管道滑坡表部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法

专利名称：管道滑坡表部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法
技术领域：
本发明是一种基于光纤光栅的管道滑坡表部位移监测预警方法和系统及系统 的构建方法。涉及测量应力及管道系统技术领域。
背景技术：
滑坡是指构成斜坡的岩土体在重力作用下伴随其下部软弱面上的剪切作用过 程而产生整体运动现象。滑坡灾害是造成人类生命财产损失的地质灾害的主要形 式之一。长距离输油或输气管道输送距离可达数千公里，穿越众多地质地貌单元， 常不可避免地要穿过地质条件复杂的地区，如山区、冻土区等。因为选线的不充 分或管道建设诱发滑坡或地震诱发滑坡等原因，在山区敷设的管道有可能在活动 滑坡体内通过，管道的安全运营遭受这些活动滑坡的严重威胁。这些有可能要威 胁管道安全的滑坡称之为管道滑坡。
在过去四十年的管道运输历史中，以滑坡为主的地质灾害曾多次造成管道事
故。欧洲天然气管道事故数据小组(EGIG)调查的1970年到2001年的西欧管道 事故中，7%是由地质灾害导致的；美国交通部统计的1984年到2001天然气输送 数据表明，8.5%的事故是由地质灾害引起的；加拿大国家能源委员会调查显示影 响加拿大运营的管道事故的12%是地质灾害导致的。1987年3月由地震导致的巨 型滑坡使横贯厄瓜多尔管道发生40km长的断裂，停输两个星期，经济损失达7 亿美元。1995年及1996年冬天，由于华盛顿西部的特强降雨诱发滑坡，导致美 国西北输气管线三处管道发生断裂。
我国的管道工业正处在蓬勃发展之中，这些管道大多将我国西部丰富的石油 天然气输送到我国的东部，而我国的西部、西南部集中了我国大多数山地，管道 就不可避免地要穿越地质灾害严重地区。忠武输气管道忠县-宜昌409公里段处于 渝东鄂西山区，山峰层峦叠嶂、高差显著，地形、地质条件复杂，发育有多组地 质灾害易发岩层，是滑坡、危岩崩塌的频发地段。2003年建成投产的兰成渝成品 油管道兰州至广元段，构造活跃，岩性破碎，地形切割发育，投产后投入巨资用 于地质灾害防治，但2007年的调查显示威胁管道安全的地质灾害仍有530处之多。 西气东输工程干线总长约4000公里，遭受各种地质灾害严重威胁,其中查明的滑 坡灾害达39处之多。面对众多的管道滑坡灾害，我国的管道运营公司经常釆取积极的工程治理措 施，但这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 劳永逸"，设计施工的不确定因素较多，再者治理的周期长。而监测则是一种高效、 低成本的防治措施。意大利SNAM公司将监测管道作为防治滑坡灾害的主要方式， 他们对管道进行了长达三十年的监测，成功避免了大量的管道事故。我国的西气 东输、忠武线等管道投产后对滑坡也进行有效的监测。
地表绝对变形包括大地测量技术和空天技术，前者有经纬仪、测距仪、全站
仪、激光扫描技术(LIDAR),后者有全球定位系统(GPS)、合成孔径雷达干涉技 术(InSAR)等。这些技术监测滑坡的主要缺点是不能实现实时自动监测，或者如 果实现了实时自动监测，然而将贵重的自动监测仪器放置在滑坡表部是不安全的， 可能被盗或被破坏。
分布式光纤技术已应用于监测滑坡变形，有两种方式。 一种是不选任何物体 作为载体，光纤直接感受土体的变形，因为土体颗粒松散且容易大变形，这样光 纤很难与土体协调变形，且局部土体的大变形容易破坏光纤。另一种方式是选构 筑体作为载体，通过监测构筑体的变形间萝反映滑坡的变形。通常的方法是选滑 坡治理工程的构筑物作为载体，这种方法一般应用于滑坡治理工程的效果监测； 另外的方法是选取滑坡体上的已有的其他构筑物(如自上而下的阶梯)作为变形 载体，这种方法可操作性强，但监测结果难以定量计算变形。

发明内容
本发明的目的是发明一种空间分辨率高、成本低的管道滑坡表部位移监测预 警方法和系统及系统的构建方法。
本发明提出了 一种基于光纤光栅传感技术的管道滑坡表部位移监测预警方法 和系统及其构建方法。这种系统采用光纤光栅传感技术，对滑坡表部位移、滑坡 对管道的推力监测及管道应变进行监测。并构建了监测系统，实现了数据的实时 自动釆集、远程传输和自动分析。
光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG,简称光纤光栅)是近20年来
迅速发展起来的微光学元件，是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏 性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的 特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄 带的(透射或反射)滤波器或反射镜。
光纤光栅传感是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长&与光栅周期A和纤芯折射率"':〃有关，即
々= 八
FBG光纤光栅传感的基本原理是，当光栅周围的温度、应变、应力或其它待 测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的 中心波长产生位移A^，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的 变化情况。即
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式中&为应变传感灵敏度系数，^为光纤光栅温度传感灵敏度系数。
对于FBG纤芯为纯石英的情况，^为lpmAie,、为10pm/。C。光纤材质、 写入工艺和封装材料都会影响FBG的应变和温度传感灵敏度系数，应用前必须对 以上参数进行标定。
光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感 器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点l.传感头结构简单、体积小、重 量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结 构损伤等，稳定性、重复性好；2.与光纤之间存在天然的兼容性，易与光,纤连接、 光损耗低、光谱特性好、可靠性高；3.具有非传导性，对被测介质影响小，又具 有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；4.轻巧柔软，可以在一 根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实 现分布式传感；5.测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波 动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力； 6.高灵敏度、高分辩力。
与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有 l.对测量点能精确定位，分辨率高；2.成本低；3.能对传感部分进行加工、封装， 使其更适合现场的恶劣环境。
由于这些优点，在岩土工程领域中，光纤光栅传感器很容易埋入岩土体中对 其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围测量，技术优势非常明显，尤其体现 在能获得长期、可靠的岩土体变形数据。目前光纤光栅传感技术还未用于滑坡的 表部位移或深部位移监测。
本发明提出的基于光纤光栅传感技术的管道滑坡表部位移监测预警方法如图 l所示，包括对滑坡表部位移监测、滑坡对管道的推力监测及管道应变监测三部 分。滑坡表部位移监测方法是在滑坡表部地下一定深度的垂直于滑坡变形方向
埋设一细长混凝土地梁2，并地梁2两端固定约束，在混凝土地梁2中心钢筋17 的轴向方向上粘贴串联组成的传感器组封装裸地梁光纤光栅传感器20，各传感器 的引纤熔接后接至连接光纤;在地梁2的一端引出光纤光栅传感器组的信号接头; 将信号接头与光缆5连接，通过光缆5将信号引到监测站。在监测站，上位计算 机8调用自编的程序，控制光纤光栅解调仪7，完成数据的实时自动采集；实现 在土体变形导致细长混凝土地梁2发生变形时，监测地梁伸长变形的程度和位置。 其中
地梁光纤光栅传感器20粘贴在钢筋的轴向方向，是为获取钢筋的轴向应变； 地梁光纤光栅传感器20可采用等间距连接，在认为是滑坡13变形的关键区， 加密布置传感器。
而滑坡表部位移对管道产生的影响，则还需测滑坡对管道的推力及管道的应变。
滑坡对管道的推力监测方法是用固定在管道上的封装土压力盒光纤光栅传 感器气测压力；土压力盒光纤光栅传感器4通过土压力盒支架21固定在管道14 上，并土压力盒光纤光栅传感器4感受压力的敏感面朝向滑坡13的滑动方向。这 样土压力盒光纤光栅传感器4测量的压力就是滑坡13对管道l4的正面推力。
管道应变监测方法是:在滑坡13的两侧边缘及滑坡的中心位置的管道14上， 均匀布置管道监测截面，且监测截面的间距不宜超过60m;在管道14的每个监测 截面上均匀布置3个管体光纤光栅应变传感器3,监测管道14轴向的应变。
大量的研究表明，滑坡13对管道14作用应力关键表现在轴向上，对管道14 轴向应力的测量就能较好地判断管道14的可接受应力状态。因此管体光纤光栅应 变传感器3仅测量管道轴向的应变，基于钢材弹性理论，已知应变就可求出应力。
按照上述的方法构建的管道滑坡表部位移监测预警系统电原理框图如图2所 示，是由滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道应变监测装 置、现场监测站、办公室的接收终端组成。以一定结构形式安装在滑坡内或管道 上的现场滑坡表部位移监测装置的地梁应变光纤光栅传感器20、滑坡对管道的推 力监测装置的土压力盒应变光纤光栅传感器4和管道应变监测装置的管体应变光 纤光栅传感器3输出分别接现场监测站的自动光转换开关6，自动光转换开关6 输出接光纤光栅解调仪7的输入，另外上位计算机8的一端输出接自动光转换开 关6的一端输入；光纤光栅解调仪7的输出也接上位计算机8的输入；上位计算机8的输出接GPRS传输模块9，由办公室的接收终端GPRS接收模块10接下位计 算机11的输入，下位计算机11的输出接报警器12和显示器。
该系统的电原理如图3所示，分别监测滑坡表部位移、滑坡对管道的推力和 管道应变的三个光纤光栅传感器--地梁光纤光栅传感器20、 土压力盒光纤光栅传 感器4、管体光纤光栅传感器3的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接， 光转换开关6的R232直接接上位计算机8的R232，光转换开关6的PC接头连接 光纤光栅解调仪7 SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7 SM125的LAN端口接上位 计算机8的LAN端口 ，上位计算机8的R232端口接GPRS传输模块9西门子MC35i 的R232端口， GPRS传输模块9经天线GSM、 GPRS网络，被GPRS接收模块10天 线GSM接收后由R232接到下位计算机11的R232,下位计算机11的输出由R232 接报警器12 DS-7400的R232，下位计算机11的输出由VGA端接显示器的VGA端。
监测滑坡表部位移、滑坡对管道的推力和管道应变的三种光纤光栅传感器的 输出信号经逐一导通给光纤光栅解调仪7,光纤光栅解调仪7解调出各光纤光栅 传感器的中心波长位移量输给上位计算机8,光转换开关6给光纤光栅解调仪7 导通信号的周期由上位计算机8控制,。上位计算机8自动计算出各监测量输给 GPRS传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进行控制，GPRS传输模块9将上 位计算机8计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端 GPRS接收模块IO，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机ll处理后，由 显示器显示并由报警器12报警。
滑坡表部位移监测系统的构成如图4-图7所示。该装置由中心有钢筋的细长 混凝土地梁2和地梁光纤光栅传感器20组成。在混凝土地梁2中心的钢筋17上 粘贴串联组成的传感器组封装裸地梁光纤光栅传感器20 (见图7)后，埋于地下
一定深度的垂直于滑坡变形方向的地槽中。滑坡表部位移监测的地梁光纤光栅传 感器20输出接光转换开关6输入，光转换开关6输出接光纤光栅解调器7输入， 光纤光栅解调仪7的输出接现场上位计算机8。该装置的地梁光纤光栅传感器20 是由中心有钢筋的细长混凝土地梁和光纤光栅传感器组成，在混凝土地梁中心的 钢筋上粘贴串联组成的传感器组封装裸地梁光纤光栅传感器20后，埋于地下一定 深度的垂直于滑坡变形方向的地槽中。
构建方法是在滑坡地表上开挖出一条地槽，地槽的延伸方向垂直于滑坡13 变形方向。在地槽里浇注小石混凝土地梁2。在地梁2两端的非滑坡区域，开挖 作业坑，用于浇注混凝土地锚19,从而固定混凝土地梁2的两端。用焊接方式连
9接钢筋17,钢筋17的长度要能跨越监测区的滑坡13宽度。在钢筋17上粘贴封
装裸地梁光纤光栅传感器20，用泡沬密封胶密封。地梁光纤光栅传感器20粘贴 在钢筋17的轴向方向，以获取钢筋17的轴向应变；釆用串联的方式组成传感器 组，各地梁光纤光栅传感器20的引纤熔接后接至连接光纤；地梁光纤光栅传感器 20可釆用等间距连接，在认为是滑坡变形的关键区，可加密布置地梁光纤光栅传 感器20。在地梁2浇注一半高度时放置粘有地梁光纤光栅传感器20的钢筋17， 使钢筋17处于混凝土地梁2的中心位置，然后继续浇注另 一半混凝土。对混凝土 养护后回填地槽。浇注混凝土地锚19,地锚19内的钢筋笼与地梁钢筋17良好搭 接，从而实现地梁2两端固定约東。在地梁2的一端引出地梁光纤光栅传感器20 组的信号接头；将信号接头与光缆5连接，通过光缆5将信号引到监测站。
该装置的监测原理是(如图6、图7所示)，当滑坡13表面土体发生位移(变 形)时，土体变形导致混凝土地梁2发生变形，由于地梁2是细长构件，地梁2 的变形以轴向伸长为主。地梁2的两端埋设于滑坡区外的稳定坡体中，这样地梁 2的两端受固定约束，可将地梁2的变形等同于简支梁的变形问题，地梁2发生 伸长应变的程度和位置就表现了滑坡13表部发生的变形的大小及位置。地梁2 发生伸长变形的程度和位置由地梁2中钢筋17上的钢筋光纤光栅传感器20的应 变值读出。通过对应变值进行二重积分，则可由光纤光栅传感器应变计算地梁2 的挠度，这一挠度即为滑坡表部位移。
滑坡对管道的推力监测装置的构成如图8所示，是滑坡13对管道14推力监 测的土压力盒光纤光栅传感器4输出接光转换开关6输入，光转换开关6输出接 光栅解调仪7输入，光栅解调仪的输出接现场上位计算机8。而滑坡13对管道14 推力监测的光纤光栅传感器釆用光纤光栅封装土压力盒光纤光栅传感器4; 土压 力盒光纤光栅传感器4通过土压力盒支架21固定在管道14上，并土压力盒光纤 光栅传感器4感受压力的敏感面朝向滑坡13的滑动方向。这样土压力盒光纤光栅 传感器3测量的压力就是滑坡13对管道14的正面推力。
该装置单通道的电原理如图3所示，滑坡13对管道14推力监测的土压力盒 光纤光栅传感器4的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接，光转换开关 6的R232直接接上位计算机8的R232,光转换开关6的PC接头连接光纤光栅解 调仪7 SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7 SM125的LAN端口接上位计算机8的 L認端口。
滑坡对管道的推力监测装置的构建方法如图8所示，土压力盒光纤光栅传感器4通过土压力盒支架21固定在管道14上，土压力盒光纤光栅传感器4感受压 力的敏感面朝向滑坡13的滑动方向。这样土压力盒光纤光栅传感器4测量的压力 就是滑坡13对管道14的正面推力。土压力盒支架21由两块圆弧形钢板卡箍组成, 其中一段圆弧形钢板上焊有底座，土压力盒光纤光栅传感器4嵌入底座中，并保 持一定的裕量，使土压力盒能自由变形。土压力盒支架21两端的卡箍连接件23 通过螺帽连接。当滑坡13滑动时，滑坡13对土压力盒的推力可通过土压力盒光 纤光栅传感器4测量，该测量值减去土压力盒光纤光栅传感器4承受的土体自重 压力，即为滑坡13变形对管道14产生的推力。
管体应力的监测装置的构成如图9、

图10所示，是在滑坡的两侧边缘及滑坡 的中心位置各布置一管道监测截面，在管道14的每个监测截面的外周均匀布置3 个管体光纤光栅传感器3且3个管体光纤光栅传感器3布置在与管道14轴线垂直 的平面上。管体光纤光栅传感器3输出接光转换开关6输入，光转换开关6输出 接光纤光栅解调仪7输入，光纤光栅解调仪7的输出接现场上位计算机8。
该装置单通道的电原理如图3所示，管体光纤光栅传感器3的PC接头用光纤 与光转换开关6的PC接头连接，光转换开关6的R232直接接上位计算机8的R232， 光转换开关6的PC接头连接光纤光栅解调仪7 SM125的CH1端，光纤光栅解调仪 7 SM125的LAN端口接上位计算机8的LAN端口 。
管体应力的监测装置的构建方法如图9、图10所示，在滑坡的两侧边缘及滑 坡的中心位置各布置一管道监测截面，且监测截面的间距不宜超过60m。在管道 14的每个监测截面的外周均匀布置3个管体光纤光栅传感器3且3个管体光纤光 栅传感器3布置在与管道14轴线垂直的平面上。安装管体光纤光栅传感器3时， 完全刮开管道14防腐层，并打磨管道14表面至光滑，用快干胶3粘贴管体光纤 光栅传感器封装24封装好管体光纤光栅传感器3。待三个管体光纤光栅传感器3 全部粘贴好后，将管体光纤光栅传感器3的引纤一并引至地面，并进行保护。
当管道14轴向承受拉/压应力时，三个管体光纤光栅传感器3承受拉/压应变； 按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求出该管道14截面上最大应变的大小 和位置。基于钢材弹性理论，即可求出管道14截面上最大的拉/压应力的大小。 监测截面的选择对监测效果很重要。
大量的研究表明，滑坡13对管道14作用应力关键表现在轴向上，对管道14 轴向应力的测量就能较好地判断管道14的可接受应力状态。因此，管体光纤光栅 传感器3仅测量管道14轴向的应变。现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、连接光缆5、光转换开关6、
光纤光栅解调仪7、上位计算机8、 GPRS传输模块9;由各光纤光栅传感器的光纤 接线盒和连接光缆5将滑坡13上各个位置的光纤光栅传感器接到监测站的光转换 开关6,光转换开关6输出接光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7输出接上位计 算机8，上位计算机8输出接GPRS传输模块9。各光纤光栅传感器的光纤接线盒 和连接光缆5将滑坡13上各个位置的光纤光栅传感器信号集中传输到监测站的光 转换开关6，光转换开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅 解调仪7解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量给上位计算机8，上位计算 机8自动计算出各监测量输给GPRS传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进 行控制，GPRS传输模块9将上位计算机8计算的各监测量通过公众无线通信网络 传输到位于办公室的接受终端，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机11。 其中
光转换开关6:由于监测滑坡和管道的光纤光栅传感器很多，信号通道众多， 无法一次连接到光纤光栅解调仪7上，用光特换开关6将各通道信号依次转换给 光纤光栅解调仪7分析；该光转换开关6选用巿销产品；
光纤光栅解调仪7:用于解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量；选用 巿销产品；
上位计算机8及程序用于控制光纤光栅解调仪7解调的频率，并将光纤光 栅解调仪7解调出的中心波长位移量自动计算出各监测量，如滑坡的深部位移、 表部位移、管体最大应变等，将监测量发送给GPRS传输模块9，并接受GPRS传 输模块9的信号进行控制；上位计算机8选用巿销产品，程序自编；
GPRS传输模块9:用于将上位计算机8计算的各监测量通过公众无线通信网 络传输到位于办公室的接受终端，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机 11。
位于办公室的接收终端包括如下2个部分
1) GPRS接收模块IO,用于接收现场监测站GPRS传输模块9发送的监测量， 并传输给终端下位计算机11，也可给现场GPRS传输模块9发送反馈指令；
2) 下位计算机ll及程序，用于下载终端GPRS接收模块10的信号，并调用 程序进行自动分析，将分析结果与报警阀值进行对比，必要的时候实施报警；
3) 报警器12，用于当分析结果超过报警阀值时，发生声音警示信号；报警
12器12由下位计算机11及程序控制。
该系统的工作原理是这样的，当滑坡13滑动时，埋于滑坡13浅表部的地梁
2在承受滑坡13推力的过程中产生伸长应变,地梁2上的地梁光纤光栅传感器20 感受到拉应变，通过计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活动过程中，管道14承受滑坡13推力而发生管体14应变变化， 通过管体光纤光栅传感器3测量；在管道14与滑坡13的接触面上，滑坡13对管 道14的推力通过土压力盒光纤光栅传感器4测量。
通过连接光缆5,将滑坡上各个位置的传感器信号集中传输到光转换开关6, 光转换开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7,光纤光栅解调仪7解 调出各传感器波长中心波长位移量并传感给上位计算机8，上位计算机8将解调 仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，如滑坡13的深部位移、表部位 移、管体最大应变、界面推力等，并将监测量发送给现场GPRS传输模块9， GPRS 传输模块9通过公众无线通信网络将信号传输给终端GPRS接收模块10,终端GPRS 接收模块IO发送给终端下位计算机11，终端下位计算机11将各监测量与报警阀 值对比，必要的时候给出报警。
本方法和系统及系统的构建方法的优点表现在
1) 提出对滑坡13表部位移及其影响下管道14进行联合监测的方法，揭示了 滑坡13和管道14的相互作用特点；用多指标进行滑坡13影响下的管道14的安 全预警，极大避免了管道14滑坡监测预警中的不确定性或错误预警；
2) 将光纤光栅传感技术应用于管道滑坡13的系统监测，该技术抗干扰、耐 腐蚀、易于组网等有时明显；通过构筑特定的载体，实现了用光纤光栅传感技术 监测滑坡深部位移和表部位移，与传统的监测滑坡表部位移的技术手段相比，光 纤光栅传感技术易于实现自动实时监测，空间分辨率高，且成本较低；
3) 管道应变监测，是在每个监测截面均勻安装3个传感器，通过特定的算法 得出该监测截面的最大应变分布，用最少的监测点实现了监测目的，节约了成本， 也减少的安装时间及对管道的损伤；
4) 所有的监测量均通过光纤光栅传感技术来实现，易于构建监测系统，易于
实现管道滑坡联合监测数据的实时自动釆集分析及远程发布,远程实时自动报警； 避免了繁瑣的人工釆集数据，减少了报警时间，这对管道应急措施的釆取至关重 要。
附图说图1管道滑坡表部位移监测预警系统构成示意图 图2滑坡表部位移监测系统原理框图 图3滑坡表部位移监测系统电原理图 图4滑坡表部位移监测装置结构图
图5地梁结构图(横剖视图) 图6滑坡表部位移监测装置安装示意图 图7光纤光栅传感器在地梁钢筋上的安装图 图8土压力传感器示意图 图9管体应力的监测装置示意图(横断面图) 图IO管体应力的监测装置示意图 其中 2—地梁
3—管体光纤光栅传感器
5—光缆
7—光纤光栅^调仪
9一GPRS传输模块 ll一下位计算机 13-滑坡 15-滑动面 18-边坡
21-土压力盒支架 23-卡箍连接件
4一土压力盒光纤光栅传感器 6—光转换开关 8—上位计算机 IO—GPRS接收模块 12-报警器 14-管道 17-钢筋
20-地梁光纤光栅传感器 22-支架卡箍
24-管体光纤光栅传感器封装
具体实施例方式
实施例.本例是一试验方法和系统，并在一宽300m、滑坡厚29m、基覆截面即 为滑面的覆盖层慢速滑坡体上作试验。本管道滑坡表部位移监测预警系统如图2 所示，是由滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装置、管道应变监测 装置、现场监测站、办公室的接收终端组成。以一定结构形式安装在滑坡内的现 场滑坡表部位移监测装置的地梁应变光纤光栅传感器20、滑坡对管道的推力监测
14装置的土压力盒应变光纤光栅传感器4和管道应变监测装置的管体应变光纤光栅
传感器3输出分别接现场监测站的自动光转换开关6，自动光转换开关6输出接 光纤光栅解调仪7的输入，另外上位计算机8的一端输出接自动光转换开关6的 一端输入；光纤光栅解调仪7的输出也接上位计算机8的输入；上位计算机8的 输出接GPRS传输模块9,由办公室的接收终端GPRS接收模块10接下位计算机11 的输入，下位计算机ll的输出接报警器12和显示器。
该系统的电原理如图3所示，分别监测滑坡表部位移、滑坡对管道的推力和 管道应变的三个光纤光栅传感器一地梁光纤光栅传感器20、 土压力盒光纤光栅传 感器4、管体光纤光栅传感器3的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接， 光转换开关6的R232直接接上位计算机8的R232，光转换开关6的PC接头连接 光纤光栅解调仪7 SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7 SM125的LAN端口接上位 计算机8的LAN端口 ，上位计算机8的R232端口接GPRS传输模块9西门子MC35i 的R232端口， GPRS传输模块9经天线GSM、 GPRS网络，被GPRS接收模块10天 线GSM接收后由R232接到下位计算机11的R232,下位计算机11的输出由R232 接报警器12 DS-7400的R232，下位计算机11的输出由VGA端接萆示器的VGA端。
监测滑坡表部位移、滑坡对管道的推力和管道应变的三种光纤光栅传感器的 输出信号经逐一导通给光纤光栅解调仪7,光纤光栅解调仪7解调出各光纤光栅 传感器的中心波长位移量输给上位计算机8,光转换开关6给光纤光栅解调仪7 导通信号的周期由上位机8控制。上位计算机8自动计算出各监测量输给GPRS 传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进行控制，GPRS传输模块9将上位计 算机8计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端GPRS 接收模块IO，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机ll处理后，由显示 器显示并由报警器12报警。
滑坡表部位移监测装置(见图4-图7)是釆用一种慢速土质滑坡表部位移监 测光纤光栅传感装置实现的。该装置由中心有钢筋的细长混凝土地梁2和地梁光 纤光栅传感器20组成。在混凝土地梁2中心的钢筋17上粘贴串联组成的传感器 组封装裸地梁光纤光栅传感器20后，埋于地下一定深度的垂直于滑坡变形方向的 地槽中。滑坡表部位移监测的地梁光纤光栅传感器20输出接光转换开关6输入， 光转换开关6输出接光纤光栅解调器7输入，光纤光栅解调仪7的输出接现场上 位计算机8。该装置的地梁光纤光栅传感器20 (见图14 )是由中心有钢筋的细长 混凝土地梁和光纤光栅传感器组成，在混凝土地梁中心的钢筋上粘贴串联组成的传感器组封装裸地梁光纤光栅传感器20后，埋于地下一定深度的垂直于滑坡变形 方向的地槽中。
该装置单通道的电原理如图3所示，监测滑坡深部位移的地梁光纤光栅传感
器20的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接，光转换开关6的R232直 接接上位计算机8的R232，光转换开关6的PC接头连接光纤光栅解调仪7 SM125 的CH1端，光纤光栅解调仪7 SM125的LAN端口接上位计算机8的LAN端口。
该装置的监测原理是，当滑坡13表面土体发生位移(变形)时，土体变形导 致混凝土地梁2发生变形，由于地梁2是细长构件，地梁2的变形以轴向伸长为 主。地梁2的两端埋设于滑坡区外的稳定坡体中，这样地梁2的两端受固定约東， 可将地梁2的变形等同于简支梁的变形问题，地梁2发生伸长应变的程度和位置 就表现了滑坡13表部发生的变形的大小及位置。地梁2发生伸长变形的程度和位 置由地梁2中钢筋17上的钢筋光纤光栅传感器20的应变值读出。通过对应变值 进行二重积分，则可由光纤光栅传感器应变计算地梁2的挠度，这一挠度即为滑 坡表部位移。
其构建方法如下
如图4-图7所示，在滑坡地表上开挖出一条深1.2m,宽lm的地槽，地槽的 延伸方向垂直于滑坡13变形方向。在地槽里浇注小石混凝土地梁2。在地梁2两 端的非滑坡区域，开挖深1.5m、宽lm、长lm的作业坑，用于浇注混凝土地锚19, 从而固定混凝土地梁2的两端。用焊接方式连接钢筋17,钢筋17的长度要能跨 越监测区的滑坡13宽度，钢筋选用cH4mm—级圆钢。在钢筋17上粘贴封装裸 地梁光纤光栅传感器20，用泡沬密封胶密封。地梁光纤光栅传感器20粘贴在钢 筋17的轴向方向，以获取钢筋17的轴向应变；采用串联的方式组成传感器组， 各地梁光纤光栅传感器20的引纤熔接后接至连接光纤；地梁光纤光栅传感器20 可采用等间距连接，在认为是滑坡变形的关键区，可加密布置地梁光纤光栅传感 器20。在地槽里浇注C20小石混凝土地梁2，地梁2高20cm,宽30cm。在地梁2 浇注一半高度时放置粘有地梁光纤光栅传感器20的钢筋17，使钢筋17处于混凝 土地梁2的中心位置，然后继续浇注混凝土至20cm高度。对混凝土养护后回填地 槽。浇注混凝土地锚19,地锚19内的钢筋笼与地梁钢筋17良好搭接，从而实现 地梁2两端固定约束。在地梁2的一端引出地梁光纤光栅传感器20组的信号接头； 将信号接头与光缆5连接，通过光缆5将信号引到监测站。
滑坡对管道的推力监测装置如图8所示，是滑坡13对管道14推力监测的土压力盒光纤光栅传感器4输出接光转换开关6输入，光转换开关6输出接光栅解
调仪7输入，光栅解调仪的输出接现场上位计算机8。而滑坡13对管道14推力 监测的光纤光栅传感器采用光纤光栅封装土压力盒光纤光栅传感器4; 土压力盒 光纤光栅传感器4通过土压力盒支架21固定在管道14上，并土压力盒光纤光栅 传感器4感受压力的敏感面朝向滑坡13的滑动方向。这样土压力盒光纤光栅传感 器4测量的压力就是滑坡13对管道14的正面推力。
滑坡对管道的推力监测装置的构建方法如图8所示，土压力盒光纤光栅传感 器4通过土压力盒支架21固定在管道14上，土压力盒光纤光栅传感器4感受压 力的敏感面朝向滑坡13的滑动方向。这样土压力盒光纤光栅传感器4测量的压力 就是滑坡13对管道14的正面推力。土压力盒支架21由两块圆弧形钢板卡箍组成， 其中一段圆弧形钢板上焊有底座，土压力盒光纤光栅传感器4嵌入底座中，并保 持一定的裕量，使土压力盒能自由变形。土压力盒支架21两端的卡箍连接件23 通过螺帽连接。当滑坡13滑动时，滑坡13对土压力盒的推力可通过土压力盒光 纤光栅传感器4测量，该测量值减去土压力盒光纤光栅传感器4承受的土体自重 压力，即为滑坡13变形对管道14产生的推为。
该装置单通道的电原理如图3所示，滑坡13对管道14推力监测的土压力盒 光纤光栅传感器4的PC接头用光纤与光转换开关6的PC接头连接，光转换开关 6的R232直接接上位计算机8的R232，光转换开关6的PC接头连接光纤光栅解 调仪7 SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7 SM125的L緒端口接上位计算机8的 LAN端口。
管体应力的监测装置如图9、图10所示，是在滑坡的两侧边缘及滑坡的中 心位置各布置一管道监测截面，在管道14的每个监测截面的外周均匀布置3个管 体光纤光栅传感器3且3个管体光纤光栅传感器3布置在与管道14轴线垂直的平 面上。管体光纤光栅传感器3输出接光转换开关6输入，光转换开关6输出接光 纤光栅解调仪7输入，光纤光栅解调仪7的输出接现场上位计算机8。
该装置的电原理如图3所示,管体光纤光栅传感器3的PC接头用光纤与光转 换开关6的PC接头连接，光转换开关6的R232直接接上位计算机8的R232，光 转换开关6的PC接头连接光纤光栅解调仪7 SM125的CH1端，光纤光栅解调仪7 SM125的LAN端口接上位计算机8的LAN端口。
管体应力的监测装置的构建方法如图9、图10所示，在100 m宽的滑坡13 的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一管道监测截面，监测截面的间距为50m。
17在管道14的每个监测截面的外周均匀布置3个管体光纤光栅传感器3且3个管体 光纤光栅传感器3布置在与管道14轴线垂直的平面上。安装管体光纤光栅传感器 3时，完全刮开管道14防腐层，并打磨管道14表面至光滑，用快干胶3粘贴管 体光纤光栅传感器封装24封装好管体光纤光栅传感器3。待三个管体光纤光栅传 感器3全部粘贴好后，将管体光纤光栅传感器3的引纤一并引至地面，并进行保 护。
当管道14轴向承受拉/压应力时，三个管体光纤光栅传感器3承受拉/压应变； 按照一定的算法，由该截面三处应变，即可求出该管道14截面上最大应变的大小 和位置。基于钢材弹性理论，即可求出管道14截面上最大的拉/压应力的大小。 监测截面的选择对监测效果很重要。
大量的研究表明，滑坡13对管道14作用应力关键表现在轴向上，对管道14 轴向应力的测量就能较好地判断管道14的可接受应力状态。因此，管体光纤光栅. 传感器3仅测量管道14轴向的应变。
上述监测装置中
光纤光栅传感器选用自行设计封装的光纤光栅传感器。 光转换开关选用光隆SUM-FSW; 光栅解调仪选用SM125。'
现场监测站设置在滑坡现场，包括光纤接线盒、连接光缆5、光转换开关6、 光纤光栅解调仪7、上位计算机8、 GPRS传输模块9;由各光纤光栅传感器的光纤 接线盒和连接光缆5将滑坡13上各个位置的光纤光栅传感器接到监测站的光转换 开关6，光转换开关6输出接光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7输出接上位计 算机8,上位计算机8输出接GPRS传输模块9。各光纤光栅传感器的光纤接线盒 和连接光缆5将滑坡13上各个位置的光纤光栅传感器信号集中传输到监测站的光 转换开关6，光转换开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅 解调仪7解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量给上位计算机8，上位计算 机8自动计算出各监测量输给GPRS传输模块9并接受GPRS传输模块9的信号进 行控制，GPRS传输模块9将上位计算机8计算的各监测量通过公众无线通信网络 传输到位于办公室的接受终端，也可接受接收终端的信号，发送给下位计算机11。
其中
光转换开关选用光隆科技SIM-FSW; 光纤光栅解调仪选用SM125;上位计算机及程序选用研华IPC-610,程序自编； GPRS传输模块西门子MC35i 位于办公室的接收终端包括如下2个部分
(1 )GPRS接收模块IO,用于接收现场监测站GPRS传输模块9发送的监测量, 并传输给终端下位计算机11,也可给现场GPRS传输模块9发送反馈指令；
(2) 下位计算机ll及程序，用于下载终端GPRS接收模块10的信号，并调 用程序进行自动分析，将分析结果与报警阀值进行对比，必要的时候实施报警；
(3) 报警器12，用于当分析结果超过报警阀值时，发生声音警示信号；报 警器12由下位计算机11及程序控制。
该系统的工作原理是这样的，当滑坡13滑动时，埋于滑坡13深部的测斜管 1受滑坡13 土体推力而发生弯曲应变，测斜管1上的测斜管光纤光栅传感器16 感受到拉应变，通过计算可得出测斜管上的水平位移，即滑坡13深部的水平位移; 埋于滑坡13浅表部的地梁2在承受滑坡13推力的过程中产生伸长应变，地梁2 上的地梁光纤光栅传感器20感受到拉应变,通过计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活动过程中，管道14承受滑坡13推力 而发生管体14应变变化，通过管体光纤光栅传感器3测量；在管道14与滑坡13 的接触面上，滑坡13对管道14的推力通过土压力盒光纤光栅传感器4测量。
通过连接光缆5，将滑坡上各个位置的传感器信号集中传输到光转换开关6， 光转换开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7,光纤光栅解调仪7解 调出各传感器波长中心波长位移量并传感给上位计算机8，上位计算机8将解调 仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，如滑坡13的深部位移、表部位 移、管体最大应变、界面推力等，并将监测量发送给现场GPRS传输模块9， GPRS 传输模块9通过公众无线通信网络将信号传输给终端GPRS接收模块10,终端GPRS 接收模块IO发送给终端下位计算机11，终端下位计算机11将各监测量与报警阀 值对比，必要的时候给出报警。
其中
GPRS接收模块10:选用西门子MC35i; 下位计算机ll及程序下位机选用研华IPC-610;程序自编。 报警器12:选用博世DS-7400。
用上述方法构建的系统在进行监测时，若滑坡13滑动，埋于滑坡13浅表部 的地梁2在承受滑坡13推力的过程中产生伸长应变，地梁2上的地梁光纤光栅传感器20感受到拉应变，通过计算可得出地梁2水平向的位移分布，即滑坡13表
部的水平位移分布；滑坡13活动过程中，管道14承受滑坡13推力而发生管体 14应变变化，通过管体光纤光栅传感器3测量；在管道14与滑坡13的接触面上， 滑坡13对管道14的推力通过封装土压力盒光纤光栅传感器4测量；由此，就可 完整地测量出管道14上所受到的各种应力。
经长时间的监测，本例易于构建监测系统，易于实现管道滑坡13联合监测数 据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警。避免了繁瑣的人工釆集 数据，减少了报警时间，这对管道应急措施的采取至关重要。
权利要求
1.一种管道滑坡表部位移监测预警方法，其特征是将监测分为滑坡表部位移监测、滑坡对管道的推力监测及管道应变监测三部分滑坡表部位移监测方法是在滑坡(13)表部地下一定深度的垂直于滑坡(13)变形方向埋设一细长混凝土地梁(2)，并地梁(2)两端固定约束，在混凝土地梁(2)中心钢筋(17)的轴向方向上粘贴串联组成的传感器组封装裸地梁光纤光栅传感器(20)，各传感器的引纤熔接后接至连接光纤；在地梁(2)的一端引出光纤光栅传感器组的信号接头；将信号接头与光缆(5)连接，通过光缆(5)将信号引到监测站；在监测站，上位计算机(8)调用自编的程序，控制光纤光栅解调仪(17)，完成数据的实时自动采集；实现在土体变形导致细长混凝土地梁(2)发生变形时，监测地梁(2)伸长变形的程度和位置；滑坡对管道的推力监测方法是用固定在管道(14)上的封装土压力盒光纤光栅传感器(4)并土压力盒光纤光栅传感器(4)感受压力的敏感面朝向滑坡(13)的滑动方向测压力；这样土压力盒光纤光栅传感器(4)测量的压力就是滑坡(13)对管道的正面推力；管道应变监测方法是在滑坡(13)的两侧边缘及滑坡的中心位置的管道(14)上，均匀布置管道(14)监测截面，且监测截面的间距不宜超过60m；在管道(14)的每个监测截面上均匀布置3个管体应变光纤光栅传感器(3)，监测管道(14)轴向的应变。
2. —种如权利要求1所述管道滑坡表部位移监测预警方法的管道滑坡表部位 移监测预警系统，其特征是由滑坡表部位移监测装置、滑坡对管道的推力监测装 置、管道应变监测装置、现场监测站、办公室的接收终端组成；以一定结构形式 安装在滑坡内或管道上的现场滑坡深部位移监测装置的滑坡表部位移监测装置的 地梁光纤光栅传感器(20)、滑坡对管道的推力监测装置的土压力盒光纤光栅传感 器(4)和管道应变监测装置的管体光纤光栅传感器(3)输出分别接现场监测站 的自动光转换开关(6)，自动光转换开关(6)输出接光纤光栅解调仪(7)的输 入，光纤光栅解调仪(7)的输出也接上位计算机(8)的输入；上位计算机(8) 的输出接GPRS传输模块(9)，由办公室的接收终端GPRS接收模块(10)接下位 计算机(11)的输入，下位计算机(11)的输出接报警器(12)和显示器。
3. 根据权利要求2所述的管道滑坡表部位移监测预警系统，其特征是该系统 的电原理是分别监测滑坡表部位移、滑坡对管道的推力和管道应变的三个光纤 光栅传感器--地梁光纤光栅传感器(20)、 土压力盒光纤光栅传感器(4)、管体光纤光栅传感器(3)的PC接头用光纤与光转换开关(6)的(PC)接头连接，光转 换开关(6)的(R232)直接接上位计算机(8)的(R232 ),光转换开关(6)的 (PC)接头连接光纤光栅解调仪(7) SM125的(CH1)端，光纤光栅解调仪(7 ) SM125的(LAN)端口接上位计算机(8)的(LAN)端口，上位计算机(8 )的(R232 ) 端口接GPRS传输模块(9)西门子MC35i的(R232 )端口， GPRS传输模块(9) 经天线GSM、 GPRS网络，被GPRS接收模块(10 )天线GSM接收后由(R232 )接到 下位计算机U1)的(R232 ),下位计算机(ll)的输出由(R232 )接报警器U2) DS- 400的(R232)，下位计算机(11)的输出由(VGA)端接显示器的(VGA)端；监测滑坡表部位移、滑坡对管道的推力和管道应变的三个光纤光栅传感器-地梁光纤光栅传感器(20)、 土压力盒光纤光栅传感器U)、管体光纤光栅传感器 (3 )的输出信号经光纤光栅解调仪(7 )光纤光栅(7 )解调出各光纤光栅传感器 的中心波长位移量输给上位计算机(8);上位计算机(8)自动计算出各监测量输 给GPRS传输模块(9)并接受GPRS传输模块(9)的信号进行控制，GPRS传输模 块(9)将上位计算机(8)计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办 公室的接受终端GPRS接收模块(10),也可接受接收终端的信号，发^给下位计 算机(ll)处理后，由显示器显示并由报警器(12)报警。
4. 一种如权利要求2所述管道滑坡表部位移监测预警系统的管道滑坡表部位 移监测预警系的构建方法，其特征是其构建方法如下滑坡表部位移监测装置的构建方法是在滑坡地表上开挖出 一条地槽，地槽的延伸方向垂直于滑坡(13)变形方向； 在地槽里浇注小石混凝土地梁(2);在地梁(2)两端的非滑坡区域，浇注固定混 凝土地梁(2 )的混凝土地锚(19 );混凝土地锚(19 )内的钢筋笼与地梁钢筋(17 ) 良好搭接，使地梁(2)两端固定约束；用焊接方式连接钢筋(17)，钢筋(17) 的长度要能跨越监测区的滑坡(13)宽度；在钢筋(17)上粘贴封装裸地梁光纤 光栅传感器(20 ),用泡沬密封胶密封；地梁光纤光栅传感器(20 )粘贴在钢筋(17 ) 的轴向方向；釆用串联的方式组成传感器组，各地梁光纤光栅传感器(20)的引 纤熔接后接至连接光纤；地梁光纤光栅传感器(20)等间距连接，在滑坡变形的 关键区，加密布置地梁光纤光栅传感器(20);在地梁(2)的一端引出地梁光纤 光栅传感器(20)组的信号接头；将信号接头与光缆(5)连接，通过光缆(5) 将信号引到监测站；滑坡对管道的推力监测装置的构建方法是土压力盒光纤光栅传感器(4)通过土压力盒支架(21)固定在管道(14 )上, 土压力盒光纤光栅传感器(4)感受压力的敏感面朝向滑坡(13)的滑动方向；土 压力盒支架(21)由两块圆弧形钢板卡箍组成，其中一段圆弧形钢板上焊有底座， 土压力盒光纤光栅传感器(4)嵌入底座中，并保持一定的裕量，使土压力盒能自 由变形；土压力盒支架(21)两端的卡箍连接件(23)通过螺帽连接；管体应力监测装置的构建方法是在滑坡的两侧边缘及滑坡的中心位置各布置一管道监测截面，且监测截面的 间距不宜超过60m;在管道(14)的每个监测截面的外周均匀布置3个管体光纤 光栅传感器(3 ),且3个管体光纤光栅传感器(3 )布置在与管道(14 )轴线垂直 的平面上；安装管体光纤光栅传感器(3)时，完全刮开管道(14)防腐层，并打 磨管道(14)表面至光滑，用快干胶粘贴管体光纤光栅传感器封装(24)封装好管体 光纤光栅传感器(3);待三个管体光纤光栅传感器(3)全部粘贴好后，将管体光纤 光栅传感器(3)的引纤一并引至地面，并进行保护。
全文摘要
本发明是一种管道滑坡表部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法。它是将监测分为滑坡表部位移监测、滑坡对管道的推力监测及管道应变监测三部分；滑坡表部位移监测装置的地梁光纤光栅传感器(20)、滑坡对管道的推力监测装置的土压力盒光纤光栅传感器(4)和管道应变监测装置的管体光纤光栅传感器(3)输出分别依次串接现场监测站的自动光转换开关(6)、光纤光栅解调仪(7)、上位计算机(8)；上位计算机(8)输出接GPRS传输模块(9)，由办公室的GPRS接收模块(10)接有报警器(12)和显示器输出的下位计算机(11)的输入。
文档编号G08B21/00GK101667328SQ200810119558
公开日2010年3月10日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者刘建平, 荆宏远, 蔡永军, 郝建斌, 祎 郭, 陈朋超 申请人:中国石油天然气股份有限公司