錨索框架邊坡表面變形監測研究

王磊

（中鐵十一局集團第六工程有限公司 湖北襄陽 441003）

2019年1-10月份全國發生地質災害6070起，其中滑坡4167起、崩塌1211起，邊坡類地質災害占比為88.6%。錨索框架作為一種主動抗滑結構，在邊坡治理中得到了廣泛的應用，但由于預應力類軟巖中蠕變大導致預應力損失較大、框架設計施工不合理以及極端天氣導致預應力錨索框架加固后的邊坡依舊發生病害。

錨索框架加固后的邊坡變形監測包括表面變形監測和深層位移監測，其中表面變形監測手段包括全站儀監測、振弦傳感器和北斗等單點式監測手段，不易實現整個邊坡的全覆蓋。基于BOTDA的光纖傳感技術可以準確地測出光纖沿線上任一點變形信息的優點，光纖傳感在邊坡表面及深層位移監測中進行研究[1-2]，本文將光纖布設在在錨索框架內，對基于BOTDA的光纖傳感技術在錨索框架邊坡表面變形監測中的應用進行相關研究。

1 基于BOTDA的光纖傳感技術簡介

BOTDA（Brillouin optical time domain analysis）布里淵光時域分析技術利用了受激布里淵放大特性，讓兩束光在光纖中反向傳播，當兩者頻率差等于布里淵頻移時，弱的連續光信號將被強的脈沖泵浦光放大，當光纖上的某一段發生變形時，該部位的布里淵頻移將增大，從而引起該區域布里淵散射信號的急劇衰減，通過調諧使入射的泵浦光和探測光之間的頻率接收到該處的布里淵散射信號。因此利用BOTDA測到光纖沿線任一點的布里淵散射頻率，再應用布里淵頻移與變形的關系，即可得到光纖沿線任一點的變形分布。

圖1 BOTDA原理

2 光纖測量精度分析

本項目所用儀器為omnisens的STA-R儀器，儀器參數設置為：單步解調頻率為1MHz，空間分辨率為0.5m，采樣間隔為0.1m，平均次數為1000次。現場光纖布設之后，連續采集5次，以第一次作為初始值，后4次光纖變化量如圖2所示。

測次2~5光纖總測點數為1376個，1376個測點變化最大為56με，最小為-50με，平均值為5.66με，標準差為16.36，測點正態分布如圖3所示。

圖2 重復測量精度

圖3 重復測量正態分布

測點分布范圍如表1所示。

表1 測點分布列

在保證95%精度的情況下，本項目儀器測量精度為40με。

3 混凝土結構張拉試驗

為了驗證光纖測量混凝土結構變形的可性性，在32m長混凝土結構上布設光纖，對混凝土結構物進行張拉，測量混凝土結構變形以及出現裂縫時光纖的變化量。

圖4 光纖布設在混凝土結構表面

拉伸至2mm時混凝土結構物出現裂縫，張拉至14mm時，最大裂縫寬度達到1.5mm，光纖測量數據如圖5所示。

圖5 拉伸試驗光纖測量變形

張拉試驗過程中，結構物表面出現裂縫時，光纖測量應變為560με，裂縫寬度在1.5mm時，光纖測量應變為3400με，儀器測量精度為40με，該精度為結構物出現裂縫時變形量的1/14（變形監測要求儀器測量精度為破壞變形量的1/10~1/20），表明光纖可以用于混凝土結構物變形及裂縫監測。

4 項目應用

實際項目為三級放坡邊坡，邊坡采用錨索框架加石籠擋墻支護，光纖布設在第二級框架梁，光纖的布設步驟為：框架梁定線→刻槽→除塵→光纖預張拉→涂膠固定。

圖6 光纖布設（左：框架梁刻槽右：光纖布設后效果）

由于本項目未布設溫補光纖，需確定溫度作用下框架梁變形量，選擇1d時間內7個時間點進行測量，光纖測量變形如圖所示，表明溫度作用下框架梁本身發生熱脹冷縮，溫差作用下框架梁變形在-200~100με之間。

圖7 一天內框架梁段光纖測量應變

現場光纖布設3個月后光纖測量如圖8所示，光纖變形在-100~10με之間，屬于溫差影響范圍內光纖變化量，表明框架梁無變形，經現場檢查，發現該段框架梁無變形及裂縫。

圖8 框架梁段光纖測量應變

5 結論

本文進行了光纖傳感在混凝土結構物及錨索框架邊坡中的應用，主要結論如下：

（1）拉伸試驗過程中，拉伸量為4mm時，混凝土結構物產生裂縫，此時裂縫點光纖測量應變為560με，拉伸量為14mm時裂縫寬度為1.5mm，光纖測量應變為3400με，光纖測量誤差40με約為裂縫產生時測量結果的1/14，表明光纖可以用于混凝土結構變形及裂縫的測量；

（2）實際項目中溫差作用下框架梁變形在-200~100με之間，現場光纖布設3個月后光纖變形在-100~10με之間，表明框架梁無變形，與現場框架梁無變形及裂縫情況一致，表明光纖可以應用于邊坡框架梁變形監測。