复合光纤装置具有灵敏度高、测量范围大、结构简单易于安装等优点,可以用于滑坡以及野外岩土结构工程等进行现场原位监测.
关键词光时域反射    滑坡    复合光纤装置    剪切    位移    监测    
中图分类号:TU454      文献标识码:A      文章编号:1004-4213(2017)08-0812003-7
A Composite Optical Fiber Transduser for Landslide Monitoring
GAO Chao1, LIU Bang1, GUO Yong-cai1, ZHU Zheng-wei2, LIU Peng2, ZHENG yong2, LIU Hong-lin2    
(1 Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of the Education Ministry, College of Opto-electronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)
(2 Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, College of Civil Engineering of Chongqing University, Chongqing 400045, China)
Foundation item: The National Natural Science Foundation of China(Nos.51178488,51478066)
Abstract: Aimed at the important indicator of deep displacement in landslide body, based on the optical time domain reflection technique, a composite optical fiber transducer was designed to monitor the deep shear displacement. The transducer is composed of square PVC pipe, capillary pipe, optical fiber and mortar. Firstly, the surrounding of 40 mm×40 mm×500 mm (2.0 mm thick) PVC tube was grooved, and the Φ1×500 mm steel capillary was placed in the guide groove. Then the fiber was used to penetrate capillary tube. One end of the optical fiber was fixed, and the other end was wound into a bow form. At last, the mortar with diameter of 110 mm was poured outside PVC, so that a cylindrical composite optical fiber transducer was fabricated. The slope model shear test experiment shows the transducer detection accuracy is 1 mm and the maximum measurement range of fiber grating is 40 mm. Study shows that the composite optical fiber transducer has the advantages of high sensitivity, wide measuring range and convenient installation, and can be used for in-situ landslide monitoring and geotechnical engineering structure monitoring effectively.
Key words: Optical time domain reflectometry    Landslide    Composite optical fiber transducer    Shear    Displacement    Monitoring    
OCIS Codes: 120.4880;060.2370;120.4640;230.0040
0 引言

我国是世界上地质灾害十分严重的国家之一,仅滑坡每年造成的财产损失就达数亿之多[1].目前已有许多先进技术用于滑坡监测,如全球卫星定位系统[2]、地理信息系统[3]、遥感技术[4]等.这些监测技术在滑坡体地表形态形变监测中取得了重要的成就,但是地表信息极容易受到自然界各种活动的干扰,如雨水冲刷、人畜活动等.时域反射系统[5]和测斜仪[6]能够测量滑坡的内部形变但其测量范围有限并且实时性较差.光纤传感监测技术以其独特的优点产生了许多显著的成果,如光功率监测技术[7]、光时域反射技术(Optical Time Domain Reflection, OTDR)[8]、布里渊光时域反射技术[9]、布里渊光时域分析[10]等.这些监测技术在滑坡重要状态参量——内部形变位移[11]监测方面已经取得了巨大的成功,但是难以同时满足准确判别滑动方向、初始准确度高、测量行程大及价格便宜等优点[12].因此需要研究一种定位好、准确度高、量程大、价格低的光纤监测手段用于滑坡内部形变位移——剪切位移的监测.

在该课题组前期的研究中[13-15],制作了一至四代复合光纤传感装置(Composite Optical Fiber Transduser, COFT),有针对性地解决了一些目前光纤监测技术中存在的问题.该装置以光时域反射技术为基础结合空间梁架构,实现了分布式、实时远程监测滑坡深层剪切位移.第一、二代复合光纤装置主要为探索试验,装置由毛细钢管和单光纤以及基材板组成,抗折试验表明第二代复合光纤装置对剪切位移的初始测量准确度与最大测量范围分别是5 mm和12 mm[13].第三代复合光纤装置引入EPS材料,抗折试验表明其初始测量准确度与最大测量范围分别是2.3 mm和26.5 mm[14].第四代复合光纤装置将光纤制作成蝴蝶结形式,双剪试验表明其初始测量准确度和最大测量范围分别是1 mm和21 mm[15].在研究中发现,初始测量准确度提高了,但是最大测量范围却降低了.为此,本文提出采用PVC方管替代之前使用EPS材料作为基材设计新型复合光纤装置进行研究,并且利用三根光纤分阶段监测的方式以增大其测量范围,同时设计制作了直剪模型测试台作剪切试验以达到更好的模拟滑坡深部形变的效果.

1 复合光纤装置设计原理

当某一波长的激光入射到光纤中进行传播时,由于受到外界扰动,光纤产生弯曲由直光纤变为曲率半径为R的光纤时,并且其曲率半径小于临界值Rc时(RRc),其后向散射光的强度将会发生衰减.后向散射光的强弱变化可以由光时域反射仪(OTDR)测出.对于阶跃单模光纤,设后向散射光损耗为α, 则通过光传输理论分析可得[16]

$ \left\{ \begin{array}{l} \alpha = {A_{\rm{c}}}{R^{ - 1/2}}{\rm{exp}}\left( { - UR} \right)\\ U = 0.705\frac{{{\Delta ^{2/3}}}}{\lambda }\left( {2.748 - 0.996\frac{\lambda }{{{\lambda _{{\rm{cf}}}}^3}}} \right) \end{array} \right. $ (1)

式中,λ为中心波长

$ {A_{\rm{c}}} = 30{\Delta ^{1/4}}{\lambda ^{ - 1/2}}{\left( {\frac{{{\lambda _{{\rm{cf}}}}}}{\lambda }} \right)^{1/2}} $ (2)

由式(1) 可知,光纤弯曲损耗α随曲率半径的减小而增大.因此可以设计合理的调制机构使得光纤的曲率半径随着外界被测参量的变化而变化.通过OTDR仪器测量光纤后向散射光损耗的变化,进而反推出外界被测参量的变化.

COFT边坡监测技术正是利用光纤这一特性,设计蝴蝶结作为调制机构,如图 1所示,当装有蝴蝶结的毛细钢管运动时,蝴蝶结尺寸变小,使得蝴蝶结曲率半径R减小,进而产生微弯损耗,并为OTDR所捕获.

图 1 COFT灌浆体工作示意图(悬臂结构) Fig.1 COFT sketch map of grouting body (cantilever structure)

COFT完整结构如图 1所示,COFT由一根光纤穿过1#、2#、3#、4#毛细钢管,四根500 mm长毛细钢管附着在开挖导槽的方形中空40×40×500 mm3 PVC管上.毛细钢管的一端50 mm长部分通过502胶水牢固粘贴在基材板上进行锚固,同时在这端毛细钢管口注入502胶水以使光纤和毛细钢管锚固在一起.毛细钢管的其余部分用透明胶布捆绑使得毛细钢管和PVC管紧密结合并可以自由弯曲,即形成自由端.在毛细钢管的位于监测体外部分将光纤绕制成蝴蝶结形状,在蝴蝶结端部安装光纤夹以固定蝴蝶结初始尺寸的大小,同时允许光纤在光纤夹中能够自由滑动.在PVC管外部浇筑Φ110的砂浆体构成圆柱体式COFT.该COFT具有感知毛细钢管任意点的剪切位移的特点,在实际监测中只要浇筑的砂浆体强度适宜、刚度合适,周围土体发生变形时,砂浆体也将变形,并和周围土体保持一致.当砂浆体在剪切力F作用下时,在剪切处PVC管将发生变形,由于毛细钢管的一端锚固在PVC管上,毛细钢管另一端将产生回缩,从而带动光纤使蝴蝶结收缩.使用OTDR仪器测试蝴蝶结微弯损耗即可测量剪切位移的大小.

2 实验结果与分析

实验选用武汉长飞光纤光缆有限公司生产的单模光纤(G652.B,直径241μm).OTDR选用41所研制的AV6418.光纤熔接机选用41所生产的AV6471.百分表选用成都工具量具厂生产的0~50 mm规格.液压千斤顶选用10KN手动式.在前期的试验中发现2#、4#毛细钢管的运动轨迹几乎一样,因此在本实验中选用1#、2#、3#毛细钢管作为研究对象.实验中先将毛细钢管一端锚固PVC方管导槽中,其余部分通过透明胶布困绑在PVC方管上,再将PVC方管放入Φ110的PVC管中,在两管之间浇筑1:5的砂浆,养护3天制作成圆柱式COFT.待养护时间到以后再将光纤穿入毛细钢管,在毛细钢管的自由端将光纤绕制成蝴蝶结形式,在两蝴蝶结中间用熔接机连接不少于60 m的自由光纤.将制备好的COFT装入室内直剪模型测试台中,试验结构及剪切前后的毛细钢管和蝴蝶结状态如图 2所示.剪切前毛细钢管处于直线状态,随着剪切位移的增大,1#、2#、3#毛细钢管依次增大移动位移.蝴蝶结收缩量呈现1# > 2# > 3#.

图 2 COFT灌浆体直剪试验示意图 Fig.2 Schematic diagram of direct shear test of COFT grout

为便于和曾经研发的复合光纤装置做试验比对,试验试件构成如表 1所示.

表 1 试件参量 Tab.1 Specimen parameters

利用液压千斤顶对模型施加推力,使其上下部产生相对滑移.同时用两只百分表记录左右滑移量以取平均值.试验时,以约1.0 mm的位移值为步长,记录千斤顶油压值、百分表读数、OTDR的光纤损耗值.最后得到PVC和EPS两种基材的光纤损耗值和滑体剪切位移关系曲线如图 3所示.

图 3 PVC和EPS基材COFT光纤损耗值和剪切位移关系曲线 Fig.3 Curves of COFT fiber loss and shear displacement of PVC and EPS substrates

图 3中可知:

1) 在图 3(a)中,1#、2#、3#蝴蝶结的损耗趋势线基本保持一致.其原因是由于EPS是实心泡沫材质,能够一定程度上均匀传递剪力.损耗9 dB时终止,测量范围0~25 mm;

2) 在图 3(b)中,1#蝴蝶结测量范围为0~25 mm;2#蝴蝶结测量0~10 mm时,损耗值很小,测量20~30 mm变化明显;3#蝴蝶结测量0~20 mm时,损耗值很小,测量30~40 mm变化明显.分析其原因是由于PVC基材刚度很大且中空,1#光纤前端受到剪力,最早发生损耗变化;剪力让前端PVC变形到一定程度,此时2#光纤受到剪力,蝴蝶结收缩发生损耗变化;最后是后端3#光纤受到剪力,蝴蝶结收缩发生损耗变化;

3) 图 3(c)是根据图 3(b)进行截断并重新拟合曲线方程;

4) 对比图 3(a)(b)(c),PVC基材COFT能够测量的滑体最大剪切位移为40 mm,比EPS优良.利用PVC基材COFT装置的3个蝴蝶结,可以分为三段函数表示光纤损耗值α和剪切位移x值关系,即

$ \alpha = \left\{ \begin{array}{l} 0.0197{x^2} - 0.0681x + 0.2885\;\;0 \le x \le 20\;\;\\ 0.0082{x^2} - 0.0725x + 2.204\;\;20 \le x \le 30\;\;\\ 0.0244{x^2}1.2546x + 19.288\;\;30 \le x \le 40 \end{array} \right. $ (3)

PVC基材COFT装置剪切试验实景图如图 4所示.试验后的剪切凹痕和每根钢管的剪切位移量与理论分析和实测数据相互印证.在实际应用中需要测试光纤蝴蝶结的损耗反算剪切位移的大小.由式(3) 可知1#蝴蝶结损耗为0~7 dB时,位移小于20 mm;2#蝴蝶结损耗为4.2~7.5 dB时,位移大于20 mm小于30 mm;3#蝴蝶结损耗为4.0~8.5 dB时,位移大于30 mm小于40 mm.为验证重复性,试验一共制备了EPS基材和PVC基材各3组试件,取PVC基材3次试验得到数据如表 2.

图 4 PVC基材COFT剪切试验图 Fig.4 substrate COFT shear test diagram
表 2 COFT试验数据 Tab.2 COFT test data

表 2中COFT损耗值为OTDR测得的各蝴蝶结后向散射光损耗.试验加载以百分表读数为准约2 mm为步长.理论位移是根据式(3) 通过损耗求得的剪切位移.三次试验损耗最大误差出现在位移16 mm处为0.71 dB,相对误差为7.9%FS.损耗当量误差出现在10 mm处,为21.9%.理论位移与百分表位移最大误差出现在40 mm处为1.63 mm,相对误差为4.1%FS.位移当量误差出现在1 mm处,为75%.综合以上试验和分析可得本文设计的装置初始测量准确度为1 mm,最大测量范围为40 mm,重复性误差为7.9%FS,准确度误差为4.1%FS.

3 讨论

COFT装置是用于在滑坡深部监测的,该装置需要具备较高的初始测量准确度、较大测量行程、实时性及价格较低等优点.为此,将本文方法与其他基于钻孔的监测方法进行对比,如表 3所示.

表 3 几种监测方法的比较 Tab.3 Comparison of the present test and other test

表 3可以看出:

1) 在这些基于钻孔的监测方法中,本文方法的初始测量准确度为1 mm,尽管高于单光纤,但远低于TDR;

2) 本文方法的最大测量行程大于40 mm,与其他方法相比是最大的测量行程;

3) 实时性方面,四种方法都可实现实时性监测;

4) 价格方面,本文方法的辅材价格仅MYM0.5/m,仅高于单光纤,但远低于TDR的价格.

5) 判断滑坡运动方向方面,只有本文方法和第四代COFT能判断运动方向.

因此,综合初始测量准确度、行程、实时性、价格和判断运动方向等因素,COFT在滑坡监测方面上优势较为明显,野外实用性较强.

4 结论

本文提出采用PVC方管替代前期EPS材料作为基材设计复合光纤装置进行研究,同时运用分段测量使得三个蝴蝶结处于依次连续工作状态,以增大其测量范围.并设计制作了直剪模型测试台以达到更好的模拟滑坡监测的效果,结果表明:

1) PVC方管基材COFT相比于EPS基材COFT,测量范围更大,性能更好,最小测量位移为1 mm,最大测量位移40 mm;

2) 基于PVC方管基材COFT,在直剪切试验中通过三段式函数测量位移,并制作不同试件重复试验得到位移测量准确度误差为4.1%FS,损耗测量重复性误差为7.9%FS;

3) 本文方法同时具有分布式测量、价格低廉且安装方便等优点.具体表现为可以感知任意滑移面的剪切位移;光纤和PVC管作为材料价格低;圆柱式封装利于现场钻孔.因此在滑坡监测等工程现场应用中具有较强的可行性.

基于PVC方管的新型复合光纤装置的研究提供了一种探索思路.离实际产品化应用于现场监测仍然有许多问题需要进一步研究,例如如何保护光纤不被折断,进一步提高该装置初始测量准确度以及重复性和准确度等等.

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