光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究

里渊频移变化量与应变的关系，求得光纤的应变量[10]
ε = ΔυB = υB (ε ) −υB (0) ，
(1)
υB (0) × C υB (0) × C
─────── 基金项目：国家杰出青年科学基资助金项目（40225006）；国家教育部 重点项目资助项目（01086） 收稿日期:2004–05–12
Abstract: A newly developed fiber optic sensing net is presented in this paper. Optical fiber (cable) was weaved into a fiber optic sensing
net. The distribution of strain experienced by the net was measured by a BOTDR (Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer). The
2 光纤传感网络
本文设计的光纤传感网络（以下简称“光纤网”）， 是基于 BOTDR 技术，通过特定布设方式而形成的具 有应变传感功能的光纤智能网络。根据不同的用途， 光纤网的光纤材料、布设方式也不尽相同，但本文仅 讨论适用于监测边坡表面变形的光纤网，其它类型将 另文讨论。
BOTDR 光纤传感技术在边坡监测方面的应用， 国外已经有许多成功的先例，主要是用于对坡面变形 的发生进行预警[13]，但由于传感光纤（缆）的布设方 式过于简单，停留在一维变形的层面上，同一条光纤 各部分彼此没有联系，因而无法准确描述坡面变形情 况以及破坏程度。本文中所设计的光纤网，则是利用 光纤各部分的交叉联系，组成一张可以监测表面变形 的传感网络。
将光纤固定于两根 3 m 长的边框，上边框代号 A， 下边框代号 B，每个边框由左至右均匀分布了 15 个 点，分配在 2 m 的长度内，间距 0.143 m。布设时将 金属框架水平放置，以 A1 为起点，光纤拉紧后与 B8 相连，由 B8 向 B9 过渡时，冗余 0.2 m 松弛光纤，以 减少光纤弯曲所造成的光损，再由 B9 拉紧后连接 A2， 依次类推，直至 A15 与右下方框角连接后，经 1 m 的 边框过渡至右上方的框角，再连接 B15，依次类推。
图 2 光纤传感网络室内模型 Fig. 2 A model of fiber optic sensing net for laboratory test
如图 3 所示，光纤被拉直后粘着在一个 3 m×1 m 的金属框架上，形成一幅纵横交错的网络。具体的布 设方法如下：
图 3 光纤传感网络室内模型结构示意图 Fig. 3 The structure of fiber optic sensing net for laboratory test
BOTDR （ Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer），中文名称为布里渊散射光时域反射测 量仪，是国际上新近发展起来的一项分布式光纤应变 监测技术。本文设计了一种专门用于监测边坡表面变 形的光纤传感网络，并开展了相关的实验室研究，为 边坡安全监测提供一种新的方法。
另外，各节点上相交的光纤没有相互粘接，即光 纤在节点处只是相邻很近，但仍有一定空隙。这导致 了同一节点上，在相同外力的作用下，A、B 两段光 纤的应变值有高低差异，假设力的方向是由 B 向 A， 那么 B 组光纤首先变形，直到超过了两段光纤之间的 空隙，才拉动 A 组光纤变形，如图 4 所示。
适中的物体，如记事本，放置在光纤网中任意位置， 待其稳定后，用 BOTDR 应变分析仪测量光纤在受力 状态下的应变分布。
对于 AB 两边框之间的各段光纤，我们规定了命 名原则：所有从左上角向右下角连接的光纤，都以 A 边框上的点号命名，所有从左下角向右上角连接的光
340
岩土工程学报
2005 年
纤，都以 B 边框上的点号命名。如连接 A4 和 B11 两 点之间的光纤，由于其方向是从左上角向右下角连接 的，因此以 A 边框上的点号命名为 A4。那么，两段 光纤在平面位置上正交而成的节点，则根据由 A 至 B 的原则，将两段光纤的代号合并起来，作为节点的代 号。如光纤 A4 和 B4 相交的节点，记为 A4B4。
4 实验分析
BOTDR 应变分析仪采集的应变数据，经局域网 线传入计算机中，以文本格式保存。由于是分布式数 据，因此每次采集都包含了 10,000 个连续的采样点， 即每一个文件中都有 10,000 个按光纤长度连续分布的 应变数据。实验分析的第一步，便是按照 0.1 m 的采 样间隔绘制应变曲线，直观表示光纤的应变分布。 4.1 单节点实验
中图分类号：TU 411
文献标识码：A
文章编号:1000–4548(2005)03–0338–05
作者简介:丁 勇（1977– ），男，南京大学博士生，目前从事环境岩土工程和光纤监测的研究
DING Yong, SHI Bin, CUI He-liang, SUO Wen-bin, LIU Jie
(Center on optical and electric sensors for engineering monitoring, Nanjing University, Nanjing 210093, China)
Key words: BOTDR; slope monitoring; fiber optic sensing net; deformation
0引 言
长久以来，边坡工程的安全监测，一直是岩土工 程的一个重要课题，尤其在我国这样一个地质情况复 杂的国家，滑坡灾害频繁，严重威胁着国家和人民的 生命财产安全。为了确保边坡安全、及时预报险情， 除了对边坡进行加固、维护之外，对边坡工程以及自 然边坡的安全和稳定状态的监测评估也十分重要。
南京大学光电传感工程监测中心在南京大学 985 工程项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础 工程的 BOTDR 分布式光纤应变监测实验室，引进了
移(Brillouin Frequency Shift)与应变和温度成正比。为
了扣除温度变化对频移的影响，可利用一段不受外力
作用的自由光纤进行温度补偿[5]，并根据公式(1)中布
目前，国内外应用于边坡安全监测的技术和方法 很多，从传统的测斜管、压力计、雨量计和位移计， 到新型的 GPS[1~2]、TDR[3]和光纤传感器[4~6]，都被大 量运用于实际工程监测当中，而且很多是以多种技术 集成的形式出现[7]。传统监测技术虽然在数字化、自
相关的 BOTDR 监测仪器和设备，并将之逐步应用在 工程实践当中[8,9]。目前作者在该中心致力于将这一技 术应用在边坡稳定性监测的技术研究。
图 5 绘制了光纤网在不同受力状态下的两条应变 分布曲线，浅色线表示光纤传感网络在实验前自由状 态下的初始应变，由于手工布设各段光纤时的力度大 小不一，因而各段光纤的初始应变差异较大，曲线起 伏不平；深色线是在网络中 A4B4 号节点悬挂砝码后 的应变分布，它在浅色线的基础上，整体微小上浮， 局部区域有明显上升。
第4期
丁 勇，等．光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究
339
式中 υB (ε ) 为某应变下的布里渊频移；υB (0) 为无
应变下的布里渊频移；C 为应变比例常数；ε 为应变
量。 随着该技术的日趋成熟，仪百度文库量程、精度等测量
指标都在逐渐提高。目前它的最大测量距离为 80 km，
应变测量范围为-15,000 ∼+15,000 με ，距离分解度可 达 1 m，应变的测量精度达±30 με ，基本满足边坡工
第 27 卷 第 3 期 2005 年 3 月
岩 土 工程 学报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.27 No.3 Mar.,2005
光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究
A fiber optic sensing net applied in slope monitoring based on Brillouin scattering
1 BOTDR 的测量原理
BOTDR 的测量原理是当单频光在光纤内传输时 会发生布里渊背向散射光，而布里渊背向散射光的频
动化方面比较落后，但在长期的工程实践当中，这些 技术积累了大量的成功经验，相关的分析手段也比较 完备和成熟，而一些新型的监测技术，运用了新的测 试原理，显示出更优异的性能。以光纤传感器为例， 利用玻璃光纤作为传感和传导介质，可以抗电磁干扰 以及地下水的腐蚀，寿命更长、精度更高。
丁 勇，施 斌，崔何亮，索文斌，刘 杰
（南京大学 光电传感工程监测中心,江苏 南京 210093）
摘 要：本文设计了一种新型的光纤传感网络。该网络利用分布式光纤应变监测技术（BOTDR），将光纤（光缆）按一定方式布设 成网络，埋入边坡表面以下一定位置，通过监测光纤（光缆）的应变变化，推算出边坡的表面变形。对室内模型进行的加载实验 表明，该网络对悬挂重物而引起的表面变形很敏感，且能够精确分析发生异常的区域和应变大小，进而对表面变形状态进行三维 模拟。 关键词：BOTDR；边坡监测；光纤传感网络；变形
如图 1 所示，光纤网是若干个节点经由光纤（或 光缆）连接而成的面状网络，通过特定的布设方法， 可以仅凭一条光纤便将所有节点都连接起来，从而简 化了数据线的接入问题。除了边角的四个起固定作用 的节点外，每个节点都有至少 3 个不在同一直线上的 节点与之相连，因而确保了网络内任意部分节点（或 节点群）的移动都可以被监测到。节点之间的光纤， 也由于节点群的约束，对周围环境的变形非常敏感。
图 1 光纤传感网络布设示意图 Fig.1 Fiber optic sensing net laid in a slope
根据具体的边坡条件，节点被固定在土体表面以 下一定位置，或直接附着在岩体表面，固定方式可以 采取锚杆等方法；光纤（光缆）通过专门的固定剂粘 着在节点上，将岩土体表面的各节点连接成网，用以
sensitive to the surface deformation caused by loading. By analyzing the strain of optical fiber (cable) and the position of loading, a 3-D
simulation was made.
flexible fiber optic sensing net laid on the surface of a slope can deform along with the slope surface. Therefore, the surface deformation of
the slope can be monitored by measuring the strain of the fiber optic sensing net. The laboratory experiment showed that the net was
按光纤布设的顺序，B 组光纤的布设要晚于 A 组 光纤，因此所有 B 组光纤都位于 A 组光纤的上方，两 组光纤分属两个不同的层面。如果某条 B 组光纤受垂 直于网面的外力作用，而力的方向又是由 B 向 A 的话， 则会在自身拉伸变形的同时压迫多条 A 组光纤拉伸变 形。反之，如果某条 A 组光纤受到垂直于网面、由 A 向 B 方向的外力作用而拉伸变形，则同样会压迫多条 B 组光纤变形。因此，根据 A、B 两组光纤发生拉伸 变形的数量，可以判断力的方向，是由 B 向 A，还是 由 A 向 B。
程的监测要求，该技术详细的测量原理及性能详见文 献[6,11,12]。
监测岩土体的表面变形。而且，如果将光纤同地梁和 锚杆（索）相结合，把光纤植入地梁当中，用锚杆（索） 来固定节点，还可以起到监测与加固的双重作用。
3 室内实验
为了验证光纤网的可行性，我们设计了一个与实 际网络相类似的室内模型（见图 2），在相同面积下它 的节点更多，受力更加复杂，有助于获得丰富的数据 样本。