地质钻孔光纤多参量监测实施技术规范

1地质钻孔光纤多参量监测实施技术规范1范围本文件规定了地质钻孔光纤多参量监测的监测对象与内容、监测设备、监测前期准备、监测方法与要求、数据采集与处理的相关要求。本文件适用于基于光纤监测技术的地质钻孔长度范围内变形场、温度场及水分场等的全断面精细化监测。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。传感光缆sensingcable一根或者多根光纤经特定方式封装,可以传输和测量应变、温度和水分等物理参量信息的光缆的统称。3.2分布式光纤监测distributedfiberopticsensing在被测结构物或岩土体中植入传感光缆,实现被测对象的一维或多维空间连续的多物理量监测的技术方法。3.3解调设备demodulationequipment用于向光纤传感器发送不同频率、不同波长的光源,同时接收光纤传感器反射或者折射传回的不同频率、不同波长的光,并进行相关数据的解调及记录存储的专用设备。3.4光纤引线fiberopticlead用于连接传感光缆,引入到测试设备的光纤线缆。3.5光栅传感器gratingsensor基于光纤布拉格光栅（FiberBraggGratting,FBG）传感原理的光纤传感器,可用于监测形变、温度、压力及加速度等物理参量。3.6定点分布式变形传感光缆Fixed-pointdistributedsensingcable人为设置固定点的传感光缆,使得光缆能够感知两个相邻固定点间的位移变形。3.7光纤多参量监测opticalfibermulti-parametermonitoringimplementation布设分布式传感光缆、光栅传感器,通过光纤解调设备获取监测对象的变形、温度、压力及加速度等2物理参量3.8定点应变隔离度fixed-pointstrainisolation定点分布式变形传感光缆的性能指标指相邻两定点段中一端受力后隔离段与拉伸段应变变化量的差值相对拉伸段的应变隔离百分比详见附录A4总则4.1基本任务在地质调查区域土地开发利用区域及地质灾害发生区域建立钻孔光纤多参量监测站通过自动化数据采集和定期数据采集的方式收集数据分析钻孔长度范围内岩土体的应变温度地下水位含水率等信息为地质灾害防治预警和土地开发利用区域等提供基础监测数据4.2工作流程在收集工程地质资料的基础上确定监测孔位监测内容及数据采集方式开展地质钻孔多参量监测分析监测数据编制监测成果报告具体工作流程如图1所示图1地质钻孔光纤多参量监测工作流程图4.3基本原则4.3.1光纤钻孔多参量监测工作是在详细地质调查基础上进行4.3.2根据实际需求本文件适用于光纤单参量监测或者多参量同步监测4.3.3光纤钻孔多参量监测技术同时适用于地质钻孔多参量变化的长期及短期监测35监测对象与监测内容5.1监测对象光纤多参量监测对象应是地质调查区域、土地开发利用区域及地质灾害发生区域等的地质钻孔全断面岩土体。5.2监测内容地质钻孔光纤多参量监测内容主要包括：a）变形场：地层整体及分层变形量；b）温度场：地层温度分布；c）水分场：地层体积含水率分布，地下水的埋藏分布（包括潜水位和承压水头）。6监测设备6.1传感器和传感光缆6.1.1地质钻孔光纤多参量监测应根据监测要求、监测参量、钻孔深度、现场环境等因素，选择合适的传感光缆和监测仪器。6.1.2地质钻孔变形场监测中使用的光纤光栅长标距位移计和分布式变形传感光缆性能，应符合表1和表2的要求。表1地质钻孔变形场监测用光纤光栅长标距位移计性能要求参数类型参数要求量程/mm最大变形量的1.5倍2倍相对分辨力/%F.S.三0.1非线性度/%F.S.三1.0温度范围/节80标距/mm100010000耐水压/Mpa>0.5表2地质钻孔变形场监测用分布式变形传感光缆性能要求参数类型参数要求光缆结构定点封装量程/mm>50mm/5m测试精度/mm三0.05mm/5m温度范围/节80抗拉拔力/KN>2000弹性模量/Gpa三10定点隔离度/%>9846.1.3地质钻孔温度场监测中使用的光纤光栅温度计和分布式温度传感光缆性能应符合表3和表4的要求。表3地质钻孔温度场监测用光纤光栅温度计性能要求参数类型参数要求常规温度计增敏型温度计测试范围/节80540测试精度/节三0.1三0.01耐水压/Mpa>1.0>1.0表4地质钻孔温度场监测用分布式温度传感光缆性能要求参数类型参数要求测试范围/节80测试精度/节三0.2抗拉拔力/KN>20006.1.4地质钻孔水分场监测中使用的光纤光栅渗压计、光纤光栅含水率计及分布式含水率传感光缆性能应符合表5、表6和表7的要求。表5地质钻孔水分场监测用光纤光栅渗压计性能要求参数类型参数要求量程/Mpa最大水压的1.5倍2倍相对分辨力/%F.S.三0.1非线性度/%F.S.三1.0温度范围/节80表6地质钻孔水分场监测用光纤光栅含水率计性能要求参数类型参数要求长度/mm2001000温度特征值/节>5含水率测试精度/%<2加热功率/（w/m）>85表7地质钻孔水分场监测用分布式含水率传感光缆性能要求参数类型参数要求测试距离/m>200最大测点数量/个>100温度特征值/节>5含水率测试精度/%<2加热功率/（w/m）>86.2解调设备6.2.1地质钻孔光纤多参量监测技术应根据布设的传感器及传感光缆类型,选择合适的光纤解调设备。6.2.2地质钻孔监测中使用的分布式光纤解调设备、光纤光栅类解调设备性能指标,应符合表8、表9和表10的要求。表8地质钻孔分布式光纤应变解调设备性能要求参数类型参数要求应变测试范围/με>士15000应变测试精度/με士30应变测试重复性/με三士20环境适应范围/节—10~50表9地质钻孔分布式温度解调设备性能要求参数类型参数要求温度测试范围/节—40~120温度测试精度/节士0.3温度分辨率/节0.1响应时间/s>2/通道表10地质钻孔光栅解调设备性能要求参数类型参数要求波长分辨率/pm三1波长重复性/pm三3动态范围/db>20环境适应范围/节—10~5067监测工作前期准备地质钻孔光纤多参量监测工作之前，应进行下列工作：a）了解监测区域地质环境条件；b）明确监测的目的、任务和要求；c）进行场地踏勘，评估光纤监测方案实施的可行性；d）调查和收集监测区的人类活动情况，如地下水开采、地下矿油气开采情况等；e）编制监测方案，内容应包括：监测区工程概况，监测目的与要求，地质条件，传感光缆及监测设备选型，布设方案，施工方案，测试方案，质量控制、安全和环保措施等。8监测方法与要求通过垂直钻孔中植入不同监测参量的光纤传感器，获取相对应的监测参量，一般步骤如下：a）钻孔中植入定点应变传感光缆、温度传感光缆、分布式含水率传感光缆；b）根据需要，在钻孔内布设光纤光栅渗压计、光纤光栅温度计、光纤光栅位移计和光纤光栅含水率计；c）钻孔中回填糯合材料进行封孔；d）采用光纤解调设备采集传感光缆的多参量分布信息，获得相应地层的变形量、地层温度分布、地层体积含水率分布及地下水的埋藏分布（包括潜水位和承压水头）等。8.1一般要求8.1.1监测方法应根据监测对象、监测内容、场地条件、数据要求等因素综合确定。8.1.2监测仪器、传感器应满足场地的监测精度和量程要求，经过校准或标定合格，具备良好的稳定性和可靠性。8.1.3钻孔深度小于200m时，传感光缆及传感器可通过配重导头下放；钻孔深度大于或等于200m时，宜通过钻杆下放。8.1.4钻进过程中应选用合理的泥浆体系，避免松散层坪塌、超径，确保孔壁完整。8.1.5监测孔成孔结束后，应进行清孔工作，孔内泥浆比重低于1.05，含砂量少于3%，方便后期滤料8.1.6滤料回填时，采用人工缓慢回填，确保滤料回填到位，避免中途架桥。待孔内回填滤料稳定一个月或一个雨季后，投入使用。8.1.7传感光缆及传感器下放完成后，应采用光纤专用激光笔进行光路完整性的初步测试，然后采用解调仪测试传感光缆及传感器的通光完整性，当发现测试数据异常、光纤测试信号信噪比较低时，应查找原因，按照由近及远的原则，顺序查找光纤接头处，线路转弯处等情况，采取补救措施。8.2变形场监测8.2.1钻孔深度20m以浅宜采用光纤光栅长标距位移计，20m以深宜采用分布式变形传感光缆。8.2.2钻孔直径不宜小于110mm，钻孔深度小于100m时，其顶角偏斜不宜超过1。，钻孔深度大于100m时，每百米顶角偏斜的递增数不宜超过1.5。。8.2.3光纤光栅位移计及传感光缆沿钻孔竖向布设，宜形成回路。8.2.4光纤光栅位移计及传感光缆应进行预应力拉伸，位移计预拉量不宜小于满量程的80%，传感光缆预拉量不宜小于8000με。78.2.5光纤光栅位移计及传感光缆，在土层（貓土层到中细砂层）中植入布设，采用孔底直接压入土体不小于30mm的方式进行布设；在完整岩石层中布设，需先清水洗孔后对封存段或全孔进行水泥固结，以保持同围岩固结成为一体；在岩土混合层（致密粗砂到强风化层）中布设，需采用相近粒径填料支撑固定预埋传感光缆件，并需持续一定时期紧实后再进行观察监测。8.2.6传感光缆及传感器下放至钻孔底部后，宜上提1m2m，为了保证传感光缆及传感器在孔内的垂直性。8.2.7将光纤光栅位移计及传感光缆下放完成后，应进行钻孔回填，钻孔深度大于100m，可回填粒径5mm10mm的砾石；20m100m部分可回填粒径2mm5mm的砾石；20m以浅部分可回填含20%貓土球的砂土-貓土球混合物。8.2.8回填完成后，固定孔口光缆并使用保护装置保护光纤引线，在钻孔位置上方建设监测站。8.3温度场监测8.3.1钻孔深度20m以浅宜采用光纤光栅温度计，20m以深宜采用分布式温度传感光缆，高精度监测宜采用增敏型光纤光栅温度计。8.3.2钻孔直径、顶角偏斜要求参照8.2.2。8.3.3光纤光栅温度计及传感光缆沿钻孔竖向布设，温度传感光缆宜设计单端布设且光缆底部保持自由状态。8.3.4光纤光栅温度计及传感光缆下放完成后，进行钻孔回填，对于单独监测的地温场，可采用粒径5mm10mm的砾石回填。8.3.5孔口保护要求参照8.2.8。8.4水分场监测8.4.1地质钻孔水分场的光纤监测，主要包括体积含水率、地下水埋藏分布（包括潜水位和承压水位）。8.4.2钻孔直径、顶角偏斜要求参照8.2.2。8.4.3地下水位（包括潜水位和承压水位）的监测采用光纤光栅渗压计，通常布设于含水层。8.4.4监测浅表地层（小于5m）体积含水率宜采用光纤光栅含水率计，深部（5m以下）地层体积含水率监测宜采用分布式含水率传感光缆。8.4.5监测浅表地层（小于5m）地层体积含水率的钻孔直径不宜小于50mm，监测深部（5m以下）地层体积含水率的钻孔直径不宜小于90mm，地下水位（包括潜水位和承压水位）监测，钻孔直径不宜小于110mm。8.4.6地层体积含水率监测需对传感光缆及传感器进行供电加热，通常采用直流供电，电压为110V220V，加热功率8W/m15W/m。8.4.7传感光缆及传感器下放完成后，需进行钻孔回填，地层体积含水率监测宜采用细粒原状土回填；承压水位监测，渗压计位置宜采用中粗砂或细砾回填，并通过貓土球封堵；潜水位监测，宜采用中粗砂砾回填。8.4.8孔口保护要求参照8.2.8。9数据采集与处理9.1数据采集9.1.1地质钻孔光纤多参量监测可分为自动化数据采集和定期数据采集。自动化数据采集可根据实际需求设定监测频率；定期数据采集频率通常为1次/月，可根据实际需求调整监测频率。9.1.2正常监测之前，根据测试得到的频谱、光损和波长，确定合理的光纤解调设备测试参数，且后续8监测需保持参数一致。如遇确需更改调整参数时，做好调整记录。9.1.3传感器埋设完成后，变形、温度及水位监测应采集1h内的3次有效监测数据，取其平均值作为监测初始值，后续的监测数据是以这个初始值做差值。9.1.4含水率测试应连续采集5min~10min加热过程后的数据作为监测值。9.1.5自动化数据采集时，需要确保监测现场具备稳定的电源，并且在远离强电磁干扰的环境下进行。9.1.6定期数据采集时，定期数据采集完成后，应在现场进行监测数据质量的评价，当发现光纤测试数据异常、测试信号信噪比较低等情况时，应检查光路和解调仪测试参数的设置条件，并重新测试，确保获得有效监测数据。9.2数据处理9.2.1分布式光纤监测的数据处理应按照下列步骤进行：a）数据核对：根据现场记录表核对原始记录数据；b）数据对齐：当监测过程中光缆长度发生变化时，应将各测次数据的空间位置进行对齐；c）数据定位：在钻孔分布曲线上确定孔口和孔底特征点位置，将监测数据进行准确定位并与钻孔深度匹配；d）数据分段截取：根据定位结果截取监测目标段对应的数据；e）数据平滑：对于分布式变形数据，可利用多点平均等数学方法进行平滑处理。9.2.2基于位移计的位移计算结果，应按式（1）计算：D—KD.[（λS—λ0）—KT（λT—λT0）] 式中：D—位移计测得的轴向土体变形，单位为毫米（mmKD—传感器位移/波长系数值（mm/nmλS—测量光栅测量波长，单位为纳米（nmλ0—测量光栅初始波长，单位为纳米（nmKT—传感器温度补偿系数值（节/nmλT—温补光栅测量波长，单位为纳米（nmλT0—温补光栅初始波长，单位为纳米（nm）。9.2.3基于分布式变形感测光缆的位移计算结果，应按式（2）计算：2）ℴ 式中：—之）—埋深之1位置到之2位置间光纤测得的土体变形，单位为毫米（mm—埋深之位置光缆测得的应变，无量纲（με）。9.2.4基于温度计的地温计算结果，应按式（3）计算：T—KT.（λS—λ0）…………（3）式中：T—温度计测得的温度值，单位为摄氏度（节KT—传感器位移/波长系数值（节/nmλS—测量光栅测量波长，单位为纳米（nmλ0—测量光栅初始波长，单位为纳米（nm）。9.2.5基于渗压计的含水层水压计算结果，应按式（4）计算：P—KP.[（λS—λ0）—KT（λT—λT0）] 9……（5）—式中:P—渗压计测得的水压,单位为兆帕（MpaKp—传感器压力/波长系数值（Mpa/nmλs—测量光栅测量波长,单位为纳米（nmλ0—测量光栅初始波长,单位为纳米（nmKT—传感器温度补偿系数值（节/nmλT—温补光栅测量波长,单位为纳米（nmλT0—温补光栅初始波长,单位为纳米（nm）。9.2.6基于含水率传感光缆及传感器的地层体积含水率计算结果,应按式（5）计算:1ATt/（1—CTt