一种基于FBG-FRP智能锚杆的边坡滑移监测系统及安全预警方法

：本发明涉及光纤传感技术和边坡锚固稳定性监测与评价领域，具体涉及了一种适合用于边坡滑移监测的装置及监测方法

背景技术：

0、技术背景：

1、我国是世界上滑坡地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一。特别是近年来，随着我国大规模基础设施建设及城市发展向山丘地区延伸，在地震、强降雨等诱因影响下，滑坡、泥石流等灾害多发频发，给人民生命财产造成严重损失。如何对滑坡进行有效防控和预警已成为大规模基础设施建设、城市开发及环境保护等领域的重要研究方向。目前传统的边坡监测方法主要有：设站观测法、红外热成像监测法、应力监测法及变形监测法等，但这些监测方法具有采用单一参量监测、精度低和滞后性等特点，且无法对边坡进行实时分布式监测，难以形成大规模实时分布式监测系统，可能会造成对滑坡的错估和误判。

2、近年来，光纤传感(网)监测技术如分布式光纤光栅(fbg)应变/温度测试技术、分布式布里渊(botdr)光纤应变/温度测试技术及分布式光频域反射(ofdr)应变/温度等光纤传感技术的发展为边坡长期监测提供新的技术手段，其具有耐腐蚀、稳定性好、精度高以及实时分布式监测等优点。此外，光纤传感技术可实现对边坡进行多参量监测，如温度、应变、锚杆应力和位移等，大大提高了滑坡预警的准确性。相比其他光纤传感技术，光纤光栅(fbg)的传感信号强、精度高、响应快，不受光源波动和链路损耗影响，若对其合理地设计与封装，单个传感器可达到较强的环境耐受能力，且具有组网复用方式灵活多样的特点。

3、目前，已有部分学者通过表面粘贴的方式，将光纤光栅(fbg)传感技术应用于实际边坡监测之中，如cn201810013916.9公开了一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，该方法将光纤光栅紧密贴合在测斜管表面上，构成光纤光栅应变传感器，由光纤应变传感器量监测光纤光栅波长变化，从而计算出不同位置处相应的位移变化；cn201611039644.7公开了一种基于全光纤传感网络的边坡稳定性监测和滑坡预警预报方法，该方法将应变光纤和温度光纤分别固定在光纤综合测管的内壁和外侧，各段光纤相互熔接组成全光纤传感网络，从而测量各光纤的应变、温度分布，根据应变数据推算边坡的安全系数和滑面位置。然而，传统的光纤传感器件采用这种表面粘贴的方式进行布设，具体实施时极易损坏，且往往不能满足边坡工程粗放式的施工需求。

4、随着新型复合材料与光纤传感技术的结合与发展，上述问题得到一定程度的避免，如黄明华等融合纤维增强塑料(frp)高耐久和光纤传感技术分布式测试的特点，研制出一种内嵌光纤frp智能锚杆，该方法是在生产frp锚杆杆体的过程中，将光纤取代杆体中部的纤维束，这样形成的frp杆体便嵌入了具有感知特性的传感光纤；cn201711083049.8公开了一种滑移面感知锚杆及其监测方法，该方法将应变光纤和温度光纤封装在套管内，套管被设于纤维增强复合材料内，形成内嵌式纤维增强复合材料锚杆，通过锚杆内多个串联的光纤光栅传感器获取沿锚杆纵向全长的应变分布，从而得到锚杆不同深度处的应力，并利用光纤光栅传感器的弯曲特性计算垂直杆体弯曲方向的最大压应力，由此找出滑移断面和分析坡体的内部滑移状态。但是该方法以最大压应力为阈值，尚不能真实反映锚固边坡破坏和锚杆剪切变形机理，即边坡出现破坏时，一方面边坡滑面温度由正常缓慢下降变为大幅度下降，另一方面锚杆剪切变形阈值唯一，而最大压应力可能有多个，故仍有可能出现漏判和误判。鉴于此，本发明着重解决现有背景下边坡单参量监测和光纤表面粘贴所存在的问题，旨在提出一种实时性、高灵敏度、准确可靠的边坡监测装置及预警方法。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于fbg-frp智能锚杆的边坡滑移监测系统及安全预警方法，该监测系统及预警方法采用网络式监测技术和温度补偿方法，将锚杆的应变信息换算成剪切变形信息，实现监测数据实时传输和自动化处理，并对边坡温度、剪切信息进行存储、提取、展示及预警，使得监测结果既满足高分辨率又精确可靠，弥补了传统边坡监测精确度低、分辨率低、自动化低及监测效率低的不足。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于fbg-frp智能锚杆的边坡滑移监测系统的安全预警方法，制作若干fbg-frp智能锚杆，所述fbg-frp智能锚杆中沿锚杆的长度方向布设有松弛的温补光纤和绷紧的应变光纤，并将所有的温补光纤和应变光纤连接数据处理与分析装置，fbg-frp智能锚杆插入边坡内，数据处理与分析装置用于判定边坡滑移情况与区域方法，

4、判定边坡滑移情况与区域的方法如下：

5、步骤g1，通过分析fbg-frp智能锚杆处的温度分布场，若锚杆若干连续监测区段出现温度突变现象，且突变量超过温度突变阈值，则判定该锚杆上此若干连续监测区段为边坡滑移带大致范围；

6、步骤g2，通过锚杆应变计算出已判定滑移带范围内fbg-frp智能锚杆相应区段上的剪切位移，并将其与预设的剪切位移阈值进行对比，若超过该剪切位移阈值，则判定该锚杆区段对应的位置为边坡滑移区域，比较边坡滑移带上各区段轴心弯曲半径精准定位剪切位置，重复上述步骤确定各个锚杆上已出现的剪切位置，再由这些剪切位置判定边坡所出现边坡滑移区域；

7、步骤g3，根据各fbg-frp智能锚杆的滑移区域分析，若分析得到的各滑移区域能够互相联系形成连续的滑移面则判定为边坡出现整体滑移，并通过这些锚杆区段上剪切位置确定整个边坡滑移面位置；

8、步骤g4，通过fbg-frp智能锚杆的剪切位移位置和监测区域内温度分布场中温度变化与时间序列的关系判定滑坡类型，根据各fbg-frp智能锚杆上温度分布场的温度突变与滑动带范围内剪切位移预警信息在边坡上所表现出的先后顺序判定出滑坡类型；若预埋在边坡前缘区的fbg-frp智能锚杆较预埋在边坡后缘区的fbg-frp智能锚杆上先出现温度分布场的温度突变与滑动带范围内剪切位移预警则为牵引式滑坡；若预埋在边坡前缘区的fbg-frp智能锚杆较预埋在边坡后缘区的fbg-frp智能锚杆上后出现温度分布场的温度突变与滑动带范围内剪切位移预警则为推移式滑坡；若前缘区表现牵引式滑坡，后缘区表现为推移式滑坡或近乎同时出现温度分布场的温度突变与滑动带范围内剪切位移预警等其他情况则为混合式滑坡。

9、进一步的改进，包括以下步骤：

10、步骤a，fbg-frp智能锚杆的长度确定：根据监测区域内边坡地质勘探资料和边坡形状参数，采用数值软件对锚固边坡进行建模和稳定性分析，确定边坡潜在滑裂面的位置，并由锚杆布置间距确定对应位置处锚杆的锚固长度；

11、步骤b，fbg-frp智能锚杆的制作：通过fbg-frp智能锚杆熔接制作装置制作若干个预设长度的fbg-frp智能锚杆；

12、步骤c，fbg-frp智能锚杆的布设与施工，采用钻孔机在设计孔位处按锚杆入射角钻孔至设计深度，并用高压风管进行清孔作业，将孔中残留的碎屑彻底清除干净；根据设计要求在fbg-frp智能锚杆上布置对中支架，并将制作好的锚杆缓慢放入钻孔中，同时放入注浆管；布置坡面网筋，并将露出的锚杆锚头与坡面网筋用扎丝绑扎；绑扎完成后，对钻孔进行注浆处理，待水泥砂浆初凝后对坡面喷射混凝土砂浆，并保证覆盖整个面网；

13、步骤d，光纤传感网络的构建：将预埋在钻孔中的fbg-frp智能锚杆内的各段传感光纤与温补光纤通入多通道扩展模块的一个通道内的四个接口，相应编号的fbg-frp智能锚杆内的光纤通入多通道扩展模块上的对应编号通道，从而组成光纤传感网络，形成权利要求1-5任一所述的基于fbg-frp智能锚杆的边坡滑移监测系统；

14、步骤e，反射光中心波长漂移量采集：采用光纤调解仪与信号传输设备实时读取光纤传感网络中分别由温度和应变引起的反射光中心波长漂移量；

15、步骤f，边坡滑移数据换算：数据处理与分析装置对光纤解调与信号传输设备无线传输的监测数据进行处理，并计算出各智能锚杆上的温度分布场、剪切位移和剪切位置，进而判断边坡滑移情况与区域；

16、步骤g，数据存储与预警：数据处理与分析装置将处理后边坡滑移数据实时上传至信息存储云端和警报设备，且警报设备将实时接收的监测数据与大数据分析数据进行比对，判断出边坡滑移情况与区域，以及发出相应警报；

17、步骤h，监测数据展示：远程监测终端通过互联网提取信息存储云端存储的监测数据，并接收警报设备无线传输的预警信号，以图表形式动态呈现在屏幕上。

18、进一步的改进，在步骤b中，所述fbg-frp智能锚杆的制作方法为：

19、步骤b1，雏型fbg-frp智能杆体的形成：在加压装置加压作用下将热处理加工装置处理得到的熔融frp经过输送管道及等压阀门喷入定型模具，形成雏型fbg-frp智能杆体，定型模具内固定有呈预拉伸的状态的传感光纤和含有温补光纤的隔离筋体组；

20、其中，温补光纤的固定方法为：在温补光纤上均匀刻好光栅，然后将温补光纤穿过一个隔离筋体，并将隔离筋体两端分别与温补光纤上对应的光栅熔接，再通过粘接基体封闭隔离筋体端部并粘贴温补光纤穿过的另一个隔离筋体，依次粘贴隔离筋体并将温补光纤的光栅部分与隔离筋体端部熔接，使得各隔离筋体内的温补光纤长度一致，处于相同的松弛状态，同时形成独立的温度互不干扰的腔体，从而完成温补光纤与隔离筋体的固定；

21、步骤b2，fbg-frp智能杆体的冷却固化，将形成的雏型fbg-frp智能杆体通过牵引机，使其进入冷却模具冷却固化，得到成型的fbg-frp智能杆体；

22、步骤b3，fbg-frp智能锚杆杆体的制作，将制备成型的智能杆体通入分段机切割成多段预设长度的杆体，并在端部剥离出传感光纤，并将温补光纤和传感光纤熔接于光纤跳线，从而完成fbg-frp智能锚杆杆体的制作；

23、步骤b4，fbg-frp智能锚杆杆体的表面处理，在fbg-frp智能锚杆杆体表面喷涂细砂，并通过加热固化将细砂与智能锚杆杆体粘结为一体；

24、步骤b5，fbg-frp智能锚杆杆体与锚头的连接，将经过表面处理的fbg-frp智能锚杆杆体通过环氧树脂与锚头充分粘结，从而完成fbg-frp智能锚杆的制作。

25、进一步的改进，在步骤c中，所述fbg-frp智能锚杆布置设计要求为在边坡上采用矩形布置并编号，即沿边坡自下而上等间距布置m排，依次从坡脚至坡顶命名为第1，2，3，…，j，…m排，并沿边坡纵向等间距布置n列锚杆，依次从左至右命名为第1，2，3，…，k，…n列。

26、进一步的改进，在步骤f中，所述各智能锚杆上的温度分布场、剪切位移和剪切位置和计算方法为：

27、步骤f1，在第j排，第k列的fbg-frp智能锚杆上计算第i+1号光栅相对第i号光栅的剪切位移时，假设第i号光栅相对不动，并设定第i+1号光栅与第i号光栅之间的光纤为第i段光纤；

28、步骤f2，当第i段光纤内的温补光纤所在环境的温度发生变化时，光纤光栅的反射光中心波长随之发生相应的改变，根据第i段光纤内的温补光纤的反射光中心波长漂移量δλ与温补光纤的温度灵敏度系数αt的关系求得温度变化量δt，公式如下：

29、

30、光纤预设初始温度t0与由边坡滑移引起的温度变化量相加，进一步得到第i段光纤所在环境的温度t，公式如下:

31、t＝t0+δt (2)

32、根据式(1)和(2)求得各fbg-frp智能锚杆内各段温补光纤所在环境随时间变化的温度t，从而求得各fbg-frp智能锚杆各区段温度场，再将锚杆上各区段温度场与时间进行整合，形成与时间对应的非线性温度分布场；

33、步骤f3，由于同一段光纤中传感光纤与温补光纤所处环境温度相同，即两者随温度变化量保持一致；同时将各fbg-frp智能锚杆内的第i段光纤中的三根传感光纤分别按顺时针命名为第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤；

34、步骤f4，数据处理与分析装置对光纤解调与信号传输设备传输的反射光波长进行解析，即从接收的传感光纤的反射光中心波长漂移量中扣除传感光纤由温度信息引起的反射光中心波长漂移量，剩下的即为传感光纤由边坡滑移引起的反射光波长变化量，进而计算出第i段光纤内第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤各自的应变变化，公式如下：

35、δε＝(δλb-αbδt)αε (3)

36、式中，αb、αε分别是传感光纤的温度灵敏度系数与应变温度灵敏度系数，δt为第i段光纤内的温补光纤的所在环境的温度变化量，δλb为第i段温补光纤对应的传感光纤的反射光中心波长总漂移量；

37、步骤f5，根据几何关系，利用产生滑移后第i段光纤中第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤的曲率半径与弧长关系求解得出产生滑移后的第i段光纤对应杆体的转角θ，公式如下：

38、

39、式中，r为产生滑移后fbg-frp智能锚杆上第i段光纤对应杆体轴心到弯曲轴的距离，即fbg-frp智能锚杆上第i段光纤对应杆体的轴心弯曲半径；α为弯曲轴的垂线段与在fbg-frp智能锚杆横截面上建立的局部坐标系上的x轴正方向的夹角；r各每根传感光纤到fbg-frp智能锚杆轴心的距离；α12、α13、α32分别为第一传感光纤与第二传感光纤所成夹角、第一传感光纤与第三传感光纤所成夹角、第二传感光纤与第三传感光纤所成夹角，大小均为120°；δε1、δε2和δε3分别为产生滑移后的第一传感光纤、第二传感光纤、第三传感光纤的应变变化，s为第i段光纤的原始长度。

40、根据公式(4)求解得出弯曲轴的垂线段与在fbg-frp智能锚杆横截面上建立的局部坐标系上的x轴正方向的夹角，公式如下：

41、

42、将式(5)代入式(4)中求解得到产生滑移后fbg-frp智能锚杆上第i段光纤对应杆体的轴心弯曲半径r，公式如下：

43、

44、步骤f6，由于fbg-frp智能锚杆中第i段光纤有三根传感光纤，因而可求解对应的3个轴心弯曲半径r值，考虑到分母可能为零的情况，为使得数据更加精确，我们通过求取分母不为零求解出的轴心弯曲半径r值的平均值来确定产生滑移后fbg-frp智能锚杆中第i段光纤对应杆体轴心弯曲半径r；

45、步骤f7，将求得的产生滑移后fbg-frp智能锚杆中第i段光纤对应杆体轴心弯曲半径r与α代入式(4)中可求解得出产生滑移后fbg-frp智能锚杆内第i段光纤对应杆体轴心应变变化ε0：

46、

47、假设由fbg-frp智能锚杆监测区域内的温度分布场突变判断出的滑移带对应为第n1～n2段光纤，根据三角形几何关系，利用第i段光纤原始长度s与产生滑移后锚杆内第i段光纤对应杆体轴心应变变化ε0求解得出边坡产生滑移后锚杆内第i段光纤对应杆体的剪切位移δli，并对该滑移带对应锚杆杆体的剪切位移进行求和计算边坡产生滑移后该fbg-frp智能锚杆上滑移带的剪切位移δl。

48、

49、步骤f8，通过对比产生滑移后fbg-frp智能锚杆内各段光纤对应杆体轴心弯曲半径之间大小关系，获取边坡产生滑移后锚杆轴心弯曲半径达到最小值所对应的某段光纤，该段光纤对应的杆体位置即为边坡产生滑移后fbg-frp智能锚杆的剪切位置。

50、一种基于fbg-frp智能锚杆的边坡滑移监测系统，包括fbg-frp智能杆体，fbg-frp智能杆体内沿轴心方向布设有温补光纤，温补光纤上外周均匀布设有三个传感光纤，传感光纤与温补光纤平行设置，传感光纤处于fbg-frp智能杆体内；传感光纤处于绷紧状态；温补光纤处于隔离筋体组内，隔离筋体组由若干隔离筋体串联固定连接形成，相邻隔离筋体之间通过粘接基体相互粘贴，并且阻隔形成独立的腔体；温补光纤粘贴固定在隔离筋体内壁的端部；每段隔离筋体内的温补光纤长度相同，且均处于松弛状态；

51、所述fbg-frp智能杆体的温补光纤和传感光纤通过多通道扩展模块通讯连接有光纤传感网络，光纤传感网络通讯连接有光纤解调与信号传输设备，光纤解调与信号传输设备通讯连接有数据处理与分析装置和信息存储云端，数据处理与分析装置通讯连接有警报设备；

52、所述光纤传感网络为将预埋在同一钻孔中fbg-frp智能锚杆内的各段传感光纤与温补光纤通入多通道扩展模块的一个通道内的四个接口，不同fbg-frp智能锚杆内的光纤通入多通道扩展模块上对应不同通道，从而组成一个传感网络；

53、所述多通道扩展模块上有若干通道，同一个通道中含有至少四个接口，分别连接同一fbg-frp智能杆体的传感光纤和温补光纤，并连接光纤解调与信号传输设备；

54、所述光纤解调与信号传输设备对光纤传感网络传输的光信号进行采集，并转化为电信号无线传输至数据处理与分析装置；

55、所述数据处理与分析装置对光纤数据采集与传输装置传输的数据进行处理，计算出各锚杆上的剪切位移、剪切位置和温度分布场，进而判断边坡滑移情况与区域，以及将该信息无线传输至信息存储云端和警报设备；

56、所述信息存储云端将监测数据存储，并搭载互联网传输至远程监测终端；

57、所述警报设备通过将实时接收的监测数据与预设数据进行比对，判断边坡是否发生滑移，以及发出相应警报，并将警报信息传送至远程监控终端；所述远程监测终端实时发布监测信息和警报信号。

58、进一步的改进，所述温补光纤处于fbg-frp智能杆体的轴心位置，传感光纤包括三根传感光纤，三根传感光纤沿以温补光纤中心为圆心，以r为半径的圆周方向互成120°熔接。

59、进一步的改进，所述温补光纤沿长度方向均匀刻有若干光栅；温补光纤处于隔离筋体内，所述隔离筋体为空心圆筒状，两端固定有带有通孔的隔板；隔离筋体通过frp材料经过3d打印技术得到；相邻隔离筋体的端部通过粘接基体粘结在一起形成隔离筋体组，光栅粘贴在隔离筋体端部。

60、进一步的改进，所述温补光纤上沿轴向方向每隔一定间距刻一个光栅，并按各fbg-frp智能锚杆预埋深度方向由浅到深的顺序分别命名为第1,2,3...n号光栅。

61、进一步的改进，所述fbg-frp智能锚杆杆体通过fbg-frp智能锚杆杆体熔接装置制成，fbg-frp智能锚杆杆体熔接装置包括：

62、热处理加工装置，所述热处理加工装置将frp原材料进行加热处理至熔融状态，并通过控制阀门将熔融状态的frp材料通入加压装置；

63、加压装置，所述加压装置通过加压将熔融状态frp材料经过等压阀门和螺旋式防堵喷头喷入定型模具；

64、等压阀门，所述等压阀门控制两输送管道中输送压力保持一致；

65、螺旋式防堵喷头，所述螺旋式防堵喷头通过上部螺纹与输送管道紧密相连，并分布于定型模具左右两侧；

66、定型模具，所述定型模具用于固定传感光纤以及带有温补光纤的隔离筋体组，然后使通入的熔融状态frp均匀分布并使其符合fbg-frp智能杆体外形尺寸与光纤熔接设置要求，以保证fbg-frp智能杆体的熔接完全，并初步冷却得到雏形fbg-frp智能杆体；

67、牵引机，所述牵引机将雏形frp-fbg智能杆体牵引至冷却模具，并保证各光纤保持预拉伸状态。

68、冷却模具，所述冷却模具通过牵引机将可旋转式定型模具内雏形frp-fbg智能杆体牵引至区段内进行进一步冷却固化，从而获得成型的frp-fbg智能杆体；

69、分段机，所述分段机将制备成型的智能杆体切割成多段预设长度的杆体，并在端部剥离出传感光纤，并将温补光纤和传感光纤熔接于光纤跳线，从而完成fbg-frp智能锚杆杆体的制作。

70、本发明工作原理：

71、当边坡发生滑坡时，会导致土体发生温度变化以及导致锚杆发生剪切变形，通过布置的fbg-frp智能锚杆光纤传感网络测量相邻传感点之间传感光纤的波长以及波长漂移量，可由温补光纤测得温度引起的波长漂移量，由此计算温度变化信息；其次通过扣除温补光纤有温度引起的波长漂移量便得到光纤由应变引起的波长漂移量，由此计算出光纤的应变变化，从而换算出边坡潜在滑移区段锚杆的剪切变形。具体监测流程为：监测数据经光纤传感网络采集以及光纤解调与信号传输设备传输至数据处理与分析装置，并在数据处理与分析装置中完成数据计算，计算完成后的温度、剪切位置和剪切变形信息分别传输至信息存储云端和警报设备，警报设备在接收温度、剪切位置和剪切变形信息后会完成预设阈值的比对以及分析边坡滑移的情况，远程监测终端会通过互联网提取数据存储云端储存的相关信息，同时接收警报设备发生器发出的预警信息，并将这些信息以图表形式同步动态呈现在屏幕上。

72、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

73、本发明提供了一种基于fbg-frp智能锚杆的边坡滑移监测系统及安全预警方法，可以准确地监测并预警边坡产生滑坡。这种方法的第一个优点是采用连续等距光纤传感点进行监测，锚杆沿线监测点间距定距分布，且监测结果精确度低、分辨率、自动化及监测效率均高于一般方法；第二个优点是采用光纤传感网络，实现边坡整体监测，其可靠性较传统布置方式更高；第三个优点是采用温度和剪切变形共同来判断，预警滑坡的同时也能通过温度与时间序列的关系判断滑坡类型，而以往传统方法无法判断其滑坡类型；第四个优点是采用中心温补光纤，实现了光纤应用时温度和应变变化共同引起的波长漂移量的分离；第五个优点是采用fbd-frp智能锚杆制作方法大大提高了锚杆的使用寿命。