使用BOTDR技术进行隧道监测的光纤护套效应

基于BOTDR的布里渊应变监测技术已在岩土工程领域得到了初步的应用,但一系列的试验及工程应用表明,不同类型的光缆得到的测试结果呈现较大的差别性,原因就是光纤护套效应。以BOTDR的光纤应变监测技术为基础,并通过精准定位(温度刺激)、应变测量范围(漂移量)及温度测量等一系列试验,对新型应变光缆、套装光缆以及铠装光缆的工程性能进行了对比试验研究,得到了光纤护套效应对巷道监测结果的影响,甄别了适用于不同工程应用的光缆类型,并保证监测结果与实际变形及温差变化的一致性。这些研究工作初步解决了使用BOTDR技术进行巷道应变监测的光缆选型的问题,为基于BOTDR的应变监测技术的工程应用提供了理论基础。

基于BOTDR分布式检测技术的光缆隐蔽性缺陷识别

提出基于布里渊光时域反射(Brillouin optic time domain reflectometer,BOTDR)分布式检测技术与解调信号的光缆隐蔽性缺陷识别方法,识别检测光缆隐蔽性缺陷。在生产阶段将光纤植入多股碳纤维导线复合芯内部作为传感器,依据BOTDR技术与光时域反射(optic time domain reflectometer,OTDR)技术原理,构建关于碳纤维导线光缆隐蔽性检测的分布式传感系统,利用光纤对温度、应力、传播损耗的高精度感知,多维度地分析碳纤维导线光缆的隐蔽性缺陷及位置分布,实现光缆的隐蔽性缺陷识别。利用morlet小波解调布里渊散射信号,提取包络信息,去除信号噪声,采用列文伯格-马夸尔特算法,拟合布里渊散射谱数据,精确估计最优Brillouin频移量参数,提升整体缺陷识别精度。实验证明:该方法可以准确地对光缆的隐蔽性缺陷进行表征,实现多股碳纤维导线光缆隐蔽性缺陷的快速、有效识别,促进碳纤维导线光缆更好地应用于增容、大跨越等工程中。

采用BOTDR光纤传感技术的电缆内部温度在线测量研究

为实现光纤复合电缆内部温度的在线测量,利用电缆内部通信用单模光纤中的自发布里渊散射构建了布里渊光时域反射传感系统(BOTDR).基于该系统,通过提取单模光纤每个空间分辨率范围内的中心频率,得到光纤沿线的布里渊频移分布,即可计算得到光纤沿线的温度分布.与热电偶单点测量结果相比,二者温度差别小于2℃,而该方法更适用于长距离复合电缆的温度测量.

基于BOTDR传感技术的架空光缆覆冰监测研究

在线监测架空光缆的覆冰状态对于极端天气条件下电力/通信线缆的安全运行具有重要意义。基于单模光纤中的自发布里渊散射,利用布里渊光时域反射计（BOTDR）分布式光纤传感技术,测量松套型光纤复合地线（OPGW）的受力情况和覆冰状态。当卷扬机所施加的拉力小于线缆额定拉力（RTS）的60%时,缆内光纤布里渊频移不变,不受到应变的影响。当大于RTS的60%时,随着卷扬机拉力增加,布里渊散射的频移增加;在相同的拉力下,随着覆冰厚度的增加,布里渊散射频移增加明显。实验结果表明,BOTDR技术能够在线监测线缆的受力及覆冰状况,该结果可为后继覆冰模型分析提供技术支持。

基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究

可以实现分布式、长距离、实时监测的BOTDR监测技术已在土木工程领域得到了较为广泛的应用,但在岩土工程领域的应用研究起步较晚,相关技术还有待于进一步完善。以布里渊BOTDR的巷道/隧道应变监测技术为基础,研究了沿巷道轴向进行一维布设的光纤应变测量值与隧道顶板沉降变形之间的关系。首先,根据巷道/隧道顶板的变形规律,建立了光纤沿巷道/隧道轴向发生的应变与巷道/隧道顶板的沉降变形之间的数学模型,即圆弧模型、抛物线模型和三角形模型。其次,对巷道/隧道顶板的沉降变形与光纤应变之间的关系进行了试验研究。对比分析表明,理论计算值与试验值具有很好的一致性。利用圆弧模型、抛物线模型和三角形模型等3个计算模型,可以将光纤应变与顶板沉降联系起来,这对于BOTDR技术的应用与推广具有重要的理论意义和工程实用价值。

用于巷道沉降变形监测的光纤锯齿状布设技术与原理

矿山巷道、交通隧道等工程的顶板沉降变形监测是不可缺少的安全保障手段之一,现有的直线分布式光纤布设技术监测巷道沉降变形存在灵敏度较低的问题。将光纤沿巷道顶板的纵向铅垂平面布设成锯齿形状,构建相应的计算模型,给出具体的布设参数,获得了基于AV6419型号的光纤应变测试仪的监测精度和量测范围。试验结果表明,将光纤由直线式布设改变为锯齿状布设时不仅满足分布式光纤传感技术对于提取大范围测量场分布式信息能力的要求,而且通过巷道纵向分布式光纤的布设实现了监测巷道径向变形(如顶板沉降)的目的。计算模型监测的灵敏度相比于直线式有大幅度提高,为基于BOTDR技术的分布式光纤传感技术的应用与推广提供了新的方法和思路。

边坡工程分布式光纤监测技术研究

通过对边坡及其加固工程进行实时、在线监测,可掌握边坡的变形动态,对滑坡进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足加固工程安全监测和滑坡早期预警的要求。对布里渊光时域反射技术(BOTDR)的测量原理和优点进行介绍,设计一套基于BOTDR的新型分布式边坡监测系统,详细阐述工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。通过将传感光纤按一定的方式布设在加固工程及坡体内,并相互连接构成基于BOTDR的边坡分布式光纤监测系统,进而实现对整个边坡的远程分布式监测。以实际工程为例,对边坡分布式变形监测结果进行分析。结果表明,基于BOTDR技术的边坡分布式光纤监测系统能够准确地反映边坡及加固工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于边坡稳定性的监测和预报。

分布式光纤测温技术在火区爆破中应用

为了满足多点测量、响应时间短、精度高以及测温范围广等要求,将分布式光纤测温技术应用到高温火区炮孔测温中。为了适应高温炮孔中温度高、湿度大等复杂条件,采用镀金光纤作为分布式光纤测温系统的测温段。现场试验表明分布式光纤测温系统能快速获得炮孔温度分布情况,通过比较同一炮孔在注水降温前后的温度,结果表明:炮孔温度在注水降温停止后的较短时间内即可回升至降温前的温度,因此现场装药连线等爆区区域内的工作需要在抽出水管后的较短时间内完成。

提高BOTDR探测范围的色散补偿方案

定量计算BOTDR内入射脉冲的色散问题,分别独立仿真正负色散影响下脉冲展宽现象。提出BOTDR的色散补偿方案,即在光纤内的光脉冲在光纤内传输一段距离后出现的正色散被一段合适长度的负色散所抵消后,脉冲能够得到有效的恢复,从而使BOTDR内光纤的脉冲能够传输更远的距离,并继续发生布里渊散射效应。方案是在充分考虑了现有的BOTDR装置的基础上提出的,不需要对测量仪器内部的电子器件和光学器件作修改,因而具有一定的实用价值。

BOTDR构建下的山体滑坡监测应用思路探索

在山体滑坡监测中,传统测试方式难以将各种因素综合在一起,导致监测结果或多或少存在一些问题。本文通过对山体滑坡常用的监测方法及特点进行总结,并从BOTDR技术测量应变的工作原理、山体滑坡内应力的监测方式、具体应用实例三方面,论述了BOTDR技术在山体滑坡监测中的可行性。

分布式光纤传感技术在深基坑支护体系-支撑轴力监测中的应用研究

传统点式测试技术对深基坑支护体系-混凝土支撑轴力的监测为点式监控,无法实现实时监控,无法反映全断面混凝土支撑的受力情况.因等截面换算、初值设定等因素,钢筋计轴力测试值一般极易超过报警限值,失去有效监控作用。光纤传感是可实现线性、实时监控的技术,可对支撑全断面受力特性进行线性分析,并可反映开挖顺序引起的支撑拉应力,反映支撑部位沿开挖方向的拉-压差别引起钢性地连墙的喇叭口扩展趋势。另外,光纤传感元件轻便、价格低廉、数据无线传输等特点为无人职守的安全监控提供了条件,从而为施工提供了便利,改进了现有支护监测体系。

玻璃纤维增强聚合物锚杆承载特征现场试验

锚杆支护方法在岩体加固工程中应用广泛,锚杆作为支护结构的核心应具有足够的安全度和耐久性。由于钢材易腐蚀,钢锚杆的耐久性受到质疑。玻璃纤维增强聚合物锚杆是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型加固材料,具有较好的力学性能和耐腐蚀性能,用其代替传统钢筋用于边坡加固可以较好地解决锚杆耐久性问题。现场试验采用千斤顶施加拉拔荷载,用锚杆应力计和分布式光纤BOTDR技术测量锚杆应力,研究不同荷载条件下玻璃纤维增强聚合物锚杆的承载力特征及分布规律,为玻璃纤维增强聚合物锚杆用于永久加固工程的可行性研究提供基础资料。

用于隧道变形监测的分布式光纤定点式布设监测误差测定研究

使用分布式光纤进行隧道变形监测,当采用定点的方式来固定传感光纤时,为了更灵敏地感测隧道变形,需要对锚固点之间的应变光纤进行预拉处理。在进行预拉的同时,光纤内部产生一定量预拉应变值,试验表明,施加不同的预拉量对该光纤的监测结果会产生一定的影响。为了减小光纤监测的误差,提高光纤的监测精度,根据感测光纤的应变特性、力学特性设计了光纤的张拉试验方案、构建了试验系统,进行了不同初始预拉值下的光纤张拉试验。通过对监测数据计算与分析,获得了两种特制传感光纤的最佳初始预拉值。结合以上研究成果,在北京市地铁8号线三期工程大红门桥站-和义站区间采用定点方式布设了传感光纤进行了监测。该研究结果可以为结构健康监测工程中传感光纤的布设问题提供参考。

分布式光纤堤坝形变监测试验研究

采用DiTeSt分布式光纤测量系统开展了堤坝形变监测试验研究,通过监测渗流和加载作用对模型堤坝形变的影响,验证了采用分布式光缆作为形变传感器监测堤坝形变的可行性:采用基于Brillouin光时域反射的分布式光纤传感技术监测堤坝形变是可行的,光纤的受力变形基本能够反映坝体的形变。

GFRP锚杆加固高速公路红砂岩边坡的工程实例分析

由于钢材易腐蚀,钢锚杆的耐久性受到质疑,GFRP锚杆因具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,可替代钢筋用于边坡加固工程。通过GFRP锚杆加固常吉高速公路一红砂岩边坡工程实例监测得到不同荷载条件下锚杆应力分布规律,同时通过长期边坡变形监测数据,分析了被加固边坡的稳定状态。实践证明,GFRP锚杆应用于边坡加固工程是可行的,值得推广。

分布式光纤在栈桥监测中的应用分析

为解决传统监测方法在大型基坑支撑结构监测中难度大、效率低、误差大等问题,提出利用分布式传感监测技术对太原火车站调蓄池桁架支撑体系栈桥应力、应变进行监测。基于布里渊光时域反射技术(BOTDR)的测量原理和优点,设计应用一套分布式栈桥监测系统,对栈桥扰动下测试和长期变形监测。结果表明,基于BOTDR技术的栈桥分布式光纤监测系统能够准确地反映支撑体系中栈桥的变形情况,具有显著优势,可满足栈桥变形长期监测和早期安全预警。

冲击危险煤层卸压钻孔安全参数研究

为确定卸压钻孔安全参数,保障孤岛工作面安全回采,采用理论计算方法,得出在忻州窑矿8939工作面地质条件下不同孔径卸压钻孔的卸压半径范围;采用数值模拟方法,从应力及能量角度出发,分析验证理论计算结果,确定现场测试方案;在井下应用分布式光纤传感技术(BOTDR)测定钻孔卸压半径及间距。结果表明:卸压钻孔孔径越大卸压效果越好,同时对煤体扰动越大,孔径过大可能诱发冲击地压;卸压钻孔间距存在临界值,钻孔间距小于临界值时,2孔间煤体破坏变形程度较大,卸压效果良好;孔间距大于临界值时,2孔间煤体破坏程度较弱,卸压效果较差。在忻州窑矿8939工作面地质条件下,确定卸压钻孔孔径108 mm,钻孔间距0. 7 m;研究成果保障了8939工作面安全开采。

北京故宫东华门城台分布式光纤监测研究

以北京故宫东华门城台墙体为监测对象,基于布里渊散射光时域反射测量技术（BOTDR）对北京东华门城台的北墙体、西墙体和中门洞的变形及渗漏进行了监测。监测结果显示：大部分感测光纤段的应变测量值分布在±100με测量误差范围内,只有城台西墙体部分横向感测光纤段的应变值分布在150~250με之间,表明在西墙体上部局部区域发生了十分微小的鼓胀变形,推断为墙体表面灰泥固化和气温变化引起灰泥热胀冷缩变形所致;城台温度变化没有发现异常区域,表明城台在监测时间段没有渗漏情况发生。因此,判断目前东华门城台整体结构是稳定的。

桂阳公路岩溶土洞发育区路基稳定性监测预报研究

针对传统的地面监测方法无法较好地监测岩溶土洞塌陷的问题,运用BOTDR光纤传感技术,通过室内试验及实体工程修筑,对桂(林)-阳(朔)路典型岩溶土洞路基段实施了监测,对岩溶路基土洞塌陷实时监测预报技术进行了探索。建立了中国第一个岩溶路基土洞(塌陷)监测站。