基于OFDR的锚杆变形分布式监测系统及使用方法与流程

本发明涉及岩土工程监测领域，尤其涉及基于ofdr(opticalfrequencydomainreflectometer)的锚杆变形分布式监测系统及使用方法。

背景技术：

随着经济技术的发展，我国矿山、隧道、水电站等工程大规模兴建，导致地质灾害频繁发生，锚杆支护已成为确保矿山巷道、边坡、隧道等稳定性采用的关键手段。而如何实现对锚杆变形的实时动态监测，从而对加固体稳定性进行监测已成为工程领域关注和研究的热点之一。

常用的对锚杆实施的监测方法主要包括多点位移计、顶板离层指示仪、电阻式应变片等，但这些手段存在以下几点不足之处：(1)传感元件环境适应能力差，无法在恶劣环境下进行工作，极易损坏；(2)对锚杆有效监测的长度有限，无法监测到锚固体深处的变形状态；(3)需要专业技术人员定时定点进行监测，花费成本较大，存在人为误差；(4)采用人工监测，信息不能得到实时反馈；(5)仪器测量精度较低，对锚固体内部细微变化无法获知。

ofdr(opticalfrequencydomainreflectometer)光纤数据采集技术技术是目前行业内最为先进的分布式测量技术，具有高灵敏度、高空间分辨率、测量精度大、抗干扰能力强、环境适应能力强等特点。将ofdr技术运用于分布式应变传感器和分布式温度传感器，其应变分辨率达到了1με，温度分辨率达到0.1℃，测量范围达到±30000με和-270～900℃。ofdr技术可实现对应变、温度、振动等多信息进行同时监控，相对于fbg、otdr、botdr、botda等光纤技术更具有工程应用前景。因此，将ofdr技术应用到锚杆变形监测中成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种基于ofdr的锚杆变形分布式监测系统及使用方法，以克服现有技术中存在的不足。

技术方案：基于ofdr的锚杆变形分布式监测系统，包括：

锚杆，锚杆两侧沿杆长方向开设有凹槽；

应变传感光纤，应变传感光纤布置在锚杆两侧凹槽内；

温度补偿光纤，温度补偿光纤布置在锚杆两侧；

光纤数据采集与传输系统，光纤数据采集与传输系统采集由应变传感光纤和温度补偿光纤传输的光纤信号；

光纤数据处理与分析系统，光纤数据处理与分析系统将光纤数据采集与传输系统采集的光纤信号转化为数字图像信息；

监测结果显示系统，监测结果显示系统将数字图像信息显示出来。

相邻各锚杆光纤连接处采用热膨胀管保护，其余部分采用铠装护套进行保护。采用的光纤为900单模光纤。

基于ofdr的锚杆变形分布式监测系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)在锚杆两侧对称布设应变传感光纤和温度补偿光纤后，一起埋入孔洞；

(2)铺设时在锚杆端部预留出应变传感光纤和温度补偿光纤，以便与相邻锚杆连接形成一个整体；

(3)将相邻锚杆上预留的应变传感光纤和温度补偿光纤两两相连，并用铠装护套加以保护；

(4)将终端光纤接入ofdr数据采集与传输系统，经光纤数据处理与分析系统将光纤信号转化为数字图像信息后，在监测结果显示系统中显示出来。

步骤(1)中，应变传感光纤绷直后布设在锚杆两侧凹槽内，温度补偿光纤呈不受力状态放置于塑料管中并布设在锚杆旁。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)将ofdr技术应用于锚杆变形监测，相较于传统监测手段，该方法具有环境适应力强、数据采集全面、花费成本小等优点；

(2)ofdr技术相对于其他光纤技术具有更高的灵敏度和空间分辨率，监测效果更为准确；

(3)将多根锚杆上布设光纤相连，形成锚杆分布式监测网络系统，将该系统运用于被监测体中，监测时将光纤终端插入ofdr数据采集仪中便可获得所需的监测信息，操作简单，数据可靠；

(4)采用ofdr锚杆变形数据处理系统，实现数据自动化处理，能够对监测结果进行及时分析和动态反馈。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为锚杆纵断面光纤布设示意图；

图3为锚杆横截面光纤布设示意图；

图4为锚杆端部构造示意图。

具体实施方式

如图1所示，监测系统包括900单模光纤、锚杆、光纤数据采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统和监测结果显示系统。其中，1为应变传感光纤，1a为温度补偿光纤，1b为裸露在锚杆外的光纤，采用热膨胀管对光纤连接处进行加固保护，其余部分采用铠装护套进行保护，以防止施工过程中被破坏。2为黏结式螺纹钢锚杆，在锚杆两侧沿杆长方向对称开出两条凹型槽并打磨清洗干净。3为锚杆埋设孔洞，4为岩层或土体。5为基于ofdr技术的数据采集与传输系统，本实施例采用ofdr数据采集仪，与计算机相连以实现数据的及时和快速传输。6为光纤数据处理与分析系统，能够根据光纤数据的特点自动判断监测对象的所在位置并提取出相关数据进行平滑、去噪等处理。7为监测结果显示系统，能将处理后的光纤数据以图表等直观的形式显示出来。

如图2所示，8为铠装护套，9为金属座垫，座垫两侧对称开设两个孔洞，用于引出应变传感光纤1和温度补偿光纤1a，在光纤从金属座垫9洞口引出时安装铠装护套8，防止光纤折断。10为锚具，用于固定锚杆。11为保护罩，在保护罩11上开设两个空洞，并使孔洞位置与金属座垫9位置相对应，以便于应变传感光纤1和温度补偿光纤1a引出。

如图3所示，12为塑料管，用于放置温度补偿光纤1a，并随温度补偿光纤1a经金属座垫9和保护罩11预留孔洞引出。13为孔洞内填充砂浆，砂浆强度根据工程实际情况而定。应变传感光纤1呈u型对称布设在锚杆开挖凹槽内，并且适当绷直紧贴于锚杆。温度补偿光纤1a自然放置在塑料管12内，并呈u型对称布设在锚杆2外围，与锚杆2一起埋入锚杆埋设孔洞3中。

如图4所示，铺设光纤时将应变传感光纤适当绷直，并使用粘结剂紧贴于锚杆两侧凹槽内部。温度补偿光纤自然放置于塑料管中并布设在锚杆旁边，不施加作用力。粘结剂采用环氧树脂14，先采用胶枪将环氧树脂点涂到凹槽内部，用手指涂抹均匀，最后采用热风枪对环氧树脂加热使之流化，使应变传感光纤1通过环氧树脂14黏贴于锚杆2的表面。另外，分别在金属座垫9和保护罩11上对称设置两个孔洞，金属座垫9的孔洞用于引出温度补偿光纤1a和塑料管12，保护罩11孔洞用于引出应变传感光纤1。

该监测系统的使用方法包括以下步骤：

(1)在锚杆2上对称布设应变传感光纤1和温度补偿光纤1a，应变传感光纤1用环氧树脂14黏贴于锚杆2的表面，温度补偿光纤1a自然放置在塑料管12中，随着锚杆2一起埋入孔洞。

(2)铺设时在锚杆2端部预留出一定长度的应变传感光纤1和温度补偿光纤1a，以便与相邻锚杆连接形成一个整体。

(3)将相邻锚杆上预留的应变传感光纤1和温度补偿光纤1a两两相连，并用铠装护套加以保护。

(4)将终端光纤接入ofdr数据采集仪5，经光纤数据处理与分析系统6，将锚杆的应力、应变、位移及轴力变化等光纤信号转化为数字图像信息，并在监测结果显示系统7中显示出来。