光纖傳感技術在黃土邊坡變形監測中的應用研究

趙麗榮,郭震山

（1.山西遠大公路橋梁建設養護有限公司，山西 忻州 034000；2.山西省交通科學研究院 巖土與地下工程山西省重點實驗室，山西 太原 030006）

工程建設過程中，邊坡的穩定性一直是土木工程行業關注的熱點問題[1-2]。邊坡失穩滑塌災害事故也屢見報道，邊坡滑塌可能導致人員傷亡，同時造成巨大的經濟損失，社會影響惡劣。為避免邊坡事故的發生，常在工程重要部位布設相關監測器件來監測邊坡體的變形，以評估邊坡當前所處的安全穩定狀態，預測變形發展趨勢，及時發現工程潛在的安全隱患，并進行處治，進而確保邊坡在建設期及運營期的安全和穩定。

目前常采用的辦法是在坡體內部布設測斜管，并在邊坡上布設位移觀測點的形式監測坡體變形。這種監測手段比較成熟，監測精度較高，因而被廣泛采用。然而這種監測手段也存在一定的弊端，如只能獲取某些關鍵點的位移信息，對整體變形發展趨勢多采取經驗推斷，人為因素較大，有時單通過幾個點的位移不能很好地反映整體變形發展情況。隨著光纖傳感技術的逐漸成熟[3-5]，基于布里淵分布式光纖傳感技術的監測手段應運而生。分布式光纖監測技術具有可連續監測、線路簡單、傳輸距離長、精度高以及抗干擾能力強等優點，被越來越多地應用于工程監測中[6-8]。其中分布式傳感光纖在邊坡中的應用示意圖如圖1所示。

本文以山西省內某黃土陡坡工程為依托，通過在邊坡坡面上布設分布式傳感光纖，監測邊坡的變形變化情況；同時在邊坡不同位置布置位移監測點，監測邊坡位移變化情況，檢驗分布式傳感光纖監測結果的準確性。

圖1 光纖在邊坡變形監測中的應用

1 工程概況

現場試驗邊坡為黃土邊坡，坡高35 m，坡度79°，部分坡面沖刷嚴重，具有Ⅲ級自重濕陷性，并夾薄層粉質黏土，含水率16.9%，重度17.6 kN/m3，孔隙比1.03，塑限17.0，液限26.8。某在建高速公路將采用橋梁形式跨越此邊坡，為保證公路修建過程中邊坡的安全穩定，項目在開展過程中，通過在邊坡上布設縱向和橫向分布式傳感光纖監測邊坡變形發展情況，評估邊坡目前所處的狀態，并預測未來變形發展趨勢，進而為施工提供指導。其中順邊坡方向布設一條長度為30 m的縱向光纖，橫向分別在坡頂、坡中以及坡腳位置布設3條縱向光纖，長度為12 m，如圖2所示，其中黑線代表布設的光纖。為一步了解邊坡變形發展情況，分別在坡頂、坡中和坡腳處放置微型光學棱鏡做為監測點，采用徠卡TS09 PLUS高精度全站儀對邊坡的位移進行監測。

圖2 現場光纖布設示意圖

2 光纖測試結果

邊坡光纖布設工作在2016年12月完成，布設完成后每隔半個月監測一次，本文取具有代表性的3次監測進行分析，監測時間分別是2016年12月20日、2017年2月18日和2017年5月1日。其中，2016年12月20日為初始值監測，此時邊坡尚未動工；2017年2月18日開始進行場地平整作業；2017年5月1日，開始進行橋梁樁基施工。圖3為分布在坡體中的縱向光纖在3次監測時間下的應變曲線。從圖中可看出，不同監測時間下，光纖應變曲線變化規律大致相同，隨著監測時間的推移，樁身光纖逐漸由負應變轉化為正應變。第一次監測時，光纖應變為負應變，第二次監測時光纖應變正負交錯，第三次監測時光纖應變全部變為正應變。說明在監測周期內，邊坡產生了一定的變形。同時可以看出不同測量時間內坡頂處應變變化較小，坡腳處變化加大，說明坡腳處變形大于坡頂。

圖3 縱向光纖應變曲線

圖4為3條橫向光纖變形曲線，從圖中可看出，不同測量時間內，坡頂、坡中以及坡腳處的光纖均產生不同程度的變形。3個地方的變形情況有所不同，其中坡頂處變形差異較小，坡中次之，坡腳處變化最大。

3 邊坡位移監測

圖4 橫向光纖應變曲線

圖5為邊坡水平位移監測曲線，從圖中可看出，隨著監測時間推移，3個位置處的水平位移均呈增大趨勢，其中坡腳處變形最大，坡中次之，坡頂最小，這與分布式傳感光纖監測結果一致，說明分布式傳感光纖可以較為精準地反映邊坡的變形情況。從圖中還可看出，坡腳和坡中在監測初期變形增大速率較大，后隨著時間推移，變化速率逐漸減小，有逐漸趨于穩定的趨勢。監測8周后，坡腳、坡中以及坡頂處邊坡水平位移分別為6.0 mm、3.2 mm和1.0 mm。

圖5 邊坡水平位移曲線

4 結論

本文通過采用分布式傳感光纖技術，對某黃土高邊坡進行監測，獲得了其在不同監測時間點內的變形發展情況，并采用全站儀對邊坡不同位置處的位移變化進行監測。測試結果表明，分布式傳感光纖可以敏感地獲取邊坡的變形發展情況，可以將其作為一種新型邊坡監測手段進行推廣。