淺析巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù),地質(zhì)工程論文

淺析巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù),地質(zhì)工程論文內(nèi)容摘要：分布式光纖傳感是光纖傳感研究領(lǐng)域的熱門課題。在建筑構(gòu)造、巖土和地質(zhì)工程的監(jiān)測方面,分布式光纖傳感技術(shù)具有顯著優(yōu)勢,尤其是在巖石和地質(zhì)工程監(jiān)測方面,它遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的電阻以及電感和振弦式傳感器等工程監(jiān)測技術(shù)愈加強(qiáng)大。文章在實(shí)踐基礎(chǔ)上,對(duì)最近幾年國內(nèi)外分布式光纖傳感技術(shù)在混凝土構(gòu)造健康、樁基工程、邊坡防護(hù)等方面的實(shí)踐和研究成果進(jìn)行了梳理和總結(jié),就其在巖土和地質(zhì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景做出了預(yù)測。本文關(guān)鍵詞語：分布式光纖傳感;巖土地質(zhì);監(jiān)測;Abstract：Distributedopticalfibersensingisahottopicinthefieldofopticalfibersensing.Thedistributedopticalfibersensingtechnologyhassignificantadvantagesinthemonitoringofconstruction,rockandgeologicalengineering,especiallyinthemonitoringofrockandgeologicalengineering,whichisfarmorepowerfulthanthetraditionalengineeringmonitoringtechniquesinresistance,inductanceandvibratingwiresensor.Onthebasisofpractice,thepaperreviewsandsummarizesthepracticeandresearchachievementsofdistributedopticalfibersensingtechnologyinthefieldsofconcretestructurehealth,pilefoundationengineeringandslopeprotectioninrecentyears,andforecastsitsapplicationanddevelopmentprospectsinthefieldofgeotechnicalandgeologicalengineering.Keyword：distributedopticalfibersensing;geotechnicalgeology;monitoring;近年來,光纖傳感技術(shù)發(fā)展較為迅速,遭到人們廣泛關(guān)注,一步步成為繼光纖通信產(chǎn)業(yè)之后發(fā)展起來的又一大光纖應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè),華而不實(shí)分布式光纖傳感技術(shù)是國內(nèi)外當(dāng)下研究的熱門問題之一[1]。分布式光纖傳感測量原理是利用一維光纖空間的連續(xù)測量技術(shù)。華而不實(shí),光纖作為感應(yīng)元件和傳遞元件,可用于沿光纖長度方向測量光纖的參數(shù),并獲得測量空間構(gòu)成和隨時(shí)間改變的信息。分布式光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基于光纖拉曼散射或布里淵散射和頻域反射(R/B-OTDR/OFDR)、基于光纖瑞利散射的偏振光、反射技術(shù)(P-OTDR)的光時(shí)域反射領(lǐng)域,以及遠(yuǎn)距離光干預(yù)技術(shù)、準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵的重復(fù)應(yīng)用技術(shù)等。最近幾年,隨著我們國家國民經(jīng)濟(jì)長足發(fā)展,大量資金被投資到公路建設(shè)、鐵路建設(shè)、隧道建設(shè)等基礎(chǔ)工程設(shè)施中。為了保證工程安全,開展對(duì)工程本身健康評(píng)價(jià)以及對(duì)其安全監(jiān)控量測是非常必要的。當(dāng)前的多數(shù)情況是我們都會(huì)對(duì)建筑設(shè)施(包括大型工程)進(jìn)行監(jiān)測和測量。有時(shí)使用傳統(tǒng)的監(jiān)測和測量方式方法,如電感器或振動(dòng)弦,但傳感器主要依靠電磁感應(yīng)或振動(dòng),由金屬制成。這就可能受影響,假如巖土質(zhì)量相對(duì)較差,有水分,則會(huì)生銹、耐久性差、接觸不良、導(dǎo)電性差。低存活率的缺陷導(dǎo)致很多自動(dòng)監(jiān)測測量不能完成。傳統(tǒng)上,在均勻性布局中,上述方式方法有時(shí)被用來解決問題,但有時(shí)會(huì)丟失一些東西。隨著工程建設(shè)的需要,工程建設(shè)中安全監(jiān)測的發(fā)展遭到了控制。在巖土工程和地質(zhì)經(jīng)過中,二十世紀(jì)下半葉提出的分布式光纖傳感技術(shù)得以應(yīng)用,它能夠在一個(gè)相對(duì)較新的項(xiàng)目中開發(fā)來監(jiān)測其安全性。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)和方式方法相比,光纖不僅僅是一種傳感介質(zhì),而且是一種通信信道,能夠在空間中連續(xù)測量。當(dāng)光纖技術(shù)與被檢測物體接觸,被測物體變化時(shí),它能夠同時(shí)獲得整個(gè)光纖變化或溫度的平面分布圖。假如網(wǎng)格被布置,則能夠獲得各種變形和溫度信息數(shù)據(jù)。它更有利于分析構(gòu)造在力和形狀上的變化,具有靈敏度高、抗磁場強(qiáng)度強(qiáng)、絕緣性好、長期使用好等優(yōu)點(diǎn)。由于分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn),利用巖土工程地質(zhì)安全監(jiān)測是非常有利的,這就引起了工程界眾多學(xué)者的關(guān)注。1分布式光纖傳感技術(shù)的概述光纖傳感這種技術(shù),主要是通過測量光纖傳輸光中一些如強(qiáng)度的、相位相關(guān)的參數(shù)變化,來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的測量。分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)最具前景的技術(shù)之一,主要是由于它具有可重復(fù)使用和傳輸距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn),另外這也是光纖傳感、監(jiān)測這種技術(shù)的發(fā)展趨勢。華而不實(shí),光纖布拉格和光柵傳感技術(shù),這兩種分布式光纖傳感技術(shù)(brillouinoptictimedomainreflectometry,BOTDR)是最具有前沿性的[2]。在巖土工程和地質(zhì)工程中,分布式光纖傳感技術(shù)在華而不實(shí)起著較為重要的作用,是一種全新的工程安全監(jiān)測技術(shù),在檢測工作中要用到相關(guān)的光纖變形監(jiān)測系統(tǒng),以及相關(guān)的光波干預(yù)測量基礎(chǔ)原理。這種技術(shù)能夠?qū)ㄖ?gòu)造的變形進(jìn)行詳細(xì)分析,且應(yīng)用光纖技術(shù)防護(hù)對(duì)相關(guān)的管道進(jìn)行保衛(wèi)。這樣就能夠?qū)?gòu)造工程中的溫度變化監(jiān)測分析,且實(shí)現(xiàn)一定的控制目的。分布式光纖傳感技術(shù)有很高的應(yīng)用價(jià)值,其工作經(jīng)過中主要通過傳播介質(zhì)的形式,來檢測空間信息,根據(jù)所得結(jié)果而制定相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分布圖。這種傳感器的特征表現(xiàn)為靈敏度較高、導(dǎo)電性能差和有很高的抗干擾能力,在地質(zhì)工程的監(jiān)測經(jīng)過中有很高的應(yīng)用價(jià)值。2分布式光纖傳感器在巖土與地質(zhì)工程監(jiān)測中應(yīng)用2.1混凝土構(gòu)造監(jiān)測根據(jù)土木工程的相關(guān)知識(shí),鋼筋混凝土的性能和巖土工程的質(zhì)量存在明顯的關(guān)系,其對(duì)整個(gè)工程的安全穩(wěn)定也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)混凝土構(gòu)造情況變化時(shí),對(duì)應(yīng)的建筑工程質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)同樣的變化,能夠通過分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)這種構(gòu)造檢測進(jìn)行分析,根據(jù)所得結(jié)論確定出混凝土構(gòu)造的缺乏,然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)母牧己途S護(hù),知足工程施工的相關(guān)要求。在這里經(jīng)過中,假如鋼筋銹蝕,則能夠通過技術(shù)的檢測分析,為實(shí)現(xiàn)相關(guān)的監(jiān)測工程質(zhì)量目的打下良好的基礎(chǔ)。在施工現(xiàn)場環(huán)境不知足要求的情況下,能夠通過這種技術(shù)為健康監(jiān)測提供可靠的支持,且根據(jù)所得結(jié)果制定相應(yīng)的保障方案,對(duì)相關(guān)巖土工程和地質(zhì)工程進(jìn)行科學(xué)規(guī)范的檢測。前期,有學(xué)者進(jìn)行了水電站的地質(zhì)平峒裂縫監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)通過光纖的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多量程、高精度的觀測,為將分布式光纖應(yīng)用于混凝土構(gòu)造裂縫監(jiān)測提供了難得珍貴的經(jīng)歷體驗(yàn)[3]。通過這一技術(shù),明確相關(guān)的缺陷,提出愈加有效的解決方案,確保巖土工程和地質(zhì)工程監(jiān)測工作正常有序進(jìn)行下去,確保了項(xiàng)目質(zhì)量。2.2邊坡監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)禍監(jiān)測是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,其和地質(zhì)、測量、幾何等密切相關(guān),在檢測經(jīng)過中應(yīng)用集合了這些技術(shù)的檢測系統(tǒng)。這一技術(shù)是在二十世紀(jì)下半葉才開場發(fā)展起來的。分布式光纖傳感技術(shù)是工程測量領(lǐng)域中的一項(xiàng)高新技術(shù),光纖傳感器以光為信息的載體,能夠很好地知足相關(guān)的檢測要求,具有穩(wěn)定性高、耐久性好、敏感性較高、反響快、質(zhì)量小等特點(diǎn)。我們國家很早就開場應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù),主要使用于滑坡方面的監(jiān)測,效果比擬明顯。通過對(duì)光纖傳感在滑坡的監(jiān)測中進(jìn)行使用,積累的經(jīng)歷體驗(yàn)還有技術(shù)方式方法以及監(jiān)測方式方法的研究,為工程質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)。構(gòu)造工程中邊坡工程質(zhì)量和附近的建筑質(zhì)量明顯相關(guān),其對(duì)周圍高速公路等區(qū)域的安全也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。假如邊坡監(jiān)測工作的質(zhì)量達(dá)不到要求,則可能導(dǎo)致出現(xiàn)滑坡、泥石流等相關(guān)問題,產(chǎn)生一定的危害,這就要求在施工經(jīng)過中要進(jìn)行巖土工程地質(zhì)監(jiān)測,且要應(yīng)用到各種檢測設(shè)備,如將分布式光纖埋設(shè)到工程建筑中進(jìn)行監(jiān)測,然后根據(jù)所得的結(jié)果分析判定,制定有效的解決辦法,為工程的質(zhì)量和安全性打下良好的基礎(chǔ)。另外,在開展這方面的安全監(jiān)測工作時(shí),應(yīng)該進(jìn)行全方面的分析和判定,且在充分考慮到周邊土質(zhì)因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)行一定的排序處理,確定其影響大小。綜合不同因素,制定出不同的監(jiān)測方案,且進(jìn)行一定的優(yōu)化改良,更好地知足應(yīng)用要求。只要這樣,監(jiān)測工作和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作等密切的結(jié)合起來,才能夠更好地發(fā)揮協(xié)同作用,為工程目的實(shí)現(xiàn)提供支持。假如巖土工程相關(guān)的檢測結(jié)果很準(zhǔn)確且精度高,則能夠發(fā)揮出積極的應(yīng)用價(jià)值。而施工經(jīng)過中應(yīng)該對(duì)施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測和設(shè)計(jì),同時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行一定的判定分析,采取適當(dāng)?shù)拇胧?為保衛(wèi)工作提供一定的支持和幫助。如在北川縣西山坡滑坡群監(jiān)測和香港新界鹿徑道公路邊坡監(jiān)測中運(yùn)用光纖傳感技術(shù),分析了部分光纖監(jiān)測成果,總結(jié)了光纖監(jiān)測技術(shù)在邊坡現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)歷體驗(yàn)[4]。2.3鉆孔灌注樁監(jiān)測鉆孔灌注樁是很多樁基類型中的一種,樁基的好壞直接關(guān)系上部構(gòu)筑物的穩(wěn)定與安全。鉆孔灌注樁由于在地下,屬于隱蔽工程,工序比擬多樣,在地質(zhì)條件復(fù)雜且難判定情況下,其質(zhì)量控制難度比擬大,稍有疏忽,容易出現(xiàn)樁體收縮、膨脹、淤泥、斷樁、礦渣相對(duì)厚度不平衡和鋼籠脫位等質(zhì)量缺陷,影響樁的完好性和T樁的承載力。因而,鉆孔灌注樁質(zhì)量檢測與評(píng)價(jià)是樁基工程中非常必要的工作,也是一項(xiàng)技術(shù)難度較大的中間環(huán)節(jié)[5]。當(dāng)前,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)常用的檢測技術(shù)有樁基靜載試驗(yàn)、樁基動(dòng)力法監(jiān)測和超聲波檢測[6]。靜載試驗(yàn)的方式方法是當(dāng)下確定鉆孔灌注樁還有單樁豎向抵抗的抗壓力最常用的技術(shù)方式方法。在靜載荷試驗(yàn)經(jīng)過中,測量了樁在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變效應(yīng),了解了樁的承載機(jī)理,并在樁中埋設(shè)了各種鋼制應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變儀等傳感器元件。然而,傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器具有下面缺點(diǎn):埋藏的比擬少時(shí),容易檢測不全;埋設(shè)時(shí)間過長時(shí),會(huì)對(duì)樁的承載力造成不良影響。另外,傳動(dòng)感應(yīng)器與傳導(dǎo)線的結(jié)合容易造成檢測點(diǎn)的缺乏和成活率不高,便不能發(fā)揮良好的作用。如采用樁基動(dòng)力測量和超聲波檢測作為間接測試方式方法,這兩種方式方法檢測動(dòng)態(tài)成分高,易受外界環(huán)境干擾,靜載荷試驗(yàn)的測試精度難以到達(dá)。而布里淵光時(shí)域反射計(jì)(BOTDR)是一種全面布置的檢測系統(tǒng),比擬先進(jìn),具有全面布置功能,還能夠在一端檢測,沒有閉合,相距較遠(yuǎn),耐用性較好,抗外部影響,跟被測量物很好配合等優(yōu)點(diǎn),能夠把點(diǎn)式檢測技術(shù)存在的缺乏進(jìn)行改良,已成為一些全球走在前面的國家爭相研究的一項(xiàng)前沿攻關(guān)技術(shù)[7]。3結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展,國內(nèi)外很多專業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)進(jìn)入這一領(lǐng)域,對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)在巖土工程和地質(zhì)工程中的研究有了初步探尋求索。通過對(duì)巖土工程、地質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行的大量研究,發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具備了很大的發(fā)展空間,十分是在巖土工程安全監(jiān)測和評(píng)價(jià)的經(jīng)過中,突出具體表現(xiàn)出了應(yīng)用的廣度和深度。但是,以下問題需要進(jìn)一步深切進(jìn)入研究:一是對(duì)光纖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的后處理方式方法研究,對(duì)異常的數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因分析;二是分布式傳感技術(shù)的關(guān)鍵器件還有集成以及工程監(jiān)測和診斷等。希望以上兩個(gè)問題成為將來光纖傳感技術(shù)研究的重點(diǎn),并加以解決。以下為參考文獻(xiàn)[1]劉鐵根,于哲,江俊峰,等.分立式與分布式光纖傳感關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報(bào),2021,66(07):48-64.[2]杜柯.巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展[J].世界有色金屬,2021,(01):66-68.[3]殷建華,崔鵬,裴華富,等.基于光纖傳感技術(shù)的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,(47)(增刊1):290-292.[4]陳池,柯賢金,蔡