岩溶地区塌陷监测

1、岩溶地区塌陷监测解决方案上海光子光电传感设备有限公司岩溶地区塌陷监测1. 背景概述岩溶塌陷的监测和预测预报问题一直是工程上的难点问题，主要原因在于岩溶塌陷以及由此而产生的土体变形所具有的突发性、隐蔽性和不确定性等特点。基于布里渊光时域分析测量（BOTDA）的分布式光纤传感技术是目前国际上最前沿的新型传感技术，它不但具有一般光纤传感技术的抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性强以及频带宽、灵敏度高、易于实现远程监测等优点，而且具有独特的分布式传感的特点。光纤（缆）既是传感介质，又是光信号传输的通道。它应用光纤几何上的一维特性，把被测参量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布

2、的外部物理参量进行连续的测量，同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。最新研发的新型传感光缆不但克服常用通讯光纤易损伤、铺设损耗大的问题，而且具有体积小、重量轻、几何形状适应性强等优点。因此，基于BOTDA的分布式光纤传感技术经过近几年的发展，已经得到工程传感及监测领域的普遍认可和广泛应用。2. 地下岩溶模拟实验试验举例为了研究岩溶塌陷过程中，埋设于土层中的传感光纤的响应及光纤的应变分布规律，同时为了解决特定地质条件下适用传感光纤的比对和选型的问题，设计了本试验方案。试验采用长2m，高1m，宽2m的试验箱，试验箱底部设有4片可开闭式挡板，用于模拟岩溶塌陷；为了模拟土层由于大气降雨

3、入渗而引起的潜蚀及土体变形情况，在试验箱的顶部设置了大气降雨模拟喷淋装置；另外，试验箱的侧面板为透明有机玻璃，便于观察土层及其变化情况，其中一侧的侧板可以拆除，用于土体变形后，土体变形量的观察和测量。试验装置如图1所示。图1 试验装置示意图根据该地区岩溶塌陷的特点以及工作区的工程地质条件，设计了两组试验，分别采用不同的土层结构：A组自上而下分别为粉砂、粘土和粉砂，厚度依次为0.1m、0.6 m和0.2m；B组自上而下分别为粉砂和粘土，厚度分别是0.1m和0.8m。试验采用4种光缆，并按网状分别布设在距离底板为0.2m和0.4m两个层位上。在平面上，要求传感光纤依次经过可开闭式挡板所对应的位置。

4、同时，作为对比，在相应位置安装了4只大量程百分表，用以监测0.2m层位和0.4m层位土体的沉降变形情况。光缆布设的平面图如图2所示。dca b砂土粘土土图2 传感光缆布设平面图当箱内土体填筑完毕后，拉动底板，使底部土体局部临空，模拟岩溶的产生，同时监测传感光缆的应变分布及变化情况。为了进一步模拟土体塌陷及土洞的形成，采用喷淋装置对试验箱土体进行饱和、渗透，使其发生较大的变形，同时监测土体变形过程中，传感光缆的应变分布及变化情况。为了了解试验过程中土体内部的变形，在相应位置分别安装了4组沉降观测标，并采用大量程百分表测量土体内部的变形情况，如图3所示。沉降观测标图3 填土及沉降标安装土体全部填筑

5、完成之后，抽掉试验箱底部的a号挡板和d号挡板，使砂层和粘土层底部局部临空，模拟岩溶的产生，待土体变形稳定后测量传感光缆的应变分布和变化情况，同时读取沉降标的变化。但由于土体变形缓慢，光纤应变和沉降标的示数几乎无明显变化。为加速土体变形，采用喷淋装置对试验箱土体进行饱和、渗透，如图4所示。经过数小时的浸泡和渗透，位于d号挡板上方的土体发生塌陷；a号挡板上方的土体发生轻微变形，我们对塌陷发生前后光纤的应变分布进行了测量。应变测量结果如图5所示。图4 试验箱土体浸水渗透如图5所示，传感光纤大致可以分为060m，6090m，90m150m三个区域，分布对应于4种传感光缆。B、D、E三个区域对应于第一层

6、监测面的传感光缆，A、C、F则对应于第二层传感光纤。FEDCBA 传感光纤长度 /m 布里渊频移 /MHz土体塌陷后光纤应变分布土体塌陷前光纤应变分布图5 土体塌陷前后光纤应变分布3. 小结利用DSTS作为核心设备，根据传感光缆应变分布的变化能够实现对岩溶地区可能发生的塌陷进行监测，基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术（DSTS）是未来分布式光纤传感系统的发展方向。突出的性能指标具体表现为：l 超长的可监测距离，达到100公里l 高温度及应变分辨率，温度达0.005，应变达0.1l 测量时间短，最低1秒即可完成整个回路的测量l 便于对待监测的区域进行集中管理我公司基于该技术已经完成了深圳地质地下岩溶监