專利名稱：基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。涉及測(cè) 量應(yīng)力及管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
滑坡是指構(gòu)成斜坡的巖土體在重力作用下伴隨其下部軟弱面上的剪切作用過 程而產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象?；聻?zāi)害是造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失的地質(zhì)災(zāi)害的主要形 式之一。長(zhǎng)距離輸油或輸氣管道輸送距離可達(dá)數(shù)千公里，穿越眾多地質(zhì)地貌單元， 常不可避免地要穿過地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，如山區(qū)、凍土區(qū)等。因?yàn)檫x線的不充 分或管道建設(shè)誘發(fā)滑坡或地震誘發(fā)滑坡等原因，在山區(qū)敷設(shè)的管道有可能在活動(dòng) 滑坡體內(nèi)通過，管道的安全運(yùn)營(yíng)遭受這些活動(dòng)滑坡的嚴(yán)重威脅。這些有可能要威 脅管道安全的滑坡稱之為管道滑坡。
在過去四十年的管道運(yùn)輸歷史中，以滑坡為主的地質(zhì)災(zāi)害曾多次造成管道事
故。歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)小組(EGIG)調(diào)查的1970年到2001年的西歐管道 事故中，7%是由地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的；美國(guó)交通部統(tǒng)計(jì)的1984年到2001天然氣輸送 數(shù)據(jù)表明，8.5%的事故是由地質(zhì)災(zāi)害引起的；加拿大國(guó)家能源委員會(huì)調(diào)查顯示影 響加拿大運(yùn)營(yíng)的管道事故的12%是地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的。1987年3月由地震導(dǎo)致的巨 型滑坡使橫貫厄瓜多爾管道發(fā)生40km長(zhǎng)的斷裂，停輸兩個(gè)星期，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7 億美元。1995年及1996年冬天，由于華盛頓西部的特強(qiáng)降雨誘發(fā)滑坡，導(dǎo)致美 國(guó)西北輸氣管線三處管道發(fā)生斷裂。
我國(guó)的管道工業(yè)正處在蓬勃發(fā)展之中，這些管道大多將我國(guó)西部豐富的石油 天然氣輸送到我國(guó)的東部，而我國(guó)的西部、西南部集中了我國(guó)大多數(shù)山地，管道 就不可避免地要穿越地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)。忠武輸氣管道忠縣-宜昌409公里段處于 渝東鄂西山區(qū)，山峰層巒疊嶂、高差顯著，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)育有多組地 質(zhì)災(zāi)害易發(fā)巖層，是滑坡、危巖崩塌的頻發(fā)地段。2003年建成投產(chǎn)的蘭成渝成品 油管道蘭州至廣元段，構(gòu)造活躍，巖性破碎，地形切割發(fā)育，投產(chǎn)后投入巨資用 于地質(zhì)災(zāi)害防治，但2007年的調(diào)查顯示威脅管道安全的地質(zhì)災(zāi)害仍有530處之多。 西氣東輸工程干線總長(zhǎng)約4000公里，遭受各種地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅，其中查明的滑 坡災(zāi)害達(dá)39處之多。面對(duì)眾多的管道滑坡災(zāi)害，我國(guó)的管道運(yùn)營(yíng)公司經(jīng)常采取積極的工程治理措 施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工程也并非"一 勞永逸"，設(shè)計(jì)施工的不確定因素較多，再者治理的周期長(zhǎng)。而監(jiān)測(cè)則是一種高效、 低成本的防治措施。意大利SNAM公司將監(jiān)測(cè)管道作為防治滑坡災(zāi)害的主要方式, 他們對(duì)管道進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三十年的監(jiān)測(cè)，成功避免了大量的管道事故。我國(guó)的西氣 東輸、忠武線等管道投產(chǎn)后對(duì)滑坡也進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)的滑坡表部位移監(jiān)測(cè)主要釆用全站儀或GPS手段，這些方法的實(shí)時(shí)性都 較差，難以滿足滑坡監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的要求。傳統(tǒng)的管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)以電阻式應(yīng)變計(jì)、 振弦式應(yīng)變計(jì)為主，在耐腐蝕、抗干擾方面較差，穩(wěn)定性也難以滿足要求。近年
興起的分布式光纖傳感技術(shù)(以BOTDR為代表)在滑坡或管道監(jiān)測(cè)已有一定的應(yīng) 用。
目前的這些監(jiān)測(cè)方式均局限于對(duì)滑坡(致災(zāi)體)或管道(承災(zāi)體)進(jìn)行獨(dú)立 監(jiān)測(cè)，還未對(duì)滑坡及其影響下的管道進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)。聯(lián)合監(jiān)測(cè)不僅能判斷 滑坡的活動(dòng)情況、發(fā)育發(fā)展規(guī)律、破壞機(jī)理，還能查明滑坡對(duì)管道的影響方式和 程度，更重要的是能掌握鋼質(zhì)管道的應(yīng)力位移變化規(guī)律，判斷管道的安全等級(jí)。 綜合以上的信息，就能對(duì)管道滑坡進(jìn)行安全預(yù)警，提前預(yù)報(bào)管道的危險(xiǎn)狀態(tài)，為 減災(zāi)方案的設(shè)計(jì)實(shí)施提供依據(jù)。聯(lián)合監(jiān)測(cè)代表了管道滑坡監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種空間分辨率高、成本低的基于光纖光柵的管道 滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。
本實(shí)用新型提出了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的管道滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。這 種系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)滑坡及其影響下的管道進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi) 容包括滑坡表部位移監(jiān)測(cè)、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)及管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)。并構(gòu)建了監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)釆集、遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng)分析。
光纖布喇格光柵(Fiber BraggGrating， FBG,簡(jiǎn)稱光纖光柵)是近20年來(lái)
迅速發(fā)展起來(lái)的微光學(xué)元件，是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏 性是指激光通過摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的 特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄 帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。
光纖光柵傳感是一種在由光纖刻制而成的波長(zhǎng)選擇反射器，其背向反射光中 心波長(zhǎng)^與光柵周期A和纖芯折射率 有關(guān)，即As 二 2we#A
FBG光纖光柵傳感的基本原理是，當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待 測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵的 中心波長(zhǎng)產(chǎn)生位移A^，通過檢測(cè)光柵波長(zhǎng)的位移情況，即可獲得待測(cè)物理量的 變化情況。即
AAfi =尺￡ +《r . AT
式中&為應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù)，^為光纖光柵溫度傳感靈敏度系數(shù)。
對(duì)于FBG纖芯為純石英的情況，^為lpm/ue, ^為l0pm/。C。光纖材質(zhì)、 寫入工藝和封裝材料都會(huì)影響FBG的應(yīng)變和溫度傳感靈敏度系數(shù)，應(yīng)用前必須對(duì) 以上參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感 器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)l.傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重 量輕、外形可變，適合埋入各種大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié) 構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；2.與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、 光損耗低、光譜特性好、可靠性高；3.具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具 有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；4.輕巧柔軟，可以在一 根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí) 現(xiàn)分布式傳感；5.測(cè)量信i以波長(zhǎng)編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波 動(dòng)、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強(qiáng)的抗干擾能力； 6.高靈敏度、高分辯力。
與廣泛使用的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)有 l.對(duì)測(cè)量點(diǎn)能精確定位，分辨率高；2.成本低；3.能對(duì)傳感部分進(jìn)行加工、封裝， 使其更適合現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
由于這些優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對(duì) 其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍測(cè)量，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其體現(xiàn) 在能獲得長(zhǎng)期、可靠的巖土體變形數(shù)據(jù)。目前光纖光柵傳感技術(shù)還未用于滑坡的 表部位移監(jiān)測(cè)。
本實(shí)用新型提出的基于光纖光柵傳感技術(shù)的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng) 如圖1所示，是將監(jiān)測(cè)分為滑坡表部位移監(jiān)測(cè)、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)及管道應(yīng) 變監(jiān)測(cè)三部分。
其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，是滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置、管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、辦公室的接收終端組成。以一定結(jié)構(gòu)形 式安裝在滑坡內(nèi)或管道上的現(xiàn)場(chǎng)滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置的地梁應(yīng)變光纖光柵傳感 器加、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置的土壓力盒應(yīng)變光纖光柵傳感器4和管道應(yīng)變 監(jiān)測(cè)裝置的管體應(yīng)變光纖光柵傳感器3輸出分別接現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)
6，自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7的輸入，另外上位計(jì)算機(jī)8的一端 輸出接自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的一端輸入；光纖光柵解調(diào)儀7的輸出也接上位計(jì)算機(jī) 8的輸入；上位計(jì)算機(jī)8的輸出接GPRS傳輸模塊9，由辦公室的接收終端GPRS 接收模塊10接下位計(jì)算機(jī)11的輸入，下位計(jì)算機(jī)11的輸出接報(bào)警器12和顯示 器。
該系統(tǒng)的電原理如圖3所示，分別監(jiān)測(cè)滑坡表部位移、滑坡對(duì)管道的推力和 管道應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器一地梁光纖光柵傳感器20、 土壓力盒光纖光柵傳 感器4、管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接， 光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接 光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的L認(rèn)端口接上位 計(jì)算機(jī)8的LAN端口 ，上位計(jì)算機(jī)8的R232端口接GPRS傳輸模塊9西門子MC35i 的R232端口， GPRS傳輸模塊9經(jīng)天線GSM、 GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊10天 線GSM接收后由R232接到下位計(jì)算機(jī)11的R232,下位計(jì)算機(jī)11的輸出由R232 接報(bào)警器12 DS-7400的R232,下位計(jì)算機(jī)11的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。
監(jiān)測(cè)滑坡表部位移、滑坡對(duì)管道的推力和管道應(yīng)變的三種光纖光柵傳感器的 輸出信號(hào)經(jīng)逐一導(dǎo)通給光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵 傳感器的中心波長(zhǎng)位移量輸給上位計(jì)算機(jī)8,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6給光纖光柵解調(diào)儀7 導(dǎo)通信號(hào)的周期由上位機(jī)8控制。上位計(jì)算機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸給GPRS 傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號(hào)進(jìn)行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計(jì) 算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端GPRS 接收模塊IO，也可接受接收終端的信號(hào)，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)ll處理后，由顯示 器顯示并由報(bào)警器12報(bào)警。
滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置地梁光纖光柵傳感器20的構(gòu)成如圖4-圖7所示。該 裝置由中心有鋼筋的細(xì)長(zhǎng)混凝土地梁2和地梁光纖光柵傳感器20組成。在混凝土 地梁2中心的鋼筋17上粘貼串聯(lián)組成的傳感器組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20 (見圖7)后，埋于地下一定深度的垂直于滑坡變形方向的地槽中?；卤聿课?移監(jiān)測(cè)的地梁光纖光柵傳感器20輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)器7輸入，光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場(chǎng)上位計(jì)算機(jī)8。該裝置 的地梁光纖光柵傳感器20是由中心有鋼筋的細(xì)長(zhǎng)混凝土地梁和光纖光柵傳感器 組成，在混凝土地梁中心的鋼筋上粘貼串聯(lián)組成的傳感器組封裝裸地梁光纖光柵
傳感器20后，埋于地下一定深度的垂直于滑坡變形方向的地槽中。
具體是在滑坡地表上開挖出一條地槽，地槽的延伸方向垂直于滑坡13變形方 向。在地槽里澆注小石混凝土地梁2。在地梁2兩端的非滑坡區(qū)域，開挖作業(yè)坑， 用于澆注混凝土地錨19，從而固定混凝土地梁2的兩端。用焊接方式連接鋼筋17， 鋼筋17的長(zhǎng)度要能跨越監(jiān)測(cè)區(qū)的滑坡13寬度。在鋼筋17上粘貼封裝裸地梁光纖 光柵傳感器20,用泡沬密封膠密封。地梁光纖光柵傳感器20粘貼在鋼筋17的軸 向方向，以獲取鋼筋17的軸向應(yīng)變；釆用串聯(lián)的方式組成傳感器組，各地梁光纖 光柵傳感器20的引纖熔接后接至連接光纖；地梁光纖光柵傳感器20可采用等間 距連接，在認(rèn)為是滑坡變形的關(guān)鍵區(qū)，可加密布置地梁光纖光柵傳感器20。在地 梁2澆注一半高度時(shí)放置粘有地梁光纖光柵傳感器20的鋼筋17，使鋼筋17處于 混凝土地梁2的中心位置，然后繼續(xù)澆注另一半混凝土。對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)后回填地 槽。澆注混凝土地錨19,地錨19內(nèi)的鋼筋籠與地梁鋼筋17良好搭接，從而實(shí)現(xiàn) 地梁2兩端固定約東。在地梁2的一端引出地梁光纖光柵傳感器20組的信號(hào)接頭； 將信號(hào)接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號(hào)引到監(jiān)測(cè)站。
該裝置的監(jiān)測(cè)原理是(如圖6、圖7所示)，當(dāng)滑坡13表面土體發(fā)生位移(變 形)時(shí)，土體變形導(dǎo)致混凝土地梁2發(fā)生變形，由于地梁2是細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，地梁2 的變形以軸向伸長(zhǎng)為主。地梁2的兩端埋設(shè)于滑坡區(qū)外的穩(wěn)定坡體中，這樣地梁 2的兩端受固定約束，可將地梁2的變形等同于簡(jiǎn)支梁的變形問題，地梁2發(fā)生 伸長(zhǎng)應(yīng)變的程度和位置就表現(xiàn)了滑坡13表部發(fā)生的變形的大小及位置。地梁2 發(fā)生伸長(zhǎng)變形的程度和位置由地梁2中鋼筋17上的鋼筋光纖光柵傳感器20的應(yīng) 變值讀出。通過對(duì)應(yīng)變值進(jìn)行二重積分，則可由光纖光柵傳感器應(yīng)變計(jì)算地梁2 的撓度，這一撓度即為滑坡表部位移。
滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)成如圖8所示，是滑坡13對(duì)管道14推力監(jiān) 測(cè)的土壓力盒光纖光柵傳感器4輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接 光柵解調(diào)儀7輸入，光柵解調(diào)儀的輸出接現(xiàn)場(chǎng)上位計(jì)算機(jī)8。而滑坡13對(duì)管道14 推力監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器釆用光纖光柵封裝土壓力盒光纖光柵傳感器4; 土壓 力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，并土壓力盒光纖 光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳感器3測(cè)量的壓力就是滑坡13對(duì)管道14的正面推力。
滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置地梁光纖光柵傳感器20的構(gòu)成如圖8所示，土壓 力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，土壓力盒光纖光 柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳 感器4測(cè)量的壓力就是滑坡13對(duì)管道14的正面推力。土壓力盒支架21由兩塊圓 弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座，土壓力盒光纖光柵傳感器 4嵌入底座中，并保持一定的裕量，使土壓力盒能自由變形。土壓力盒支架21兩 端的卡箍連接件23通過螺帽連接。當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，滑坡13對(duì)土壓力盒的推力 可通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測(cè)量，該測(cè)量值減去土壓力盒光纖光柵傳感器 4承受的土體自重壓力，即為滑坡13變形對(duì)管道14產(chǎn)生的推力。
管體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)成如圖9、圖10所示，是在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑坡 的中心位置各布置一管道監(jiān)測(cè)截面，在管道14的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面的外周均勻布置3 個(gè)管體光纖光柵傳感器3且3個(gè)管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直 的平面上。管體光纖光柵傳感器3輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出 接光纖光柵解調(diào)儀7輸入，光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場(chǎng)上位計(jì)算機(jī)8。
管體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)裝置管體光纖光柵傳感器3的構(gòu)成如圖9、圖10所示，在滑 坡的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監(jiān)測(cè)截面，且監(jiān)測(cè)截面的間距不宜 超過60m。在管道14的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面的外周均勻布置3個(gè)管體光纖光柵傳感器3 且3個(gè)管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平面上。安裝管體光纖 光柵傳感器3時(shí)，完全刮開管道14防腐層，并打磨管道14表面至光滑，用快干 膠3粘貼管體光纖光柵傳感器封裝24封裝好管體光纖光柵傳感器3。待三個(gè)管體 光纖光柵傳感器3全部粘貼好后,將管體光纖光柵傳感器3的引纖一并引至地面， 并進(jìn)行保護(hù)。
當(dāng)管道14軸向承受拉/壓應(yīng)力時(shí),三個(gè)管體光纖光柵傳感器3承受拉/壓應(yīng)變； 按照一定的算法，由該截面三處應(yīng)變，即可求出該管道14截面上最大應(yīng)變的大小 和位置。基于鋼材彈性理論，即可求出管道14截面上最大的拉/壓應(yīng)力的大小。 監(jiān)測(cè)截面的選擇對(duì)監(jiān)測(cè)效果很重要。
大量的研究表明，滑坡13對(duì)管道14作用應(yīng)力關(guān)鍵表現(xiàn)在軸向上，對(duì)管道14 軸向應(yīng)力的測(cè)量就能較好地判斷管道14的可接受應(yīng)力狀態(tài)。因此，管體光纖光柵 傳感器3僅測(cè)量管道14軸向的應(yīng)變。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)置在滑坡現(xiàn)場(chǎng)，包括光纖接線盒、連接光纜5、光轉(zhuǎn)換開關(guān)6、光纖光柵解調(diào)儀7、上位計(jì)算機(jī)8、 GPRS傳輸模塊9;由各光纖光柵傳感器的光纖 接線盒和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器接到監(jiān)測(cè)站的光轉(zhuǎn)換 開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀7輸出接上位計(jì) 算機(jī)8,上位計(jì)算機(jī)8輸出接GPRS傳輸模塊9。各光纖光柵傳感器的光纖接線盒 和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站的光 轉(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵 解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)位移量給上位計(jì)算機(jī)8，上位計(jì)算 機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸給GPRS傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號(hào)進(jìn) 行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò) 傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端，也可接受接收終端的信號(hào)，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)11。 其中
光轉(zhuǎn)換開關(guān)6:由于監(jiān)測(cè)滑坡和管道的光纖光柵傳感器很多，信號(hào)通道眾多， 無(wú)法一次連接到光纖光柵解調(diào)儀7上，用光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給 光纖光柵解調(diào)儀7分析；該光轉(zhuǎn)換開關(guān)6選用巿銷產(chǎn)品；
光纖光柵解調(diào)儀7:用于解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)位移量；選用 巿銷產(chǎn)品；
上位計(jì)算機(jī)8及程序用于控制光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)的頻率，并將光纖光 柵解調(diào)儀7解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量，如滑坡的深部位移、 表部位移、管體最大應(yīng)變等，將監(jiān)測(cè)量發(fā)送給GPRS傳輸模塊9，并接受GPRS傳 輸模塊9的信號(hào)進(jìn)行控制；上位計(jì)算機(jī)8選用市銷產(chǎn)品，程序自編；
GPRS傳輸模塊9:用于將上位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng) 絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端，也可接受接收終端的信號(hào)，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī) 11。
位于辦公室的接收終端包括如下2個(gè)部分
1) GPRS接收模塊10,用于接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站GPRS傳輸模塊9發(fā)送的監(jiān)測(cè)量， 并傳輸給終端下位計(jì)算機(jī)11,也可給現(xiàn)場(chǎng)GPRS傳輸模塊9發(fā)送反饋指令；
2) 下位計(jì)算機(jī)ll及程序，用于下載終端GPRS接收模塊10的信號(hào)，并調(diào)用 程序進(jìn)行自動(dòng)分析，將分析結(jié)果與報(bào)警閥值進(jìn)行對(duì)比，必要的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警；
3) 報(bào)警器12,用于當(dāng)分析結(jié)果超過報(bào)警閥值時(shí)，發(fā)生聲音警示信號(hào)；報(bào)警 器12由下位計(jì)算機(jī)11及程序控制。
該系統(tǒng)的工作原理是這樣的，當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，埋于滑坡13淺表部的地梁2在承受滑坡13推力的過程中產(chǎn)生伸長(zhǎng)應(yīng)變,地梁2上的地梁光纖光柵傳感器20 感受到拉應(yīng)變，通過計(jì)算可得出地梁水平向的位移分布，即滑坡表部的水平位移
分布；滑坡13活動(dòng)過程中，管道14承受滑坡13推力而發(fā)生管體14應(yīng)變變化， 通過管體光纖光柵傳感器3測(cè)量；在管道14與滑坡13的接觸面上，滑坡13對(duì)管 道14的推力通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測(cè)量。由此，就可完整地測(cè)量出管道 14上所受到的各種應(yīng)力。
通過連接光纜5，將滑坡上各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)焦廪D(zhuǎn)換開關(guān)6, 光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7解 調(diào)出各傳感器波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)位移量并傳感給上位計(jì)算機(jī)8，上位計(jì)算機(jī)8將解調(diào) 儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為各監(jiān)測(cè)量，如滑坡13的表部位移、管體最 大應(yīng)變、界面推力等，并將監(jiān)測(cè)量發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)GPRS傳輸模塊9， GPRS傳輸模塊9 通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸給終端GPRS接收模塊10,終端GPRS接收模塊 10發(fā)送給終端下位計(jì)算機(jī)11,終端下位計(jì)算機(jī)11將各監(jiān)測(cè)量與報(bào)警閥值對(duì)比， 必要的時(shí)候給出報(bào)警。
由于滑坡13變形自身的復(fù)雜性及其對(duì)管道14作用的復(fù)雜性，釆用多指標(biāo)預(yù) 警的方式對(duì)管道滑坡13的安全進(jìn)行預(yù)警。這些指標(biāo)包括滑面形成、滑坡13的 表部變形量、管道14的附加應(yīng)變。其中"滑面形成"是定性判斷指標(biāo)，其余2 個(gè)指標(biāo)是定量判斷指標(biāo)。僅當(dāng)3個(gè)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)警閥值，則對(duì)管道滑坡發(fā)出安全 預(yù)警。滑面15是否形成的判斷依據(jù)是滑坡13的深部位移分布曲線上是否有突變 點(diǎn)。"滑面形成"有兩個(gè)評(píng)語(yǔ)"已形成"、"未形成"，將"已形成"作為預(yù)警閥值。 對(duì)于典型滑坡13,滑坡13的表部變形量的預(yù)警閥值定為5cm/年。管道14的附加 軸向應(yīng)變閥值受管材、運(yùn)行壓力、建造溫度、監(jiān)測(cè)前滑坡已給管道14造成的應(yīng)變、 管道缺陷等的影響。對(duì)于缺陷不明顯的X60管道，將管道14的受拉附加軸向應(yīng)變 閥值定為380"、受壓附加軸向應(yīng)變閥值定為-300"s。
本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在
1) 提出對(duì)滑坡13及其影響下管道14進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方法，揭示了滑坡13 和管道14的相互作用特點(diǎn)；用多指標(biāo)進(jìn)行滑坡13影響下的管道14的安全預(yù)警， 極大避免了管道14滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警中的不確定性或錯(cuò)誤預(yù)警；
2) 將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于管道滑坡13的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)抗干擾、耐 腐蝕、易于組網(wǎng)等有時(shí)明顯；通過構(gòu)筑特定的載體，實(shí)現(xiàn)了用光纖光柵傳感技術(shù) 監(jiān)測(cè)滑坡深部位移和表部位移，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)滑坡表部位移的技術(shù)手段相比，光
ii纖光柵傳感技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，空間分辨率高，且成本較低；
3) 管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)，是在每個(gè)監(jiān)測(cè)截面均勻安裝3個(gè)傳感器，通過特定的算法
得出該監(jiān)測(cè)截面的最大應(yīng)變分布，用最少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)目的，節(jié)約了成本，
也減少的安裝時(shí)間及對(duì)管道的損傷；
4) 所有的監(jiān)測(cè)量均通過光纖光柵傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，易于構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，易于 實(shí)現(xiàn)管道滑坡聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警； 避免了繁瑣的人工釆集數(shù)據(jù)，減少了報(bào)警時(shí)間，這對(duì)管道應(yīng)急措施的釆取至關(guān)重


圖1基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
圖2滑坡表部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖
圖3滑坡表部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電原理圖
圖4滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖
圖5地梁結(jié)構(gòu)圖(橫剖視圖)
圖6滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置安裝示意圖
圖7光纖光柵傳感器在地梁鋼筋上的安裝圖
圖8土壓力傳感器示意圖
圖9管體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)裝置示意圖(橫斷面圖)
圖IO管體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)裝置示意圖
其中 2—地梁
3—管體光纖光柵傳感器
5—光纜
7—光纖光柵解調(diào)儀 9一GPRS傳輸模塊
ll一下位計(jì)算機(jī)
13-滑坡
15-滑動(dòng)面
18-邊坡
4一土壓力盒光纖光柵傳感器 6—光轉(zhuǎn)換開關(guān) 8—上位計(jì)算機(jī) IO—GPRS接收模塊 12-報(bào)警器 14-管道 17-鋼筋
20-地梁光纖光柵傳感器21-土壓力盒支架 22-支架卡箍 23-卡箍連接件 24-管體光纖光柵傳感器封裝具體實(shí)施方式
實(shí)施例.本例是一試驗(yàn)系統(tǒng)，并在一寬100m、深29m、下覆基巖的滑坡體上 作試驗(yàn)。本管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)如圖2所示，是由滑坡表部位移監(jiān)測(cè) 裝置、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置、管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、辦公室的 接收終端組成。以一定結(jié)構(gòu)形式安裝在滑坡內(nèi)或管道上的現(xiàn)場(chǎng)滑坡表部位移監(jiān)測(cè) 裝置的地梁應(yīng)變光纖光柵傳感器20、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置的土壓力盒應(yīng)變 光纖光柵傳感器4和管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置的管體應(yīng)變光纖光柵傳感器3輸出分別接 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6，自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7的 輸入，另外上位計(jì)算機(jī)8的一端輸出接自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的一端輸入；光纖光柵 解調(diào)儀7的輸出也接上位計(jì)算機(jī)8的輸入;上位計(jì)算機(jī)8的輸出接GPRS傳輸模塊 9,由辦公室的接收終端GPRS接收模塊10接下位計(jì)算機(jī)11的輸入，下位計(jì)算機(jī) 11的輸出接報(bào)警器12和顯示器。
該系統(tǒng)的電原理如圖3所示，分別監(jiān)測(cè)滑坡表部位移、滑坡對(duì)管道的推力和 管道應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器一地梁光纖光柵傳感器20、 土壓力盒光纖光柵傳 感器4、管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接， 光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接 光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的LAN端口接上位 計(jì)算機(jī)8的LAN端口 ，上位計(jì)算機(jī)8的R232端口接GPRS傳輸模塊9西門子MC35i 的R232端口， GPRS傳輸模塊9經(jīng)天線GSM、 GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊10天 線GSM接收后由R232接到下位計(jì)算機(jī)11的R232，下位計(jì)算機(jī)11的輸出由R232 接報(bào)警器12 DS-7400的R232，下位計(jì)算機(jī)11的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。
監(jiān)測(cè)滑坡表部位移、滑坡對(duì)管道的推力和管道應(yīng)變的三種光纖光柵傳感器的 輸出信號(hào)經(jīng)逐一導(dǎo)通給光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵 傳感器的中心波長(zhǎng)位移量輸給上位計(jì)算機(jī)8，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6給光纖光柵解調(diào)儀7 導(dǎo)通信號(hào)的周期由上位機(jī)控制8。上位計(jì)算機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸給GPRS傳 輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號(hào)進(jìn)行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計(jì)算 機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端GPRS 接收模塊IO，也可接受接收終端的信號(hào)，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)ll處理后，由顯示 器顯示并由報(bào)警器12報(bào)警?；卤聿课灰票O(jiān)測(cè)裝置(見圖4-圖7 )是釆用 一種慢速土質(zhì)滑坡表部位移監(jiān) 測(cè)光纖光柵傳感裝置實(shí)現(xiàn)的。該裝置由中心有鋼筋的細(xì)長(zhǎng)混凝土地梁2和地梁光 纖光柵傳感器20組成。在混凝土地梁2中心的鋼筋17上粘貼串聯(lián)組成的傳感器 組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20后，埋于地下一定深度的垂直于滑坡變形方向的 地槽中?；卤聿课灰票O(jiān)測(cè)的地梁光纖光柵傳感器20輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入, 光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)器7輸入，光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場(chǎng)上 位計(jì)算機(jī)8。該裝置的地梁光纖光柵傳感器20 (見圖14)是由中心有鋼筋的細(xì)長(zhǎng) 混凝土地梁和光纖光柵傳感器組成，在混凝土地梁中心的鋼筋上粘貼串聯(lián)組成的 傳感器組封裝裸地梁光纖光柵傳感器20后，埋于地下一定深度的垂直于滑坡變形 方向的地槽中。
該裝置單通道的電原理如圖3所示，監(jiān)測(cè)滑坡深部位移的地梁光纖光柵傳感 器20的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直 接接上位計(jì)算機(jī)8的R232,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀7 SM125 的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的LAN端口接上位計(jì)算機(jī)8的LAN端口 。
該裝置的監(jiān)測(cè)原理是，當(dāng)滑坡13表面土體發(fā)生位移(變形)時(shí)，土體變形導(dǎo) 致混凝土地梁2發(fā)生變形，由于地梁2是細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，地梁2的變形以軸向伸長(zhǎng)為 主。地梁2的兩端埋設(shè)于滑坡區(qū)外的穩(wěn)定坡體中，這樣地梁2的兩端受固定約東， 可將地梁2的變形等同于簡(jiǎn)支梁的變形問題，地梁2發(fā)生伸長(zhǎng)應(yīng)變的程度和位置 就表現(xiàn)了滑坡13表部發(fā)生的變形的大小及位置。地梁2發(fā)生伸長(zhǎng)變形的程度和位 置由地梁2中鋼筋17上的鋼筋光纖光柵傳感器20的應(yīng)變值讀出。通過對(duì)應(yīng)變值 進(jìn)行二重積分，則可由光纖光柵傳感器應(yīng)變計(jì)算地梁2的撓度，這一撓度即為滑 坡表部位移。
其地梁光纖光柵傳感器20構(gòu)成如下
如圖4-圖7所示，在滑坡地表上開挖出一條深1.2m,寬lm的地槽，地槽的 延伸方向垂直于滑坡13變形方向。在地槽里澆注小石混凝土地梁2。在地梁2兩 端的非滑坡區(qū)域，開挖深1. 5m、寬lm、長(zhǎng)lm的作業(yè)坑，用于澆注混凝土地錨19, 從而固定混凝土地梁2的兩端。用焊接方式連接鋼筋17,鋼筋17的長(zhǎng)度要能跨 越監(jiān)測(cè)區(qū)的滑坡13寬度，鋼筋選用cH4mm—級(jí)圓鋼。在鋼筋17上粘貼封裝裸 地梁光纖光柵傳感器20,用泡沬密封膠密封。地梁光纖光柵傳感器20粘貼在鋼 筋17的軸向方向，以獲取鋼筋17的軸向應(yīng)變；采用串聯(lián)的方式組成傳感器組， 各地梁光纖光柵傳感器20的引纖熔接后接至連接光纖；地梁光纖光柵傳感器20可釆用等間距連接，在認(rèn)為是滑坡變形的關(guān)鍵區(qū)，可加密布置地梁光纖光柵傳感
器20。在地槽里燒注C20小石混凝土地梁2，地梁2高20cm，寬30cm。在地梁2 澆注一半高度時(shí)放置粘有地梁光纖光柵傳感器20的鋼筋17，使鋼筋17處于混凝 土地梁2的中心位置，然后繼續(xù)澆注混凝土至20cm高度。對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)后回填地 槽。澆注混凝土地錨19,地錨19內(nèi)的鋼筋籠與地梁鋼筋17良好搭接，從而實(shí)現(xiàn) 地梁2兩端固定約東。在地梁2的一端引出地梁光纖光柵傳感器20組的信號(hào)接頭; 將信號(hào)接頭與光纜5連接，通過光纜5將信號(hào)引到監(jiān)測(cè)站。
滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置如圖8所示，是滑坡13對(duì)管道14推力監(jiān)測(cè)的土 壓力盒光纖光柵傳感器4輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光柵解 調(diào)儀7輸入，光柵解調(diào)儀的輸出接現(xiàn)場(chǎng)上位計(jì)算機(jī)8。而滑坡13對(duì)管道14推力 監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器釆用光纖光柵封裝土壓力盒光纖光柵傳感器4; 土壓力盒 光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，并土壓力盒光纖光柵 傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光柵傳感 器4測(cè)量的壓力就是滑坡13對(duì)管道14的正面推力。
滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置土壓力盒光纖光柵傳感器4的構(gòu)成如圖8所示， 土壓力盒光纖光柵傳感器4通過土壓力盒支架21固定在管道14上，土壓力盒光 纖光柵傳感器4感受壓力的敏感面朝向滑坡13的滑動(dòng)方向。這樣土壓力盒光纖光 柵傳感器4測(cè)量的壓力就是滑坡13對(duì)管道14的正面推力。土壓力盒支架21由兩 塊圓弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座，土壓力盒光纖光柵傳 感器4嵌入底座中，并保持一定的裕量，使土壓力盒能自由變形。土壓力盒支架 21兩端的卡箍連接件23通過螺帽連接。當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，滑坡13對(duì)土壓力盒 的推力可通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測(cè)量，該測(cè)量值減去土壓力盒光纖光柵 傳感器4承受的土體自重壓力，即為滑坡13變形對(duì)管道14產(chǎn)生的推力。
該裝置單通道的電原理如圖3所示，滑坡13對(duì)管道14推力監(jiān)測(cè)的土壓力盒 光纖光柵傳感器4的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān) 6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232,光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解 調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的LAN端口接上位計(jì)算機(jī)8的 LAN端口。
管體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)裝置如圖9、圖10所示，是在滑坡的兩惻邊緣及滑坡的中 心位置各布置一管道監(jiān)測(cè)截面，在管道14的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面的外周均勻布置3個(gè)管 體光纖光柵傳感器3且3個(gè)管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平
15面上。管體光纖光柵傳感器3輸出接光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸入，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光
纖光柵解調(diào)儀7輸入,光纖光柵解調(diào)儀7的輸出接現(xiàn)場(chǎng)上位計(jì)算機(jī)8。
該裝置的電原理如圖3所示,管體光纖光柵傳感器3的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn) 換開關(guān)6的PC接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6的R232直接接上位計(jì)算機(jī)8的R232，光 轉(zhuǎn)換開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的CH1端，光纖光柵解調(diào)儀7 SM125的LAN端口接上位計(jì)算機(jī)8的LAN端口 。
管體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)裝置管體光纖光柵傳感器3的構(gòu)成如圖9、圖IO所示，在100 m寬的滑坡13的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監(jiān)測(cè)截面，監(jiān)測(cè)截面的 間距為50m。在管道14的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面的外周均勻布置3個(gè)管體光纖光柵傳感器 3且3個(gè)管體光纖光柵傳感器3布置在與管道14軸線垂直的平面上。安裝管體光 纖光柵傳感器3時(shí)，完全刮開管道14防腐層，并打磨管道14表面至光滑，用快 干膠3粘貼管體光纖光柵傳感器封裝24封裝好管體光纖光柵傳感器3。待三個(gè)管 體光纖光柵傳感器3全部粘貼好后，將管體光纖光柵傳感器3的引纖一并引至地 面，并進(jìn)行保護(hù)。
當(dāng)管道14軸向承受拉/壓應(yīng)力時(shí),三個(gè)管體光纖光柵傳感器3承受拉/壓應(yīng)變； 按照一定的算法，由該截面三處應(yīng)變，即可求出該管道14截面上最大應(yīng)變的大小 和位置?；阡摬膹椥岳碚摚纯汕蟪龉艿?4截面上最大的拉/壓應(yīng)力的大小。 監(jiān)測(cè)截面的選擇對(duì)監(jiān)測(cè)效果很重要。
大量的研究表明，滑坡13對(duì)管道14作用應(yīng)力關(guān)鍵表現(xiàn)在軸向上，對(duì)管道14 軸向應(yīng)力的測(cè)量就能較好地判斷管道14的可接受應(yīng)力狀態(tài)。因此，管體光纖光柵 傳感器3僅測(cè)量管道14軸向的應(yīng)變。
上述監(jiān)測(cè)裝置中
光纖光柵傳感器選用自行設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵傳感器。 光轉(zhuǎn)換開關(guān)選用光隆SUM-FSW; 光柵解調(diào)儀選用SM125。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)置在滑坡現(xiàn)場(chǎng)，包括光纖接線盒、連接光纜5、光轉(zhuǎn)換開關(guān)6、 光纖光柵解調(diào)儀7、上位計(jì)算機(jī)8、 GPRS傳輸模塊9;由各光纖光柵傳感器的光纖 接線盒和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器接到監(jiān)測(cè)站的光轉(zhuǎn)換 開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7輸出接上位計(jì) 算機(jī)8,上位計(jì)算機(jī)8輸出接GPRS傳輸模塊9。各光纖光柵傳感器的光纖接線盒 和連接光纜5將滑坡13上各個(gè)位置的光纖光柵傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站的光轉(zhuǎn)換開關(guān)6，光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵
解調(diào)儀7解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)位移量給上位計(jì)算機(jī)8,上位計(jì)算 機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸給GPRS傳輸模塊9并接受GPRS傳輸模塊9的信號(hào)進(jìn) 行控制，GPRS傳輸模塊9將上位計(jì)算機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò) 傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端，也可接受接收終端的信號(hào)，發(fā)送給下位計(jì)算機(jī)11。 其中
光轉(zhuǎn)換開關(guān)選用光隆科技SUM-FSW; 光纖光柵解調(diào)儀選用SM125; 上位計(jì)算機(jī)及程序選用研華IPC-610,程序自編； GPRS傳輸模塊西門子MC35i 位于辦公室的接收終端包括如下2個(gè)部分
(1 )GPRS接收模塊IO，用于接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站GPRS傳輸模塊9發(fā)送的監(jiān)測(cè)量， 并傳輸給終端下位計(jì)算機(jī)11,也可給現(xiàn)場(chǎng)GPRS傳輸模塊9發(fā)送反饋指令；
(2) 下位計(jì)算機(jī)ll及程序，用于下載終端GPRS接收模塊10的信號(hào)，并調(diào) 用程序進(jìn)行自動(dòng)分析，將分析結(jié)果與報(bào)警閩值進(jìn)行對(duì)比，必要的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警；
(3) 報(bào)警器12，用于當(dāng)分析結(jié)果超過報(bào)警閥值時(shí)，發(fā)生聲音警示信號(hào)；報(bào) 警器12由下位計(jì)算機(jī)11及程序控制。
該系統(tǒng)的工作原理是這樣的，當(dāng)滑坡13滑動(dòng)時(shí)，埋于滑坡13淺表部的地梁 2在承受滑坡13推力的過程中產(chǎn)生伸長(zhǎng)應(yīng)變,地梁2上的地梁光纖光柵傳感器20 感受到拉應(yīng)變，通過計(jì)算可得出地梁水平向的位移分布，即滑坡表部的水平位移 分布；滑坡13活動(dòng)過程中，管道14承受滑坡13推力而發(fā)生管體14應(yīng)變變化， 通過管體光纖光柵傳感器3測(cè)量；在管道14與滑坡13的接觸面上，滑坡13對(duì)管 道14的推力通過土壓力盒光纖光柵傳感器4測(cè)量。
通過連接光纜5,將滑坡上各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)焦廪D(zhuǎn)換開關(guān)6, 光轉(zhuǎn)換開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7,光纖光柵解調(diào)儀7解 調(diào)出各傳感器波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)位移量并傳感給上位計(jì)算機(jī)8,上位計(jì)算機(jī)8將解調(diào) 儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為各監(jiān)測(cè)量，如滑坡13的深部位移、表部位 移、管體最大應(yīng)變、界面推力等，并將監(jiān)測(cè)量發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)GPRS傳輸模塊9， GPRS 傳輸模塊9通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸給終端GPRS接收模塊10,終端GPRS 接收模塊10發(fā)送給終端下位計(jì)算機(jī)11,終端下位計(jì)算機(jī)11將各監(jiān)測(cè)量與報(bào)警閥 值對(duì)比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。其中
GPRS接收模塊10:選用西門子MC35i; 下位計(jì)算機(jī)ll及程序下位機(jī)選用研華IPC-610;程序自編。 報(bào)警器12:選用博世DS-7400。
用上述方法構(gòu)建的系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，本例易于構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn) 管道滑坡13聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。 避免了繁瑣的人工釆集數(shù)據(jù)，減少了報(bào)警時(shí)間，這對(duì)管道應(yīng)急措施的釆取至關(guān)重
權(quán)利要求1.一種基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其特征是由滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置、管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、辦公室的接收終端組成；以一定結(jié)構(gòu)形式安裝在滑坡內(nèi)或管道上的現(xiàn)場(chǎng)滑坡深部位移監(jiān)測(cè)裝置的滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置的地梁光纖光柵傳感器(20)、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置的土壓力盒光纖光柵傳感器(4)和管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置的管體光纖光柵傳感器(3)輸出分別接現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)，自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)輸出接光纖光柵解調(diào)儀(7)的輸入，光纖光柵解調(diào)儀(7)的輸出也接上位計(jì)算機(jī)(8)的輸入；上位計(jì)算機(jī)(8)的輸出接GPRS傳輸模塊(9)，由辦公室的接收終端GPRS接收模塊(10)接下位計(jì)算機(jī)(11)的輸入，下位計(jì)算機(jī)(11)的輸出接報(bào)警器(12)和顯示器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)， 其特征是該系統(tǒng)的電原理是分別監(jiān)測(cè)滑坡表部位移、滑坡對(duì)管道的推力和管道 應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器--地梁光纖光柵傳感器(20)、 土壓力盒光纖光柵傳感 器(4)、管體光纖光柵傳感器(3)的PC接頭用光纖與光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)的(PC) 接頭連接，光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)的(R232)直接接上位計(jì)算機(jī)(8)的(R232)，光轉(zhuǎn) 換開關(guān)(6)的(PC)接頭連接光纖光柵解調(diào)儀(7) SM125的(CH1)端，光纖 光柵解調(diào)儀(7 ) SM125的(LAN)端口接上位計(jì)算機(jī)(8)的(LAN)端口，上位 計(jì)算機(jī)(8 )的(R232 )端口接GPRS傳輸模塊(9 )西門子MC35i的(R232 )端口 ， GPRS傳輸模塊(9 )經(jīng)天線GSM、 GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS接收模塊(10 )天線GSM接 收后由(R232 )接到下位計(jì)算機(jī)(11)的(R232 )，下位計(jì)算機(jī)(11)的輸出由(R232) 接報(bào)警器(12) DS-7400的(R232)，下位計(jì)算機(jī)(11)的輸出由(VGA)端接顯 示器的(VGA)端；監(jiān)測(cè)滑坡表部位移、滑坡對(duì)管道的推力和管道應(yīng)變的三個(gè)光纖光柵傳感器-地梁光纖光柵傳感器(20)、 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)、管體光纖光柵傳感器 (3)的輸出信號(hào)經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀(7)光纖光柵(7)解調(diào)出各光纖光柵傳感器 的中心波長(zhǎng)位移量輸給上位計(jì)算機(jī)(8);上位計(jì)算機(jī)(8)自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸 給GPRS傳輸模塊(9)并接受GPRS傳輸模塊(9)的信號(hào)進(jìn)行控制，GPRS傳輸模 塊(9)將上位計(jì)算機(jī)(8)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k 公室的接受終端GPRS接收模塊(10),也可接受接收終端的信號(hào)，發(fā)送給下位計(jì) 算機(jī)(ll)處理后，由顯示器顯示并由報(bào)警器(12)報(bào)警。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其特征是所述滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置地梁光纖光柵傳感器(20)的構(gòu)成是在滑坡地表上開挖出 一條地槽，地槽的延伸方向垂直于滑坡(13 )變形方向； 在地槽里澆注小石混凝土地梁(2);在地梁(2)兩端的非滑坡區(qū)域，澆注固定混 凝土地梁(2)的混凝土地錨(19);混凝土地錨(19)內(nèi)的鋼筋籠與地梁鋼筋(17) 良好搭接，使地梁(2)兩端固定約東；用焊接方式連接鋼筋(17),鋼筋(17) 的長(zhǎng)度要能跨越監(jiān)測(cè)區(qū)的滑坡(13)寬度；在鋼筋(17)上粘貼封裝裸地梁光纖 光柵傳感器(20 )，用泡沬密封膠密封；地梁光纖光柵傳感器(20 )粘貼在鋼筋(17 ) 的軸向方向；采用串聯(lián)的方式組成傳感器組，各地梁光纖光柵傳感器(20)的引 纖熔接后接至連接光纖；地梁光纖光柵傳感器(20)等間距連接，在滑坡變形的 關(guān)鍵區(qū)，加密布置地梁光纖光柵傳感器(20);在地梁(2)的一端引出地梁光纖 光柵傳感器(20)組的信號(hào)接頭；將信號(hào)接頭與光纜(5)連接，通過光纜(5) 將信號(hào)引到監(jiān)測(cè)站。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)， 其特征是所述滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置土壓力盒光纖光柵傳感器(4)的構(gòu)成是土壓力盒光纖光柵傳感器(4)通過土壓力盒支架(21)固定在管道(14)上， 土壓力盒光纖光柵傳感器(4)感受壓力的敏感面朝向滑坡(13)的滑動(dòng)方向；土 壓力盒支架(21)由兩塊圓弧形鋼板卡箍組成，其中一段圓弧形鋼板上焊有底座， 土壓力盒光纖光柵傳感器U)嵌入底座中，并保持一定的裕量，使土壓力盒能自 由變形；土壓力盒支架(21)兩端的卡箍連接件(23)通過螺帽連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)， 其特征是所述管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置的管體光纖光柵傳感器(3)的構(gòu)成是在滑坡的兩側(cè)邊緣及滑坡的中心位置各布置一管道監(jiān)測(cè)截面，且監(jiān)測(cè)截面的 間距不超過60m;在管道(14)的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面的外周均勾布置3個(gè)管體光纖光 柵傳感器(3 )，且3個(gè)管體光纖光柵傳感器(3)布置在與管道(14)軸線垂直的 平面上；管體光纖光柵傳感器(3)安裝在光滑的管道(14)表面，用快干膠粘貼管 體光纖光柵傳感器封裝(24 )封裝好管體光纖光柵傳感器(3);將管體光纖光柵傳 感器(3)的引纖一并引至地面，并進(jìn)行保護(hù)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種基于光纖光柵的管道滑坡表部位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。以一定結(jié)構(gòu)形式安裝在滑坡內(nèi)或管道上的現(xiàn)場(chǎng)滑坡深部位移監(jiān)測(cè)裝置的滑坡表部位移監(jiān)測(cè)裝置的地梁光纖光柵傳感器(20)、滑坡對(duì)管道的推力監(jiān)測(cè)裝置的土壓力盒光纖光柵傳感器(4)和管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置的管體光纖光柵傳感器(3)輸出分別接現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)，自動(dòng)光轉(zhuǎn)換開關(guān)(6)輸出接光纖光柵解調(diào)儀(7)的輸入，光纖光柵解調(diào)儀(7)的輸出也接上位計(jì)算機(jī)(8)的輸入；上位計(jì)算機(jī)(8)的輸出接GPRS傳輸模塊(9)，由辦公室的接收終端GPRS接收模塊(10)接下位計(jì)算機(jī)(11)的輸入，下位計(jì)算機(jī)(11)的輸出接報(bào)警器(12)和顯示器。
文檔編號(hào)G08B21/00GK201278200SQ20082012241
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者劉建平, 荊宏遠(yuǎn), 蔡永軍, 郝建斌, 祎 郭, 陳朋超 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司