一种基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统

1.本发明属于边坡工程领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统。


背景技术：

2.在我国许多地区进行基础工程建设时，大量采用边坡结构，尤其针对西部高海拔的山地地区，边坡结构十分常见。由于边坡结构投资巨大，又是整体工程中最容易出现破坏的区域之一，因此，边坡灾害的实时精准预警以及精准支护就显得尤为必要。
3.分布式光纤传感技术是(das)一种利用通信光缆作为敏感单元，可实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术，相较于传统的应变片、传感器等点式监测方式，分布式光纤传感技术具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本、抗电磁干扰能力强、电镀绝缘性好、全覆盖监测等优势，目前，已经应用与周界安防、铁路运输、油气资源勘探、结构健康监测等多个领域，尤其在油井和管道泄露领域，已经开展深入研究，分布式光纤传感技术(das)展现出良好的应用前景，但针对分布式光纤传感技术(das)在边坡工程上应用，目前仍缺乏相关试验性研究，针对das在边坡灾害的监测和预警方面，以及das分布式光纤在边坡的布设方式还缺乏相关试验平台。
4.现有技术中，在试验模型中监测手段主要采用的是应变片和传感器测量应变、位移、含水率等数据，但是应变片和传感器为点式布置，只能采取重点部位重点布设方式，无法实现沿线数据的全天候、全域测量，数据的数量和质量均存在一定的问题，较难得出数据的变化特征，从而导致无法精准识别边坡的破坏模式和规律，影响对边坡薄弱段进行精准预测，进而无法对边坡灾害进行预警。
5.同时由于传感器造价昂贵，在实际边坡工程中，无法实现大批量密集布设，导致对于破坏位置的判别精度不够，应变片虽然成本低廉，但是测量数据精度不够，灵敏度、抗电磁干扰能力较差。亟需一种新型的高灵敏度、全天候、大容量、低成本的监测手段。


技术实现要素：

6.为解决现有试验装置存在的不足，本发明的目的在于，针对边坡工程，引入了分布式光纤传感技术(das)进行监测，具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本、全覆盖监测等优势，为边坡灾害提供一种新型的数据监测预警手段，便于获得更准确、更全面、更丰富、更及时的边坡特征数据，可以第一时间对边坡进行健康检测，同时根据已有数据对未来灾害进行精准预测，从而进行靶向加固。此外，全覆盖检测对于研究边坡破坏模式和机制的研究有重要意义。
7.因此，本发明提供了如下方案：基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，包括：
8.模型箱、边坡模型、高清摄像机、分布式光纤监测系统、数据采集系统、数据分析系统；
9.其中，所述数据采集系统、数据分析系统设置在模型箱的侧边，所述模型箱外部架设高速摄像机，所述高速摄像机正对边坡模型的坡体正面，用于观测坡体的裂缝发展状况，与光纤的测量数据进行比对，佐证边坡薄弱区域；
10.所述数据采集系统用于采集光纤的测量数据；
11.所述数据分析系统用于对光纤的测量数据进行分析，获得分析结果，根据分析结果对边坡的薄弱部位进行预警。
12.优选地，所述模型箱为矩形箱体，包括底板、顶板和周围四面板，其中，所述底板和顶板为钢板，周围四面板为钢化玻璃；板件之间采用螺栓连接，接缝处进行密封。
13.优选地，所述边坡模型按照缩尺比例，采用相似材料砌筑获得，其中，所述相似材料根据实际工况，确定岩性参数，据岩性的物理力学性质和泊松比，以及相似准则，确定相似材料。
14.优选地，所述分布式光纤监测系统包括普通光纤、铠装光纤；
15.所述普通光纤设置于边坡表面，所述铠装光纤在边坡内部竖向布置且与所述普通光纤在坡面进行连接。
16.优选地，所述普通光纤沿坡面呈对角“x”型布设，用于测量边坡表面的应变数据、应力数据和水分数据；
17.所述铠装光纤包括五处竖向布置的铠装光纤，其中，呈对角“x”型布设的两根普通光纤汇交于一点，将两根普通光纤四等分，选择四段光纤的中点以及汇交点共计五个点作为所述铠装光纤布设的坡面对应点；在五个位置点先向下进行竖向钻孔，根据实际情况确定开挖深度，将铠装光纤布设在开挖好的钻孔里。
18.优选地，所述铠装光纤内部包含多股分支光纤，用于测量应变指标、地震波指标、温度、应力指标和水分指标。
19.优选地，所述数据采集系统包括光开关和相位光时域反射仪；
20.所述光开关用于控制所述相位光时域反射仪的开启与关闭；
21.所述相位光时域反射仪分别与铠装光纤、普通光纤连接，用于将所述铠装光纤、普通光纤采集的光信号进行相位解调，获得定量化的测量波形数据。
22.优选地，所述数据分析系统包括计算机和数据分析处理服务器；
23.所述计算机用于将定量化的测量波形数据进行初步分析和整理，获得初始波形数据并将所述初始波形数据传输至所述数据分析处理服务器；
24.所述数据分析处理服务器与所述计算机连接，用于接收所述初始波形数据并对所述初始波形数据进行数据分析，获得分析结果，根据分析结果对边坡的薄弱部位进行预警。
25.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
26.本发明将das这一新技术应用于边坡领域，主要在光纤的布设方式进行设计，为边坡灾害提供一种新型的监测预警手段，实现全域性、全天候、大容量、低成本、高灵敏度、全覆盖检测，实时可以对边坡进行健康检测，同时根据已有数据对灾害进行精准预测，从而进行靶向加固。此外，全覆盖检测对于研究边坡的破坏模式和机制有重要意义。对于边坡体破坏模式的探讨以及规律总结、评估相关地质条件下的边坡工程的可靠性，具有重要意义。
附图说明
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例布设分布式光纤的边坡模型装置整体图；
29.图2为本发明实施例布设分布式光纤的边坡模型装置的第一侧视图；
30.图3为本发明实施例布设分布式光纤的边坡模型装置的第二侧视图；
31.图4为本发明实施例的边坡模型侧视图；
32.图5为本发明实施例的铠装光缆布设图；
33.图6为本发明实施例的边坡灾害监测预警方法流程图。
34.其中，1-模型箱，2—钢化玻璃，3—高清摄像机，4-普通光纤，5-铠装光纤，6-光开关，7-相位光时域反射仪(φ-otdr)，8-计算机，9-数据分析处理服务器。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
36.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
37.如图1所示，本发明所提供的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，包括，边坡模型、分布式光纤监测系统、数据采集系统、数据分析系统。首先根据现场情况进行缩尺边坡模型制作；本发明的分布式光纤监测系统由边坡表面的“x”型普通光纤4以及边坡内部的竖向铠装光纤5共同组成，通过使用光纤代替传统的传感器和应变片，以及改变光纤的布设形式，组成新的无源监测系统，具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本等一系列优势，数据采集系统、数据分析系统设置在模型箱的侧边。
38.如图6所示，具体包括以下步骤：
39.步骤一：选择具体边坡实例，确定岩性各项参数；
40.步骤二：根据岩性的物理力学性质和泊松比，根据相似准则，确定相似材料配比；
41.步骤三：根据设计，预留竖向光纤布设孔洞，同时，砌筑边坡模型；
42.步骤四：在边坡表面布设“x”型普通光纤4，在竖向孔洞内布设铠装光纤5，将光纤与相位光时域反射仪(φ-otdr)7连接。
43.步骤五：连接整个系统，保持正常运转；
44.步骤六：对边坡模型施加实际工况，监测数据；
45.步骤七：分析数据，对边坡的薄弱部位进行预警，观察边坡表面的裂纹，结合数据，对边坡的破坏模式和机理进行总结，为后续精准支护和靶向加固提供数据和理论支撑。
46.本发明通过开展分布式光纤传感技术(das)在边坡工程上应用研究，针对das分布式光纤在边坡的布设方式以及不同光纤的应用，为边坡灾害的监测和预警提供一种新的监测手段和试验平台。
47.进一步地，本实施例的边坡灾害监测预警系统还包括模型箱1，模型箱为矩形箱体，模型箱体由底板、顶板和周围四面板构成，底板和顶板为钢板，周围四面的板为钢化玻
璃2，使得试验现象可观察；板件之间采用螺栓连接，接缝处进行密封。
48.进一步地，边坡模型采用相似材料砌筑而成，根据实际工况，选用适合的相似材料，按照缩尺比例制作边坡模型。
49.进一步地，分布式光纤监测系统主要包含边坡表面的普通光纤4和在边坡内部竖向布置的铠装光纤5。坡面的分布式普通光纤4沿着坡面呈对角“x”型布设，用来测量边坡表面的应变、应力、水分等数据，边坡内部的测量光纤主要由五处竖向布置的铠装光纤5组成，原有的坡面布置的两根光纤汇交于一点，将两根光纤四等分，选择四段光纤的中点以及汇交点共计五个点作为内部光纤布设的坡面对应点。在五个位置点先向下进行竖向钻孔，开挖深度可根据实际情况，实现光纤布设效益的最大化。将铠装光纤布设在开挖好的钻孔里，铠装光纤5内部包含多股分支光纤，用以测量应变、地震波、温度、应力、水分等指标。
50.进一步地，数据采集系统包括光开关和相位光时域反射仪7；
51.数据分析系统包括计算机8和数据分析处理服务器9；
52.光开关用于控制所述相位光时域反射仪7的开启与关闭；
53.铠装光纤5在坡面进行连接，铠装光纤5与坡面原有的”x”型普通光纤4分别与相位光时域反射仪(φ-otdr)7连接。相位光时域反射仪(φ-otdr)7先将光纤收集的光信号进行相位解调，得出定量化的测量波形，再与计算机8连接，进行数据的分析和整理。获得初始波形数据并将所述初始波形数据传输至所述数据分析处理服务器9；
54.数据分析处理服务器9与计算机8连接，通过接收所述初始波形数据并对所述初始波形数据进行数据分析，获得分析结果，根据分析结果对边坡的薄弱部位进行预警。
55.同时，模型箱外部架设高速摄像机3；高速摄像机3正对坡体正面，观测坡体的裂缝发展状况，与光纤的测量数据进行比对，佐证边坡薄弱区域。
56.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，包括：模型箱、边坡模型、高清摄像机、分布式光纤监测系统、数据采集系统、数据分析系统；其中，所述数据采集系统、数据分析系统设置在模型箱的侧边，所述模型箱外部架设高速摄像机，所述高速摄像机正对边坡模型的坡体正面，用于观测坡体的裂缝发展状况，与光纤的测量数据进行比对，佐证边坡薄弱区域；所述数据采集系统用于采集光纤的测量数据；所述数据分析系统用于对光纤的测量数据进行分析，获得分析结果，根据分析结果对边坡的薄弱部位进行预警。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述模型箱为矩形箱体，包括底板、顶板和周围四面板，其中，所述底板和顶板为钢板，周围四面板为钢化玻璃；板件之间采用螺栓连接，接缝处进行密封。3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述边坡模型按照缩尺比例，采用相似材料砌筑获得，其中，所述相似材料根据实际工况，确定岩性参数，据岩性的物理力学性质和泊松比，以及相似准则，确定相似材料。4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述分布式光纤监测系统包括普通光纤、铠装光纤；所述普通光纤设置于边坡表面，所述铠装光纤在边坡内部竖向布置且与所述普通光纤在坡面进行连接。5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述普通光纤沿坡面呈对角“x”型布设，用于测量边坡表面的应变数据、应力数据和水分数据；所述铠装光纤包括五处竖向布置的铠装光纤，其中，呈对角“x”型布设的两根普通光纤汇交于一点，将两根普通光纤四等分，选择四段光纤的中点以及汇交点共计五个点作为所述铠装光纤布设的坡面对应点；在五个位置点先向下进行竖向钻孔，根据实际情况确定开挖深度，将铠装光纤布设在开挖好的钻孔里。6.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述铠装光纤内部包含多股分支光纤，用于测量应变指标、地震波指标、温度、应力指标和水分指标。7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述数据采集系统包括光开关和相位光时域反射仪；所述光开关用于控制所述相位光时域反射仪的开启与关闭；所述相位光时域反射仪分别与铠装光纤、普通光纤连接，用于将所述铠装光纤、普通光纤采集的光信号进行相位解调，获得定量化的测量波形数据。
8.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，其特征在于，所述数据分析系统包括计算机和数据分析处理服务器；所述计算机用于将定量化的测量波形数据进行初步分析和整理，获得初始波形数据并将所述初始波形数据传输至所述数据分析处理服务器；所述数据分析处理服务器与所述计算机连接，用于接收所述初始波形数据并对所述初始波形数据进行数据分析，获得分析结果，根据分析结果对边坡的薄弱部位进行预警。

技术总结
本发明公开了一种基于分布式光纤传感技术的边坡灾害监测预警系统，包括，模型箱、边坡模型、高清摄像机、分布式光纤监测系统、数据采集系统、数据分析系统；其中，数据采集系统、数据分析系统设置在模型箱的侧边，模型箱外部架设高速摄像机，高速摄像机正对边坡模型的坡体正面，用于观测坡体的裂缝发展状况，与光纤的测量数据进行比对，佐证边坡薄弱区域；数据采集系统用于采集光纤的测量数据；数据分析系统用于对光纤的测量数据进行分析，获得分析结果，根据分析结果对边坡的薄弱部位进行预警。本发明具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本、全覆盖监测等优势，为边坡灾害提供一种新型的数据监测预警手段。新型的数据监测预警手段。新型的数据监测预警手段。


技术研发人员：宋丹青 刘晓丽 路润虎 张建伟 王恩志 史万鹏 谢维强 马庆 任大瑞 胡楠 姚文理 钱瑞鹏
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/11