《地质钻孔光纤多参量监测实施技术规范》-报批稿

ICS07.060

CCSP13

32

江苏省地方标准

DBXX/TXXXX—XXXX

代替DBXX/T

地质钻孔光纤多参量监测实施技术规范

Technicalspecificationforopticalfibermulti-parametermonitoringimplementation

throughgeologicalborehole

（报批稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

江苏省市场监督管理局  发布

DBXX/TXXXX—XXXX

目次

前言..................................................................错误！未定义书签。

1范围.................................................................................1

2规范性引用文件.......................................................................1

3术语和定义...........................................................................1

4总则.................................................................................2

5监测对象与监测内容...................................................................3

6监测设备.............................................................................3

7监测工作前期准备.....................................................................6

8监测方法与要求.......................................................................6

9数据采集与处理.......................................................................8

附录A（资料性）.....................................................................11

I

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II

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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术语和定义、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

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T33213基于光纤传感技术的应力监测方法

GB/T33218基于光纤传感技术的设备健康监测方法

DZ/T0221崩塌、滑坡、泥石流监测规范

DZ/T0225浅层地热能勘查评价规范

DZ/T0248地质灾害排查规范

DZ/T0270地下水监测井建设规范

DZ/T0283地面沉降调查与监测规范

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

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

1

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指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

指用于连接传感光缆，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，简称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

等物理参量。

3.8

定点应变隔离度fixed-pointstrainisolation

是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A。

4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。

2

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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。

5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

3

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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1.5~2倍

相对分辨力（%F.S.）≤0.1

非线性度（%F.S.）≤1.0

温度范围（℃）-20~80

标距（mm）1000~10000

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）≤0.05mm/5m

温度范围（℃）-20~80

抗拉拔力（kN）≥2000

弹性模量（GPa）≤10

定点隔离度（%）≥98

6.1.3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

参数要求

参数类型

常规温度计增敏型温度计

测试范围（℃）-20~805~40

测试精度（℃）≤0.1≤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（℃）-20~80

测试精度（℃）≤0.2

抗拉拔力（kN）≥2000

4

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6.1.4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1.5~2倍

相对分辨力（%F.S.）≤0.1

非线性度（%F.S.）≤1.0

温度范围（℃）-20~80

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（mm）200~1000

温度特征值（℃）≥5

含水率测试精度（%）＜2

加热功率（w/m）≥8

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（℃）≥5

含水率测试精度（%）＜2

加热功率（w/m）≥8

6.2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）≥±15000

应变测试精度（με）±30

应变测试重复性（με）≤±20

环境适应范围（℃）-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（℃）-40~120

5

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温度测试精度（℃）±0.3

温度分辨率（℃）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）≤1

波长重复性（pm）≤3

动态范围（db）≥20

环境适应范围（℃）-10~50

7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)钻孔中回填耦合材料进行封孔；

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，避免松散层坍塌、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

回填。

6

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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。

8.2.5光纤光栅位移计及传感光缆，在土层（黏土层到中细砂层）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1m～2m，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

5mm～10mm的砾石；20m～100m部分可回填粒径2mm～5mm的砾石；20m以浅部分可回填含10%～20%黏土

球的砂土-黏土球混合物。

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

5mm～10mm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

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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110v～

220v，加热功率8w/m～15w/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，并通过黏土球封堵；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一个小时内的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5-10min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：

........................................................（1）

D=KDS0KTTT0

式中：

D——位移计测得的轴向土体变形，单位为毫米（mm）；

传感器位移/波长系数值(mm/nm)；

KD——

测量光栅测量波长，单位为纳米（nm）；

S——

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测量光栅初始波长，单位为纳米（nm）；

0——

传感器温度补偿系数值()；

KT——℃/nm

温补光栅测量波长，单位为纳米（nm）；

T——

温补光栅初始波长，单位为纳米（nm）；

T0——

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：

z2

................................................................（2）

Dz1z2zdz

z1

式中：

埋深位置到位置间光纤测得的土体变形，单位为毫米（）；

Dz1z2——z1z2mm

z——埋深z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：

（3）

TKTS0.....................................................................

式中：

T——温度计测得的温度值，单位为摄氏度（℃）；

传感器位移/波长系数值()；

KT——℃/nm

测量光栅测量波长，单位为纳米（）；

S——nm

测量光栅初始波长，单位为纳米（）；

0——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：

......................................................（4）

PKpS0KTT-T0

式中：

P——渗压计测得的水压，单位为兆帕（MPa）；

传感器压力/波长系数值()；

Kp——MPa/nm

测量光栅测量波长，单位为纳米（）；

S——nm

测量光栅初始波长，单位为纳米（）；

0——nm

传感器温度补偿系数值()；

KT——℃/nm

温补光栅测量波长，单位为纳米（）；

T——nm

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温补光栅初始波长，单位为纳米（）；

T0——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：

1

.........................................................................(5)