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第85期 基于分布式光纤应变传感器技术的山体滑坡在线监测预警方案 ...

2020-5-27 12:01
原作者: 52监测网 来自: 52监测网 收藏 分享 邀请

【52监测网】第85期 基于分布式光纤应变传感器技术的山体滑坡在线监测预警方案


52监测网专家报告分享-第85期

基于分布式光纤应变传感器技术的山体滑坡在线监测预警方案
缪宏  北京百世通管道科技有限公司总经理

目录

一、 光纤传感技术
二、 分布式光纤应变传感器技术
三、 分布式光纤应变传感器技术应用案例
四、 山体滑坡监测预警方案

内容简介

一、 光纤传感技术

光纤传感器技术简介

光纤传感器(Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。

它是光纤和通讯技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。

光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。


光纤是光导纤维的缩写。光纤损耗小,带宽大,传输速率高,是信息传输网络的主要介质。大量研究发现,光纤折射率随环境发生微弱变化的同时,会引起光的偏振、相位、强度以及辐射特性等的变化。据此,可以测量温度、压力、振动、应变、位移、气体浓度等物理参数。光纤具有高度灵敏、无源、本安、不受电磁干扰等越性,光纤也是制作传感器的绝佳材料。


点式光纤传感器


分布式光纤传感技术

分布式光纤温度监测技术
分布式光纤振动监测技术
分布式光纤应变监测技术


光纤传感技术的主要优点:
无源、本安、抗电磁干扰、传感光纤集信号采集与传输于一身、长距离、大范围实时在线监测、分区域设置不同阙值、监测实时温度的同时亦能监测温度升高的速率和趋势、适用于易燃、易爆、有毒、高温、高湿、辐射、强腐蚀、强电场等恶劣环境。

满足各种特殊应用环境的光纤传感器

◇市场对新型光纤传感器的需求剧增加
随着光传感技术的飞速发展和工程需求的领域的不断扩大,实际应用环境的日益复杂,对光纤传感器提出了更高的要求。

◇光纤传感器的设计理念和通信光缆的区别
普通通信光缆希望借助很多层的保护材料来减小外界环境因素对通信光纤的干扰,而光纤传感器的设计理念是采用最少的保护层,在保证光纤安全的情况下,外界的干扰对光纤的影响越敏感越好。

◇百世通对新型特种光纤传感器的研究成果
百世通科技根据工程实际需求,采用新兴的高科技材料,设计开发了诸如耐高温高压、非金属耐电腐蚀、阻燃低烟无卤、耐酸碱腐蚀、金属防鼠咬等各种类型的温度、振动、应变类光纤传感器,并取得很多专项专利。

分布式光纤传感技术的核心优势:现场传感单元无源、本安!


光纤传感技术的应用领域


二、分布式光纤应变传感器技术

分布式光纤应变监测技术原理

BOTDA采用布里渊光时域分析技术,系统连接两根远端环接的单模光纤作为分布式传感器,实现对被监测对象的应变/温度信号实时采集和分析处理。在BOTDA传感系统中,配备了一个用于测量分布式应变和温度的电光调制器。该技术基于受激布里渊散射原理(SBS),利用了光纤中的布里渊散射光频率变化量(频移量)与光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现传感。

当脉冲光在光纤的一端发出,而连续光在光纤另一端发出,泵脉冲产生后向的单模光纤布里渊增益。光纤的布里渊频移和光纤应变或温度的变化量成正比。因此,布里渊频移可以用下面的公式来表示:

v(ε,T)= v(0,0)+C1*ε+ C2*T

其中ε为应变,T为温度,C1和C2分别为应变和温度系数。


三、分布式光纤应变传感器技术应用案例

军用海光缆防锚害监测预警项目


胜利油田海底管道应变监测预警项目

由于海洋环境的特殊性,地震、地质沉降、锚钩等对海底输油管道的安全威胁时刻的存在,世界各大海洋石油公司的海上溢油事故触目惊心。胜利油田海洋采油厂为了加强海底管道泄露事故的实时在线监测,于2012年5~9月份安排胜利油建三公司配合我们(百世通)开展了海底管道的安全监测预警项目。我们在钢套钢海管的内层管道外壁敷设了应变、振动监测传感光缆后,包裹管道保温材料,组装外层钢管。

中国水科院PCCP管道复合碳纤维补强应变检测项目


南水北调大型PCCP管道复式碳纤维补强应变检测项目


南水北调大型PCCP管道预应力钢丝应变检测项目


四、 山体滑坡监测预警方案

山体滑坡的原因

1、自然因素
地理条件:坡度大于10度、小于45 度、下陡中缓上陡以及上部呈环状的山体;
土体特质:结构松软、抵抗风化破坏能力较低、在水的作用下容易发生变化的岩土;
自然灾害:地震、降雨、冰雪融化以及河流对斜坡坡脚的冲刷和浸泡;

2、人为因素
工程施工:如开挖坡脚、坡体上堆载、水路蓄泄水等;
增加振动源:修建铁路、公路、引水工程而打隧洞;
强行爆破:采石、开挖,导致坡体下部失去支撑。

山体滑坡的本质

山体滑坡的本质,是某种或多种诱的存在,导致山体表面风化层和山体稳定层之间的结合力下降,在重力的作用下向下滑落。

山体在发生滑坡前,有一个缓慢的能量积聚过程。由于表层土壤吸收暴雨或者融雪导致的土体含水率超高,会慢慢增加表层土体的重量,打破既有的平衡,降低土体和深层的摩擦力;因为地震、爆破或者大型工机械开挖的振动导致表层土石和深层山体之间的结合力下降,以及因为开山采石、修建大型工程使坡底土石方缺失而对地表层失去支撑而导致的山体滑坡,都有一个缓慢的能量累积到局部小规模滑坡再到大规模滑坡的过程。

所以,山体滑坡是可以监测并实现预警的,只是既有的点式传感器不适合做大范围的监测。

典型案例:深圳渣土堆塌方导致西气东输往香港输送天然气的管道中断前,和管道伴行的通信光缆中断,却因为负责通信的人员没有深究光缆中断的原因,错失了报警的良机。


分布式光纤应变监测系统的优势

1、分布式连续监测: 分布式光纤传感器是线性连续传感器,能够监测被测山体长度上任何一点应变变化,而传统的应变片或者光纤光栅传感器只能做单点测量。
2、现场的传感单元无源、本安:传统的电基传感器需要现场供电,施工困难,传感器在砂砾区域无法安装,只能把传感器安装在锚杆上,滑坡时锚杆跟着砂石跑了只要锚杆没有发生大的应变,传感器测不到滑坡;在结实的巨石上存在同样的问题,石头跑了,传感器却没有测到应变。
3、实时在线监测:光纤传输速率高,带宽大,可实现实时在线的数据采集,尽早发现问题,及时提供山体滑坡预警信息。
4、分布式光纤应变监测系统中的光纤传感器没有方向性,其他的点式传感器都有方向性。
5、分布式光纤应变监测系统能够及早判断山体发生应变的趋势和速率,便于及早制定和采取应急预案。

山体滑坡监测预警系统拓扑结构图

山体滑坡监测预警装置示意图

分布式应变传感光缆选型和安装要点

1、应变传感光缆的余长要根据山体滑坡监测预警项目的实际要求设计、定制;
2、应变传感光缆的选材和结构强度要适合山区环境,具备耐鼠咬、防白蚁等性能;
3、为保证应变传感光缆的灵敏度,须按照一定的间距埋设钢管桩固定光缆,光缆须带张力埋设,且保证各段光缆的张力保持基本一致;
4、光缆敷设过程中需要标注光缆和山体之间的绝对和相对位置,以利于准确显示报警区域和位置;
5、如果条件允许,监控报警主机尽量就近监测现场;报警主机须配备应急电源;
6、报警信息尽量采取有线和无线两种方式相互备份,避免山体滑坡导致通信光缆中断而不能在第一时间把预警、报警信号发送到指定接警终端。

基于分布式光纤应变传感器技术的山体滑坡在线监测预警方案
缪宏  北京百世通管道科技有限公司总经理

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