地质灾害监测光纤传感技术 地质灾害调查
一、内容概述
光纤传感技术是工程测量领域的一项高新技术，光纤传感器采用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的介质，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、响应快、质量轻、体积小、外形可变、传输带宽大以及可复用实现分布式测量等突出优点，在高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测方面有着广泛的应用。2006～2010年，在“十一五”科技支撑计划重点项目及中国地质调查局地质调查项目的支持下，研发了具有自主知识产权的光纤光栅监测解调系统、分布式光纤应变监测系统，并在三峡库区地质灾害监测中得到应用，取得了不错的效果。
光纤传感技术是通过对光纤内传输光的某些参数（如强度、相位、频率、偏振态等）变化的测量，实现对环境参数的测量。分布式光纤传感技术以其可复用、分布式、长距离传输的优点成为光纤传感技术中最具前途的技术之一，是光纤传感监测技术的发展趋势。其中，光纤布拉格光栅传感技术（Fiber Bragg Grating，FBG）与布里渊光时域反射传感技术（Brillouin Optic Time Domain Reflectometry，BOTDR）是最具代表性的两种分布式光纤传感技术。
FBG是准分布式光纤传感器的一种，其所获取的被测量信息在空间上并不是连续分布的，但可以在大范围内对多点同时进行监测。Bragg光栅是一种在光纤中制成的折射率周期变化的光栅，周期不同其反射的光波长也不同。当这种带有布拉格光栅的光纤受到拉伸或压缩以及所处温度发生变化时，其周期发生变化，从而反射光的波长也改变，通过测量反射光波长的变化即可得知光纤所受的应变或所处的温度值。光纤Bragg光栅测量原理如图1所示。
图1 光纤Bragg 光栅测量原理
BOTDR主要是利用了光波在光纤中传播时产生的后向布里渊散射光的频谱与功率特征与外界环境（温度、应变等）相关的特性。图2是光纤中的背向散射光频谱分布图。
由图2可以看出，在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个布里渊频移。当光纤材料特性受温度或应变影响时，布里渊频移大小将发生变化，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可以实现分布式温度、应变测量。
图2 光纤中的背向散射光频谱分布图
大量的理论和实验研究证明，当环境温度变化量小于或等于5℃时，光纤的轴向应变与布里渊散射光频率的漂移量之间的关系可表示为
VB（ε）＝ VB（O）＋Cε
式中：VB（ε）为光纤发生应变时布里渊散射光频率的漂移量；VB（O）为光纤无应变时布里渊散射光频率的漂移量；C为光纤应变系数，一般为50 MHz/με；ε为光纤的轴向实际应变。BOTDR应变测量的原理如图3所示。
图3 BOTDR 应变测量原理
中国地质调查局水文地质环境地质调查中心通过攻关研究，在地质灾害监测光纤传感技术方面取得的研究成果包括系列光纤光栅传感器、光纤监测仪器及光纤监测方法，拥有自主知识产权，可在国家重大工程建设中对滑坡、边坡稳定性、重大工程健康监测等发挥很好的作用。
1）基于光栅传感技术研制完成的光栅应变、位移传感器、光栅钢筋应变计3种类型的光栅传感器，具有自主知识产权，性能已达同类产品水平，经济成本与国内同类产品相比降低了 50%，并获得了“滑坡裂缝监测用光纤光栅传感装置”（专利号：ZL200820135234.7）、“光纤光栅实验标定工作台”（专利号：ZL200820124713.9）两项实用新型专利。
图4 光纤光栅监测解调仪
2）利用光波分复用技术，解调光纤光栅传感器阵列，研制完成的光纤光栅监测解调仪（图4），可实现波长解调范围为40nm，解调精度为5pm，实时传输监测数据，技术性能已达国际同类技术产品水平，经济成本与国际国内同类产品相比降低了30%，并在三峡库区滑坡裂缝监测中得到实际应用。
3）利用微波电光调制、光相干检测的方法，研制完成的具有自主知识产权的分布式光纤应变监测系统（图5）样机，可实现20km以上的测试距离，空间分辨率为5m，应变测量精度为100με，技术性能接近国际同类产品水平，经济成本降低了30%，并在三峡库区滑坡监测中得到实际应用。
图5 分布式光纤应变监测系统
4）探索了FBG与BOTDR联合监测滑坡的应用方法。通过试验，显示FBG与BOTDR联合监测滑坡，在整个滑坡体上铺设监测光纤，利用BOTDR技术可获得整个滑坡体的概要信息；在滑坡体变形的关键部位——变形缝安装FBG传感器，利用其监测灵敏度高的特点，获得滑坡某些关键部位的应变值，既可克服BOTDR监测空间分辨率不高的缺点，又可弥补FBG只能实现离散点测量的不足，从而可实现由点到线再到面的滑坡监测，获得滑坡体较完整的应变信息。
二、应用范围及应用实例
FBG传感器的测量精度能达到0.001%，并且系统测量时间短，可实现实时监测，基于这些优点，使FBG在结构检测（例如桥梁、隧道的健康监测）上得到了广泛的应用，用于地质灾害监测时，主要用于变形位置已大致确定、形变较大的结构体的变形监测，将其用于滑坡监测时，主要用于监测滑坡后缘或已知的裂缝的实时变化。
BOTDR 传感技术所采用的光纤体积小、柔软可弯曲，能以任意形式复合于基体结构中而不影响基体的性能。对整个测试光纤，只要测得光纤各位置的布里渊散射光功率和频率，就可得到光纤上各处的应变和温度分布。该传感技术系统最具优势的地方还在于光纤既是传感元件又是传输媒介，属于分布式监测，可以满足长距离、不间断监测的要求，便于与光纤传输系统联网，以实现系统的遥测和控制。用于地质灾害监测时，将光纤以神经网络的形式植入监测体，便可对其实施从线到面的整体监测。
光纤传感技术在残联滑坡监测中的应用：
残联滑坡位于重庆市巫山县新县城中心地带，为河流谷坡地形。虽对其采取“清方减载＋格构锚＋护脚墙＋地表排水”的方案进行了治理，但滑坡下部仍然有明显的地表变形。鉴于此，2004年8月运用BOTDR技术对其进行了监测，2006年10月又在其关键的变形部位安装了FBG应变传感器（图6）。
图6 残联滑坡下部分布式光纤布网及关键部位FBG 传感器安装
BOTDR监测显示（图7），沿光纤分布有4个明显的高应变异常段，并呈两两对称（光纤折回铺设）。C1 异常段对应于剖面的92～93处，C2 异常段对应于剖面的142～143处。宏观调查发现，这两处地表存在明显的拉裂和剪切变形，FBG监测数据（图8）也表明变形仍在继续，截止到2010年5月，裂缝变形应变量已达到642.76με。这样，通过FBG与BOTDR的联合监测，既获得了滑坡体沿剖面方向的应变分布情况，又对变形关键部位加强了监测。
图7 残联滑坡下部BOTDR 监测应变沿光纤分布图
图8 光纤光栅监测应变随时间变化图
三、推广转化方式
地质灾害光纤传感技术成果可通过宣传报道、会议交流、人员培训、技术咨询的形式，提高市场认知，具有自主知识产权的系列光纤光栅传感器、光纤光栅监测解调仪、分布式光纤监测系统等可以经过成果转化，形成与监测技术相关的产品直接进行市场销售，地质灾害光纤监测技术方法可通过示范工程的方式进行推广。
技术依托单位：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心
联系人：张青
通讯地址：河北保定七一中路1305号
邮政编码：071051
联系电话：0312-5908718，13503125891
电子邮件：zhqn123@163.com
张青的主要业绩~
1.参加原地矿部科技司项目《YDD-A型音频大地电场仪的研制》。该项目于1990年获地矿部科技成果三等奖，第三获奖人。2.参加原地矿部科技司项目《SJC型数字测井采集系统的研制》。该项目于1994年获地矿部科技成果三等奖，第二获奖人。3.参加国家科委“八五”计划攻关项目《微机音频大地电场仪的研制》。4.主持完成了国土资源部2000年科技发展专项计划《长江三峡地质灾害监测与预报》的课题3-5《基于TDR技术的崩塌滑坡监测系统的研制》。该项目在国内TDR滑坡监测系统首次将TDR技术应用于滑坡监测工程中，为我国地质灾害监测提供了先进的监测手段，研究成果属于国内首创。现在该监测系统被用于三峡库区地质灾害监测应用中。5.作为计划项目副负责，主持开展地质大调查计划项目《地质灾害预警关键技术方法研究与示范》的相关工作。6.作为工作项目负责，主持开展地质大调查工作项目《地质灾害监测技术优化集成研究》的工作。7.“十一五”国家科技支撑计划课题“地质灾害监测光纤传感技术应用研究”课题负责人，获国家科技进步二等奖。8.作为计划项目副负责人，组织参加计划项目《地质灾害预警关键技术方法研究与示范》的实施。9.作为课题负责人，组织实施“三峡库区三期地质灾害防治重大科学研究项目”课题“滑坡深部位移示踪监测系统研制”。10.2009年公益性行业科研专项项目“典型矿山地质环境监测预警关键技术研究”项目负责人。11.作为项目负责人，组织实施地质调查工作项目“地质灾害光导监测仪器研制与示范”。。12.作为计划项目负责人，组织参加计划项目《地质环境监测技术方法研究》的实施。
按照防灾减灾需要，在县市突发性地质灾害调查与区划、地质灾害高易发区1∶5万地质灾害调查、地质灾害监测预警示范、地面沉降调查与监测、地震地质灾害调查、重大工程建设区地壳稳定性调查、南方岩溶区岩溶塌陷调查等方面取得了大量进展。
完成了我国山区丘陵县（市）地质灾害调查与区划。1999～2008年，开展了全国1640个山区丘陵县地质灾害调查与区划，调查面积650×104km2，涉及人口约7.9亿。调查工作以县（市）为单元开展，通过1∶10万地质灾害调查，在各调查县（市）圈定地质灾害易发区，建立地质灾害群测群防网络，编制重大地质灾害防灾预案，建立县级地质灾害信息系统，编制县级地质灾害防治规划。共调查并确定地质灾害及地质灾害隐患点24多万处，基本摸清了我国山区丘陵区地质灾害及隐患点发育分布现状，摸清了全国山区丘陵区地质灾害的主要类型和分布规律、划分了地质灾害易发区，为地方政府在社会发展和经济建设过程中合理利用土地、主动防范地质灾害提供了重要依据。我国滑坡、崩塌、泥石流高易发区面积约128×104km2，主要分布在黄土高原地区、渝中鄂西黔北地区和川西南滇西地区。中易发区面积约214×104km2，主要分布在东南沿海低山丘陵地区、湘赣粤桂山地丘陵地区、东北东部山地与山东低山丘陵地区和伊犁河谷地区。
推进了地质灾害高易发区1∶5万地质灾害调查与地质灾害监测预警示范。在开展全国县（市）地质灾害调查与区划基础上，在西南山区、西北黄土高原区、湘鄂桂地区地质灾害高发区以县级行政区为单元开展了地质灾害详细调查，提高调查精度，通过地质灾害严重区滑坡、崩塌、泥石流灾害详细调查与测绘，查明地质灾害及其隐患的分布、形成的地质环境条件和发育特征，并对其危害程度进行评价，圈定地质灾害易发区和危险区，建立地质灾害信息系统，建立健全群专结合的监测网络。2011年以来，开展了大渡河流域、雅砻江流域、湟水河流域等流域的地质灾害调查，进一步了解了地质灾害发育的地质背景条件及诱发因素和地质灾害发育分布规律，确定了流域内主要地质环境问题，总结了西部复杂山体地质灾害成灾模式。对四川、重庆、陕西等省特大型滑坡进行了调查和评价，查明了特大型滑坡的数量、类型与分布规律及滑坡形成的主控诱发因素，分析了特大型滑坡的演化模式与稳定性，开展了特大型滑坡灾害风险区划。在四川雅安、重庆巫山和奉节、江西、陕西延安、闽东南、云南哀牢山等地区，建立了典型地质灾害监测预警示范区，应用光纤传感、GPS和INSAR等高新监测技术，开展地质灾害监测数据采集、传输、分析与发布系统等方面的示范研究，开展了群测群防技术研究与示范，取得了一系列地质灾害监测预警仪器和预警信息管理软件等方面的重要进展。
地面沉降调查与监测工作为区域地面沉降防治提供了基础依据。完成了长江三角洲地区、华北平原、汾渭盆地等重点地区地面沉降和地裂缝调查，建立了以基岩标、分层标和GPS、水准测量为主的区域地面沉降立体监测网络，为地面沉降与地裂缝灾害监测、防治提供了坚实的技术依据，为国家和地方地质灾害防治规划、地质环境保护规划提供了技术支撑。在长三角地面沉降区，研制了真三维变系数地下水流与地面沉降耦合模型，开展了地面沉降监测与风险管理研究，针对深基坑降排水引起的工程性地面沉降问题开展了专题调查与地下水人工回灌试验研究。在华北平原地区，对各项控沉措施进行了研究，提出了典型沉降区地面沉降和地下水开采量控制目标。建立了汾渭盆地地裂缝带黄土流变本构模型，在流变实验基础上，开展了地裂缝城镇减灾示范研究。完成了京沪高铁沿线北京至沧州段沿线地面沉降监测。
应对地震灾害开展了地震地质灾害应急排查与次生地质灾害调查研究。汶川地震、玉树地震发生后，迅速组织相关人员启动紧急启动地震灾区的遥感应急调查，及时提供地震灾区遥感影像数据和解译成果以及地质信息资，同时开展地震地质灾害应急调查，为灾区减灾避灾、灾害（隐患）排查、灾情评估、灾后重建规划等提供了翔实的数据资料。围绕汶川地震地质灾害重大科技问题，开展了现场调查、深部地球物理探测、GPS位移监测和相关试验，获得了龙门山构造带主要活动断裂和汶川地震地表破裂发育分布详细调查资料，总结了地震地质灾害的发育特征及分布规律。
根据国家重大工程建设需要，开展了区域地壳稳定性调查评价。针对青藏高原交通基础设施建设，开展了青藏铁路沿线活动断裂调查，摸清了活动断裂基本特征，实现高精度GPS和地应力实时观测，确定了铁路周缘潜在灾害隐患点；编制了滇藏铁路沿线区域地壳稳定评价分区图，梳理了工程建设中需重视的施工灾害问题。完成了河西走廊、秦巴山区和川西高原等地与西气东输、三峡引水济黄、南水北调等重大工程管线相关的地区活动断裂规律研究、地应力测量和区域地壳稳定性评价。2008年以来，开展了北京主要活动断裂工程稳定性评价，对关键构造部位进行了地应力测量与监测，揭示了北京地区主要隐伏活动断裂的深部几何学特征和首都圈地区地壳浅表层现今地应力环境；开展了关中—天水经济区、黄河上游李家峡库区和中巴经济走廊带的活动断裂调查，分析了其地质灾害效应和相关重大工程地质问题；推动了南北构造带南段活动构造体系调查。
探索推进了南方岩溶区岩溶塌陷调查。2010年以来，以珠江三角洲地区为试点，开展了岩溶塌陷调查，提出了岩溶塌陷地质灾害调查工作指南。在此基础上，推进了武汉、湘中、桂中、皖江经济带等地区的岩溶塌陷调查工作，初步查明了岩溶塌陷发育的现状、类型和时空分布特点。参与了重大岩溶塌陷灾害应急调查，为地方政府抢险救灾及时提供技术支撑。
光纤检测技术在地铁工程中的应用?
答：自20世纪90年代以来,美国、加拿大、日本、德国及英国等发达国家,纷纷将光纤检测技术应用于大坝、桥梁、电站及高层建筑物等大型民用基础设施的安全检测中,取得了令人鼓舞的进展,展示了光明的前景。光纤传感技术被国际上公认为结构安全检测最有前途、最理想的手段。正因为如此,光纤检测技术也引起隧道结构检测界...
浅议三峡库区地质灾害预警工程常用监测方法及应用
答：2中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所,河北保定,071051) 【摘要】长江三峡库区地质灾害预警监测是服务于地质灾害防治、保障三峡工程建设安全的主要基础工作。开县、万州区、巫山县的38个滑坡灾害专业监测点,采用大地形变监测、深部位移钻孔倾斜仪监测、地下水动态监测、滑坡推力监测、地表裂缝相对位移监测、GPS...
炉安是什么意思
答：炉安是什么意思 - 介绍炉安概念 炉安的英文全称是Loop Aided Fiber Optic Sensing，即回路辅助光纤传感技术。这项技术利用光纤作为传感器，在管道、桥梁、隧道等结构物上进行安装，通过光纤监测结构物的振动、变形等变化，以实时监测结构物的健康状态和运行情况。炉安技术的优点在于其精度高、实时性强、...
地质灾害遥感调查监测技术
答：我国地质灾害的遥感调查起步于20世纪80年代初,起步较晚,但发展较快,是在为山区大型工程服务中逐渐发展起来的,并扩大到铁路及公路选线、山区城镇等区域(冯东霞等,2002)。自国土资源大调查工作开展以来,应用数字地质灾害技术,先后完成了长江三峡库区、青藏铁路沿线、喜马拉雅山地区、川东等地近40×104 km2 的地质灾害...
光纤传感器的应用
答：在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优...
三峡库区万州—巫山段地质灾害监测预警研究
答：【摘要】为了较好地解决滑坡监测中高度的不确定性问题,需要配合使用多种类型的监测系统。本文系统介绍了三峡库区万州、奉节、巫山等地开展的地质灾害监测预警研究工作,包括基于3S技术和地面变形监测台网建立的研究区典型地段滑坡监测网、研制的新型滑坡无线遥测台网,以及流动倾斜仪、激光测距仪等专用设备。通过近年来获得...
灾害监测预警系统的原理是什么?
答：灾害监测预警系统的原理一般都是利用传感器采集数据传到云端，然后管理人员通过视频监控等远程监控。我们以输电线路可视化覆冰在线监测装置为例，输电线路可视化覆冰在线监测装置，（输电线路在线预警装置）采用高精度的应变式传感技术及图像视频技术，通过在铁塔上还原输电线路真实覆冰现场，精准的测算出覆冰的...
4G RTU 地质灾害预警监测系统
答：综上所述，建立地质灾害监测预警系统，是防治山洪、泥石流、山体滑坡等地质灾害的一项重要的非工程性措施。系统构成 4G RTU 地质灾害预警监测系统根据各地区灾害防御工作的特点和山洪灾害预警决策的需求，利用通信、计算机网络、数据库应用等技术手段，在省、市或县级别的防汛指挥部门建立山洪灾害 防预系统...
MEMS技术在煤矿瓦斯灾害预测中的应用
答：摘要 在利用MEMS技术对花岗岩样的压裂过程进行监测的基础上,应用对破裂的监测原理,探讨了MEMS技术在预测瓦斯爆炸方面的应用。实验中,用压机对岩样进行持续施压,观测到4批微破裂。主破裂发生之前的三批微破裂是岩样内部裂缝逐渐集中并相互贯通的结果,可以看作是地震发生前的前兆。主破裂的发生在宏观上产生裂缝。基于上...
张青的主要业绩
答：现在该监测系统被用于三峡库区地质灾害监测应用中。5.作为计划项目副负责，主持开展地质大调查计划项目《地质灾害预警关键技术方法研究与示范》的相关工作。6.作为工作项目负责，主持开展地质大调查工作项目《地质灾害监测技术优化集成研究》的工作。7.“十一五”国家科技支撑计划课题“地质灾害监测光纤传感技术...
