阅读说明：本技术 基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法 (Surface subsidence quasi-distributed monitoring device and method based on optical fiber sensing technology ) 是由 夏开文 董鹏 徐颖 张开雨 赵玺 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法,包括准分布式沉降监测站点、分布式光纤定点传感线路、PPP-BOTDA光纤数据采集仪和数据处理系统。每个所述准分布式沉降监测站点上布置定点锚固支架；所述分布式光纤定点传感线路包括分布式光纤进、回线部分,两部分分布式光纤均固定在定点锚固支架上；所述分布式光纤进线部分呈锯齿状布置,且,位于相邻两个定点锚固支架之间的分布式光纤进线部分的分布式光纤呈预拉伸状态；位于相邻两个定点锚固支架之间的分布式光纤回线部分的分布式光纤呈松弛状态。本发明在满足空间分辨率的条件下,既扩大了监测范围,又保证了监测精度,弥补了以往监测技术效率低、空间分辨率低、精度低的不足。(The invention discloses a surface subsidence quasi-distributed monitoring device and method based on an optical fiber sensing technology. A fixed-point anchoring support is arranged on each quasi-distributed settlement monitoring station; the distributed optical fiber fixed point sensing line comprises a distributed optical fiber incoming line part and a distributed optical fiber return line part, and the two parts of distributed optical fibers are fixed on the fixed point anchoring support; the distributed optical fiber incoming line part is arranged in a zigzag manner, and the distributed optical fiber of the distributed optical fiber incoming line part positioned between two adjacent fixed point anchoring brackets is in a pre-stretched state; the distributed optical fiber of the distributed optical fiber loop part positioned between two adjacent fixed point anchoring brackets is in a relaxed state. Under the condition of meeting the spatial resolution, the invention not only expands the monitoring range, but also ensures the monitoring precision, and makes up the defects of low efficiency, low spatial resolution and low precision of the traditional monitoring technology.)

基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术，特别涉及一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法。

背景技术

由于基坑及地下工程施工、能源开采、地下水抽取、地基固结沉降会导致地表沉降，影响到地表建筑设施及交通管线的安全稳定及健康运营。对地表沉降的监测是浅埋地下工程、基坑工程施工安全监测的重要环节，同时也是评价地表建筑的安全稳定及交通管线的健康运营提供重要的依据。准确、实时的地表沉降监测能够为保证浅埋地下工程、基坑工程安全施工及灾害提前预警提供必需条件。由于传统的地表监测方法主要是采点式监测，空间分辨率不足，且工作量较大，不能满足实时监测的需求。

布里渊光时域分析(BOTDA)是一项具有广阔应用前景的分布式光纤传感技术。布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。基于布里渊散射原理的预脉冲泵浦布里渊光时域分析(PPP-BOTDA)在BOTDA技术的基础上，提升了空间分辨率(2cm)和精度(5με)，具有更加明显的优势。

目前，已有的基于分布式光纤传感技术的地表沉降监测方法主要利用弹性梁模型，在选取适当的边界条件下，对应变变化进行二重积分，获得各处沉降值。但是由于应变本身存在误差，当积分距离较长时，测得的沉降值误差就很大。本发明提供了一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测方法，在满足空间分辨率的条件下，既扩大了监测范围，又保证了监测精度，弥补了以往监测技术效率低、空间分辨率低、精度低的不足。

发明内容

本发明针对常规监测手段和以往分布式光纤监测方法的不足，提供一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法，在满足空间分辨率的条件下，既扩大了监测范围，又保证了监测精度，弥补了以往监测技术效率低、空间分辨率低、精度低的不足。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置，包括：

准分布式沉降监测站点，所述准分布式沉降监测站点在监测区域内间隔布置，在每个所述准分布式沉降监测站点上布置定点锚固支架；

分布式光纤定点传感线路，所述分布式光纤定点传感线路包括分布式光纤进线部分和分布式光纤回线部分，所述分布式光纤进线部分和所述分布式光纤回线部分的分布式光纤均固定在所述定点锚固支架上；所述分布式光纤进线部分呈锯齿状布置，且，位于相邻两个所述定点锚固支架之间的所述分布式光纤进线部分的分布式光纤呈预拉伸状态；位于相邻两个所述定点锚固支架之间的所述分布式光纤回线部分的分布式光纤呈松弛状态；

PPP-BOTDA光纤数据采集仪，所述分布式光纤进线部分和所述分布式光纤回线部分的端部均与所述PPP-BOTDA光纤数据采集仪相连接；以及，

数据处理系统，所述PPP-BOTDA光纤数据采集仪与所述数据处理系统相连接。

进一步地，所述分布式光纤进线部分的分布式光纤通过固定夹具固定连接在所述定点锚固支架上，偶数号所述准分布式沉降监测站点上的所述固定夹具的高度与奇数号所述准分布式沉降监测站点上的所述固定夹具的高度相差10cm，使得所述分布式光纤进线部分呈锯齿状布置。

其中，所述固定夹具包括：

U型夹具本体，所述U型夹具本体包括两个夹持段和一个光纤粘贴段，两个所述夹持段分别位于所述光纤粘贴段的两侧；两个所述夹持段夹持在所述定点锚固支架的两侧；所述分布式光纤进线部分的分布式光纤粘贴在所述光纤粘贴段上；

固定螺丝，所述固定螺丝连接在其中一个所述夹持段上，用于将所述U型夹具本体固定在所述定点锚固支架上；以及，

圆弧过渡段，所述圆弧过渡段设置在所述光纤粘贴段的两侧，用于防止所述分布式光纤进线部分的分布式光纤产生弯折。

进一步地，所述准分布式沉降监测站点在监测区域内沿直线每间隔1m布置一个。

本发明所采用的另一技术方案是：上述基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤a，站点布置：将一系列定点锚固支架布置在监测区域内，形成准分布式沉降监测站点；

步骤b，光纤粘贴：将分布式光纤与各个定点锚固支架相连，分别布置分布式光纤定点传感线路的分布式光纤进线部分和分布式光纤回线部分；

步骤c，应变监测：采用PPP-BOTDA光纤数据采集仪实时监测分布式光纤定点传感线路上的应变变化情况，计算地表沉降。

进一步地，步骤a中，所述的定点锚固支架的布置方法包括：

步骤a1，在监测区域内，沿直线每隔1m选定为测点位置；

步骤a2，在选定好的测点位置上，将各个定点锚固支架的末端植入地面以下，形成准分布式沉降监测站点。

进一步地，步骤a2中，各个所述定点锚固支架的植入深度为30cm-40cm，地表出露长度为30cm-40cm。

进一步地，步骤b中，所述的分布式光纤定点传感线路的布置方法为：

步骤b1，在各个定点锚固支架分别安装固定夹具，各个固定夹具保持在统一水平高度；

步骤b2，将分布式光纤进线部分的分布式光纤定点地粘贴在固定夹具上，保持粘贴过程中分布式光纤进线部分的分布式光纤处于预拉伸状态；

步骤b3，调整固定夹具的高度，使得偶数号准分布式沉降监测站点上的固定夹具的高度与奇数号准分布式沉降监测站点上的固定夹具的高度相差10cm，使得分布式光纤进线部分呈锯齿状布置；

步骤b4，将分布式光纤回线部分的分布式光纤直接粘贴在定点锚固支架上，保持分布式光纤回线部分的分布式光纤处于松弛状态。

进一步地，步骤c中，所述的地表沉降的计算方法为：

步骤c1，根据几何原理，任意一号准分布式沉降监测站点相对于前一号准分布式沉降监测站点的沉降ΔH_i,(i-1)为：

式中，H_i为锯齿状布置的分布式光纤进线部分的初始锯齿高度；L为准分布式沉降监测站点的水平间距；设位于任意一号准分布式沉降监测站点与前一号准分布式沉降监测站点之间的分布式光纤为第i跨光纤，ε_i为第i跨光纤的应变变化；

步骤c2，假定各个准分布式沉降监测站点只发生竖直方向的沉降位移，各个准分布式沉降监测站点相对于第0号准分布式沉降监测站点的沉降按照公式(2)计算得到：

式中，ΔH_N,0为第N号准分布式沉降监测站点相对于第0号准分布式沉降监测站点的沉降。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法，可以准确地监测地表由于各种原因导致的地表沉降。这种方法的第一个优点是可以实现准分布式沉降监测，空间分辨率可以达到1m，优于传统监测方法；第二个优点是实现高精度测量，相邻监测站点之间的相对沉降精度可达0.1mm；第三个优点是利用分布式光纤传感技术的特性，实现远距离、高效率的实时监测，降低监测成本；第四个优点是利用了光纤和光信号安全可靠、抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀等特点，适用于长期监测。

附图说明

图1：本发明中的分布式光纤定点布置示意图；

图2：本发明的固定夹具结构示意图；

附图标注：1、定点锚固支架，2、固定夹具，2-1、固定螺丝，2-2、光纤粘贴段，2-3、圆弧过渡段，3、分布式光纤进线部分，4、分布式光纤回线部分，5、PPP-BOTDA光纤数据采集仪。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明监测装置由定点锚固支架1、固定夹具2、分布式光纤、布里渊光时域分析技术(PPP-BOTDA光纤数据采集仪5)、数据处理系统构成。通过注胶方式将分布式光纤与固定夹具2相连，将固定夹具2安装在定点锚固支架1上，通过改变固定夹具2的水平高度，形成锯齿状布置的分布式定点传感光缆。通过监测相邻定点锚固支架1之间光纤应变变化，实现对相邻定点锚固支架1的相对沉降监测，从而可以获得各定点支架的沉降信息。

如图1和图2所示，一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置，包括准分布式沉降监测站点，分布式光纤定点传感线路，PPP-BOTDA光纤数据采集仪5和数据处理系统。

所述准分布式沉降监测站点在监测区域内每间隔1m布置一个，在每个所述准分布式沉降监测站点上布置定点锚固支架1。

所述分布式光纤定点传感线路包括分布式光纤进线部分3和分布式光纤回线部分4，所述分布式光纤进线部分3的分布式光纤通过固定夹具2固定连接在所述定点锚固支架1上，偶数号所述准分布式沉降监测站点上的所述固定夹具2的高度比奇数号所述准分布式沉降监测站点上的所述固定夹具2的高度低10cm，使得所述分布式光纤进线部分3呈锯齿状布置。其中，所述固定夹具2包括U型夹具本体，固定螺丝2-1和圆弧过渡段2-3，所述U型夹具本体包括两个夹持段和一个光纤粘贴段2-2，两个所述夹持段分别位于所述光纤粘贴段2-2的两侧；两个所述夹持段夹持在所述定点锚固支架1的两侧；所述分布式光纤进线部分3的分布式光纤粘贴在所述光纤粘贴段2-2上；所述固定螺丝2-1连接在其中一个所述夹持段上，用于将所述U型夹具本体固定在所述定点锚固支架1上；所述圆弧过渡段2-3设置在所述光纤粘贴段2-2的两侧，用于防止所述分布式光纤进线部分3的分布式光纤产生弯折。所述分布式光纤回线部分4的分布式光纤直接粘贴在所述定点锚固支架1上。位于相邻两个所述定点锚固支架1之间的所述分布式光纤进线部分3的分布式光纤呈预拉伸状态；位于相邻两个所述定点锚固支架1之间的所述分布式光纤回线部分4的分布式光纤呈松弛状态。

所述分布式光纤进线部分3和所述分布式光纤回线部分4的端部均与所述PPP-BOTDA光纤数据采集仪5相连接。

所述PPP-BOTDA光纤数据采集仪5与所述数据处理系统相连接。

采用上述基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置进行监测，包括以下步骤：

步骤a，在监测区域内，沿直线每隔1m选定为测点位置，在选定好的测点位置上，将一系列定点锚固支架1布置在监测区域内，末端植入地面以下，植入深度为50cm，并进行锚固，顶端出露地表长度30-40cm，形成准分布式沉降监测站点。

步骤b，将固定夹具2安装在各个定点锚固支架1上，将固定夹具2保持在统一水平高度；固定夹具2通过固定螺丝2-1与定点锚固支架1相连；固定夹具2由光纤粘贴段2-2和圆弧过渡段2-3构成；如图2所示。

步骤c，将分布式光纤进线部分3的分布式光纤用环氧树脂胶水定点地粘贴在固定夹具2的光纤粘贴段2-2上，保持粘贴过程中分布式光纤进线部分3的分布式光纤处于一定的预拉伸状态。

步骤d，调整固定夹具2的高度，把偶数号(第二、四、六、……号)准分布式沉降监测站点上的固定夹具2的高度降低10cm，使得偶数号准分布式沉降监测站点上的固定夹具2的高度与奇数号准分布式沉降监测站点上的固定夹具2的高度相差10cm，使得分布式光纤定点传感线路的进线部分呈锯齿状布置，锯齿高度即为10cm；如图1所示。

步骤e，将分布式光纤回线部分4的分布式光纤直接粘贴在定点锚固支架1上，保持分布式光纤回线部分4的分布式光纤处于松弛状态；如图1所示。

步骤f，将分布式光纤进线部分3和分布式光纤回线部分4连接至PPP-BOTDA光纤数据采集仪5，进行光纤应变信号采集，实时监测分布式光纤定点传感线路上的应变变化情况。

步骤g，计算地表沉降：

根据几何原理，任意一号准分布式沉降监测站点相对于前一号准分布式沉降监测站点的沉降ΔH_i,(i-1)为：

式中，H_i为锯齿状布置的分布式光纤定点传感线路的初始锯齿高度；L为准分布式沉降监测站点的水平间距；设位于任意一号准分布式沉降监测站点与前一号准分布式沉降监测站点之间的光纤为第i跨光纤，ε_i为第i跨光纤的应变变化；

假定各个准分布式沉降监测站点只发生竖直方向的沉降位移，各个准分布式沉降监测站点相对于第0号准分布式沉降监测站点的沉降按照公式(2)计算得到：

式中，ΔH_N,0为第N号准分布式沉降监测站点相对于第0号准分布式沉降监测站点的沉降。

本发明的一种基于光纤传感技术的地表沉降准分布式监测装置及方法的原理如下：当地表发生沉降时，带动准分布式沉降监测站点的定点锚固支架1产生沉降，通过测试锯齿状布置的分布式光纤进线部分3以及松弛布置的分布式光纤回线部分4应变变化值，得到相邻准分布式沉降监测站点之间光纤的拉伸或收缩长度，采用数据处理系统实现数据的及时分析和准分布式测点地表沉降计算。

本发明具有准分布式、精度高、测量范围大的特点，适用于由于地下工程施工、能源开采、地下水抽取、地基固结等导致的地表有害沉降监测。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。