基于布里淵光時(shí)域反射技術(shù)的斷層穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

王瓊 金永黎 歐元超 付茂如

摘 要：針對(duì)斷層穩(wěn)定性問(wèn)題，采用BOTDR分布式光纖感測(cè)技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙阿拉善地區(qū)賀蘭山西麓斷層進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，研究了自然條件下斷層內(nèi)部應(yīng)力的變化情況。研究結(jié)果表明：賀蘭山西麓斷層在觀測(cè)周期內(nèi)鉆孔周?chē)鷩鷰r整體發(fā)生拉伸變形;斷層面附近巖層的應(yīng)力狀態(tài)易受斷層活動(dòng)的影響，根據(jù)分布式光纖的應(yīng)變分布曲線(xiàn)能夠精確劃分出斷層活動(dòng)的影響范圍在斷層之上9m和之下8m;BOTDR分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效捕捉到自然條件下斷層微弱活動(dòng)所引起的應(yīng)變變化，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。BOTDR監(jiān)測(cè)技術(shù)為長(zhǎng)期、精細(xì)化評(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性狀態(tài)提供了十分可靠的監(jiān)測(cè)手段。

關(guān)鍵詞：賀蘭山;斷層穩(wěn)定性;BOTDR;分布式監(jiān)測(cè);應(yīng)變

中圖分類(lèi)號(hào)： P694文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2021）02-0051-06

收稿日期：2020-05-18

基金項(xiàng)目：安徽理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（2019CX1002）

作者簡(jiǎn)介：王瓊（1997-），女，陜西寶雞人，在讀碩士，研究方向：地球探測(cè)與信息技術(shù)。

Monitoring Experiment on Fault Stability Based on BOTDR

WANG Qiong， JIN Yongli，OU Yuanchao，F(xiàn)U Maoru

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui232001， China）

Abstract：Aiming at the problem of fault stability， this paper uses BOTDR distributed optical fiber sensing technology to monitor and analyze the fault in the western foot of Helan Mountain in Alashan area of Inner Mongolia， researching the change of internal stress of fault under natural conditions. The followings were showed by the results. The stress state of rock strata near fault surface is easily affected by fault activity， and the influence range of fault activity can be accurately divided according to the strain distribution curve of distributed optical fiber， which is 9 m above the fault and 8 m below it. The hanging wall is mainly subjected to tensile strain， while the footwall is mainly compressive strain. BOTDR distributed monitoring technology can effectively capture the strain changes caused by weak fault activity under natural conditions， realizing the real-time dynamic monitoring of strain. BOTDR monitoring technology provides a very reliable monitoring means for long-term and fine evaluation of fault stability.

Key words：Helan Mountain; fault stability; BOTDR; distributed monitoring; strain

斷層是地殼受力發(fā)生斷裂，沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)巖塊發(fā)生的顯著相對(duì)位移的構(gòu)造，在淺層地殼中發(fā)育廣泛[1]。斷層結(jié)構(gòu)面不僅破壞了巖體的連續(xù)性、完整性，而且嚴(yán)重影響著斷層帶內(nèi)巖體的物理力學(xué)特性，對(duì)地層穩(wěn)定性有著極為不利的影響[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了大量研究工作，也取得了一定成果。文獻(xiàn)[3]等通過(guò)對(duì)SanAndreas斷層地應(yīng)力變化的長(zhǎng)期觀測(cè)，得出斷層附近一定范圍內(nèi)巖體所受最大剪切應(yīng)力與其距斷層的距離成反比。文獻(xiàn)[4]利用斷層的幾何形態(tài)和三向主應(yīng)力間的關(guān)系將斷層劃分為正斷層、逆斷層及走滑斷層，并利用庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算出此類(lèi)斷層的摩擦系數(shù)。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究了斷層在煤礦采動(dòng)影響下的活動(dòng)情況，有效指導(dǎo)了煤礦的安全生產(chǎn)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)龍陵-瑞麗斷裂帶附近獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出斷層面上的應(yīng)力值未達(dá)到使斷層活動(dòng)的臨界值之前斷層不會(huì)活動(dòng)的結(jié)論。

分布式光纖感測(cè)技術(shù)（BOTDR）是一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號(hào)的新型傳感技術(shù)[7]。由于其具有感測(cè)距離長(zhǎng)、耐久性好、抗干擾性強(qiáng)、易組網(wǎng)等特點(diǎn)，近年來(lái)在巖土工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]利用BOTDR技術(shù)對(duì)馬家溝滑坡抗滑樁變形進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析，從抗滑樁內(nèi)力分布狀態(tài)及外在環(huán)境因素兩方面對(duì)抗滑樁的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[9]基于BOTDR分布式光纖感測(cè)技術(shù)原理對(duì)無(wú)錫楊墅里地裂縫進(jìn)行了分布式監(jiān)測(cè)，得到了較好的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[10]對(duì)BOTDR應(yīng)用于大型基礎(chǔ)工程健康診斷中的可行性進(jìn)行了深入分析。

本文以賀蘭山西麓斷層為研究對(duì)象，采用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR），在斷層區(qū)域打穿層鉆孔并布設(shè)分布式感測(cè)光纖，獲得了自然條件下斷層內(nèi)部的應(yīng)變信息，然后從斷層性質(zhì)和地層巖性條件對(duì)斷層穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，為斷層活動(dòng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)與評(píng)價(jià)提供了參考。

1 基于BOTDR的斷層穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

1.1 技術(shù)原理

本文采用AV6419分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀[11-14]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)研究區(qū)內(nèi)斷層進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該儀器基于自發(fā)布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR），以分布式的感測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量。即由BOTDR向光纖中發(fā)射一束脈沖光，光通過(guò)光纖傳播時(shí)，光子和光纖中產(chǎn)生的聲子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生布里淵散射，引起反射光的頻率發(fā)生改變。而該頻率的變化主要受散射角和光纖特性的影響，因而，通過(guò)測(cè)定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移便可實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)變測(cè)量。

BOTDR傳感技術(shù)所采用的光纖具有體積小、韌性大，能以任意形式復(fù)合于基體結(jié)構(gòu)中且不影響基體性能的特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試光纖不同位置的布里淵散射光功率和頻率可獲得整個(gè)測(cè)試光纖上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。該傳感技術(shù)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介，能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、不間斷監(jiān)測(cè)的要求，便于與光纖傳輸系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制[15-16]。

1.2 應(yīng)用可行性分析

眾所周知，斷層是由地殼運(yùn)動(dòng)引起的。斷層活動(dòng)受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)或局部應(yīng)力場(chǎng)控制，斷層兩盤(pán)的相對(duì)位移是其內(nèi)部應(yīng)力改變的外在體現(xiàn)。故有效掌握斷層所在區(qū)域巖體內(nèi)應(yīng)力變化情況，對(duì)斷層的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等具有有益指導(dǎo)。

BOTDR作為一種分布式光纖感測(cè)技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)到被感測(cè)對(duì)象應(yīng)變變化，并且應(yīng)用這一技術(shù)可以監(jiān)測(cè)最長(zhǎng)80km光纖沿線(xiàn)的應(yīng)變，應(yīng)變測(cè)量范圍為（-1.5～+1.5）%，距離分解度可達(dá)1m，應(yīng)變測(cè)量精度可達(dá)±0.003%，完全滿(mǎn)足了本試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)要求。

2 斷層穩(wěn)定性研究

2.1 工程概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙阿拉善盟阿拉善東南部的賀蘭山山前洪積扇中部，東依賀蘭山，西鄰騰格里沙漠，海拔高程達(dá)到1 500～1 650m。研究斷層為位于巴彥浩特鎮(zhèn)西部丘陵區(qū)的賀蘭山西麓斷層，該斷層發(fā)育在賀蘭山西20km處，沿賀蘭山西麓呈南北向延伸，北段被第四系覆蓋，向南與龍首山—青銅峽—固原斷裂相交，是一條走向南北、西傾，傾角75°左右，全長(zhǎng)約90km的斷層[17]。該斷層控制了盆地的東部邊界，斷層兩側(cè)地層年代不一，西側(cè)為古近系漸新統(tǒng)，東側(cè)為白堊系下統(tǒng)。古近系、新近系、白堊系不整合于石炭系、奧陶系之上，基巖基底深埋在2 500m以下。研究區(qū)斷層具體地層巖性情況如表1所示。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)鉆探人員依照鉆孔設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)要求，架設(shè)鉆機(jī)在觀測(cè)點(diǎn)處垂直地面進(jìn)行鉆探，鉆孔穿過(guò)斷層帶，鉆孔具體參數(shù)如表2所示。

2.3 傳感光纖的選擇與安裝

1）線(xiàn)纜選擇 為克服地應(yīng)力作用的影響，滿(mǎn)足光纜抗拉、壓強(qiáng)度高的要求，本次試驗(yàn)選擇強(qiáng)度較大的金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜（見(jiàn)圖1），具體參數(shù)如表3所示。

2）現(xiàn)場(chǎng)安裝 現(xiàn)場(chǎng)安裝選用金屬導(dǎo)頭的自重帶著光纖線(xiàn)纜。為防止光纖線(xiàn)纜在下入鉆孔的過(guò)程中受到破壞，特加入一根鋼絲繩，安裝過(guò)程中由鋼絲繩承受主力。裝入鉆孔的光纖線(xiàn)纜總長(zhǎng)為76.5m，線(xiàn)纜裝入結(jié)束后，對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿封孔。為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，待封孔后孔壁及圍巖應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)（封孔45d后）再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年5月28日16點(diǎn)至6月1日14點(diǎn)，每組數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為2h，剔除部分異常數(shù)據(jù)組，最終共獲得有效數(shù)據(jù)41組。以首次采集的數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)，后期數(shù)據(jù)均與背景數(shù)據(jù)進(jìn)行作差處理。觀測(cè)周期內(nèi)鉆孔的應(yīng)變分布云圖如圖3所示，其中x軸方向代表采集次數(shù);y軸方向代表鉆孔深度，地面孔口位置為0點(diǎn);不同顏色的色標(biāo)代表對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變值。

圖3表明鉆孔測(cè)試傳感光纜主要呈現(xiàn)拉應(yīng)變，尤其是在斷層位置的巖體由于受到上下盤(pán)差異性錯(cuò)動(dòng)影響而產(chǎn)生剪切變形。 但由于地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造方面的影響， 鉆孔不同深度位置處光纖線(xiàn)纜的應(yīng)變特征區(qū)段性明顯。孔深0～5m的位置范圍內(nèi)， 光纖線(xiàn)纜呈現(xiàn)出壓縮應(yīng)變， 最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在距孔口2.5m的位置，相對(duì)壓應(yīng)變值達(dá)到了-18με;孔深12～18m的位置范圍內(nèi)，應(yīng)變值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大相對(duì)拉應(yīng)變出現(xiàn)在距孔口15m的位置，應(yīng)變值達(dá)到了28με;孔深35～60m范圍內(nèi)應(yīng)變變化較為顯著，該區(qū)域處于斷層控制區(qū)，因而在35～41m、45～52m和52～60m范圍內(nèi)都出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)變，且在距孔口49m位置處的拉應(yīng)變值最大，達(dá)到了85με。位于鉆孔孔底的70～76.5m范圍內(nèi)光纖線(xiàn)纜主要呈現(xiàn)出壓應(yīng)變變化特征，最大變化值達(dá)到了-11με。

為進(jìn)一步分析應(yīng)變變化原因，將應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)與地層巖性圖相對(duì)應(yīng)，如圖4所示。

圖4中共出現(xiàn)了6處較為明顯的應(yīng)力變化，第1處是鉆孔孔口的腐殖土底部位置，腐殖土松散軟弱，受外力影響變形明顯;第2處是距孔口15m位置的灰?guī)r上部，灰?guī)r中的裂隙受到斷層擾動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)變;第3處是距孔口40m的斷層上盤(pán)灰?guī)r中，距斷層面較近（8m左右），受斷層面應(yīng)力變化影響較大;第4處為斷層面上的應(yīng)變，該處應(yīng)變受斷層面活動(dòng)直接控制，傳感光纜對(duì)其應(yīng)變感應(yīng)最為靈敏、應(yīng)變值最大;第5處是距孔口56m的斷層下盤(pán)灰?guī)r中，該點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)3應(yīng)變變化大致相同，但由于受上下兩盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力影響，該處應(yīng)變值較觀測(cè)點(diǎn)3處略大;第6處位于位于斷層下盤(pán)角礫巖中，受上盤(pán)擠壓作用產(chǎn)生壓應(yīng)變。綜上，斷層面附近巖層的應(yīng)力狀態(tài)易受斷層活動(dòng)的影響，且影響范圍跨越斷層之上9m和之下8m。

鉆孔控制范圍內(nèi)的斷層高度為76.5m，為深入研究鉆孔內(nèi)光纖附近應(yīng)力的分布情況與變化規(guī)律，在光纖線(xiàn)纜上選取了6個(gè)應(yīng)變值變化明顯的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別位于距孔口3、15、40、48、56、73m位置處。6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變化折線(xiàn)圖如圖5所示。

分析上圖應(yīng)變結(jié)果知，布設(shè)于斷層活動(dòng)影響范圍之外的斷層上盤(pán)觀測(cè)點(diǎn)（觀測(cè)點(diǎn)1、2）應(yīng)變值整體變化不大;而位于斷層面附近及斷層下盤(pán)的觀測(cè)點(diǎn)（觀測(cè)點(diǎn)3、4、5）應(yīng)變值明顯增大;鉆孔最底部的觀測(cè)點(diǎn)6應(yīng)變值較小，且整體表現(xiàn)為壓縮應(yīng)變。

觀測(cè)點(diǎn)1處應(yīng)變值變化范圍介于-16～17με之間，此處為淺表覆蓋層，頂部為腐殖土，下部為砂質(zhì)黏土和固結(jié)良好的砂土，地層風(fēng)化程度高、密實(shí)度低、穩(wěn)定性較差，受地表活動(dòng)發(fā)生應(yīng)變變化的幅度較大;觀測(cè)點(diǎn)2處應(yīng)變值變化范圍介于0～24με之間，此處位于角礫巖和灰?guī)r的巖性分界面處，斷層受地層拉張力作用上盤(pán)向下運(yùn)動(dòng)，巖層間的微弱活動(dòng)和斷層盤(pán)運(yùn)動(dòng)共同導(dǎo)致該部位產(chǎn)生拉應(yīng)變變化;觀測(cè)點(diǎn)3處應(yīng)變值變化范圍介于-3～17με之間，該處位于斷層面附近的灰?guī)r巖層中，灰?guī)r厚度大且裂隙發(fā)育，易受地層活動(dòng)影響。上盤(pán)受拉張作用向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生拉應(yīng)變變化，但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)距斷層面較遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)變值波動(dòng)不大;觀測(cè)點(diǎn)4處應(yīng)力變化范圍介于0～70με之間，該測(cè)點(diǎn)恰好位于斷層面上，受斷層兩盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響較大，加之灰?guī)r破碎程度高，地應(yīng)力狀態(tài)改變引起鉆孔周?chē)鷩鷰r應(yīng)力重分布，故該點(diǎn)處的應(yīng)力變化范圍最大;觀測(cè)點(diǎn)5處應(yīng)力變化范圍介于-5～30με之間，此測(cè)點(diǎn)位于斷層下盤(pán)灰?guī)r中，由于其距孔口位置較遠(yuǎn)（56m），受上覆巖體自重應(yīng)力影響較大，加之位于灰?guī)r與構(gòu)造角礫巖的分界面處，受天然應(yīng)力變化影響產(chǎn)生較大應(yīng)變;觀測(cè)點(diǎn)6處位于斷層下盤(pán)的角礫巖中，應(yīng)變值變化范圍介于-8～8με之間。由于上盤(pán)巖層的自重和相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦作用，該處先受到擠壓力作用，表現(xiàn)為壓應(yīng)變;待斷層滑動(dòng)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變。

3 結(jié)論

針對(duì)斷層活動(dòng)性監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題，本文采用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)賀蘭山西麓斷層進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合地層巖性條件對(duì)斷層穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）監(jiān)測(cè)鉆孔的測(cè)試結(jié)果顯示傳感光纜主要呈現(xiàn)拉應(yīng)變，表明賀蘭山西麓斷層在觀測(cè)周期內(nèi)鉆孔周?chē)鷩鷰r整體發(fā)生一定的變形;

（2）根據(jù)分布式光纖的應(yīng)變分布曲線(xiàn)能夠大致劃分出斷層的影響范圍在斷層之上9m和之下8m，距孔口49m位置處的應(yīng)變值最大，達(dá)到了85με;

（3）BOTDR分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效捕捉到自然條件下斷層微弱活動(dòng)所引起的應(yīng)變變化，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變的全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

因此，BOTDR光纖感測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)斷層的連續(xù)、分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)，為斷層的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)提供先進(jìn)可靠的監(jiān)測(cè)手段，可在巖土工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。當(dāng)然，本試驗(yàn)在研究過(guò)程中也存在一些不足，比如：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間較短、數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔較長(zhǎng)、所獲用于斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量不夠多等。針對(duì)這一問(wèn)題，本課題組擬在后期對(duì)該研究斷層進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)變動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為斷層穩(wěn)定性的長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)預(yù)警提供足夠數(shù)據(jù)支撐。

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（責(zé)任編輯：李 麗）