地质与岩土工程分布式光纤监测技术

序

前言

符号表

第一章 绪论 1

1.1 地质与岩土工程监测 1

1.2 地质体的特点与监测要求 2

1.3 常规监测技术及其不足 3

1.4 分布式光纤感测技术 5

1.5 土木工程光纤监测现状 7

1.6 地质与岩土工程光纤监测现状 8

1.7 本专著的主要内容 10

第二章 分布式光纤感测技术 12

2.1 光纤与光缆 12

2.2 光纤感测技术的工作原理 13

2.3 光纤感测技术的分类 14

2.3.1 点式光纤感测技术 15

2.3.2 准分布式光纤感测技术 15

2.3.3 全分布式光纤感测技术 17

2.4 几种常用的分布式光纤感测技术 17

2.4.1 基于布拉格光栅的准分布式光纤感测技术 18

2.4.2 基于瑞利散射的全分布式光纤感测技术 23

2.4.3 基于拉曼散射的全分布式光纤感测技术 26

2.4.4 基于布里渊散射的全分布式光纤感测技术 27

2.5 常用光纤感测技术的特点分析 36

第三章 分布式光纤感测技术性能研究 38

3.1 概述 38

3.2 FBG的感测性能 38

3.2.1 FBG中心波长与应变和温度的关系 38

3.2.2 光纤光栅的光敏性 39

3.2.3 FBG的稳定性 40

3.2.4 FBG温度与应变交叉敏感问题 40

3.3 基于瑞利散射的分布式光纤感测性能研究 41

3.3.1 主要性能指标 41

3.3.2 提高感测性能的途径 42

3.4 基于拉曼散射的分布式光纤感测性能研究 43

3.4.1 主要性能指标 43

3.4.2 提高感测性能的途径 44

3.5 基于布里渊散射的分布式光纤感测性能研究 45

3.5.1 基本性能指标 45

3.5.2 提高感测性能的方法 46

3.5.3 布里渊散射光谱特性分析 49

3.5.4 提高空间分辨率的频谱分解法 54

3.5.5 布里渊频谱降噪 58

3.6 应变测量的温度补偿技术研究 59

3.6.1 温度变化对光纤参数的影响 59

3.6.2 温度补偿方法 60

第四章 光纤传感器与传感光缆 65

4.1 概述 65

4.2 准分布式 FBG传感器 65

4.2.1 FBG传感器的种类和特点 65

4.2.2 FBG传感器的感测性能标定 69

4.2.3 FBG传感器的感测特性研究 72

4.3 全分布式传感光缆 73

4.3.1 传感光缆的标定方法 73

4.3.2 传感光缆的结构及护套效应 75

4.3.3 传感光缆的疲劳性能 79

4.3.4 传感光缆的温度感测性能对比 82

4.4 缆-土耦合感测性能研究 87

4.4.1 缆-土界面耦合变形力学模型 87

4.4.2 缆-土界面参数及光缆测值可靠性判据 94

4.4.3 缆-土界面耦合的影响因素 96

4.4.4 土中直埋式光缆的应变分布特征 105

4.5 传感光缆与回填材料的耦合性能研究 106

4.5.1 考虑高围压的光缆 -回填料耦合性研究 106

4.5.2 传感光缆钻孔注浆耦合材料配合比研究 112

第五章 地质与岩土工程多场分布式光纤监测技术 116

5.1 概述 116

5.2 应变场的光纤监测技术 117

5.2.1 监测原理 117

5.2.2 传感光缆（器） 117

5.2.3 应用实例 119

5.3 应力场的光纤监测技术 120

5.3.1 监测原理 120

5.3.2 解调技术与传感光缆（器） 120

5.3.3 应用实例 122

5.4 变形场的光纤监测技术 123

5.4.1 监测原理与方案 123

5.4.2 解调技术与传感光缆（器） 123

5.4.3 布设方式 125

5.4.4 应用实例 125

5.5 温度场的光纤监测技术 126

5.5.1 监测原理与方法 126

5.5.2 解调技术与传感光缆（器） 126

5.5.3 布设方案 126

5.5.4 应用实例 127

5.6 水分场的光纤监测技术 128

5.6.1 概述 128

5.6.2 水分场分布式光纤监测原理 129

5.6.3 加热型 FBG传感器研制 130

5.6.4 加热型传感光缆研制 131

5.6.5 水分场光纤监测 134

5.6.6 应用验证 135

5.7 渗流场的光纤监测技术 137

5.7.1 概述 137

5.7.2 监测原理 138

5.7.3 解调技术与传感光缆（器） 138

5.7.4 渗流速率的标定 139

5.8 化学场的光纤监测技术 141

5.8.1 概述 141

5.8.2 基本监测原理 142

5.8.3 海水盐度 LPG监测试验 142

5.9 其他场的光纤监测技术 147

5.10 地质与岩土工程分布式光纤多场监测 148

第六章 分布式光纤监测系统 149

6.1 概述 149

6.2 监测系统设计原则 149

6.3 监测系统基本结构与内容 150

6.4 监测数据采集与传输 151

6.5 监测数据处理、分析及决策 152

6.5.1 一般步骤 153

6.5.2 基于小波分析的光纤监测数据处理 155

6.5.3 异常区域的模式识别方法 157

6.5.4 基于分布式监测的正、反演探讨 162

6.5.5 基于应变场分布的岩土工程结构损伤识别 167

6.6 监测数据可视化 170

6.6.1 系统架构和功能 170

6.6.2 数据可视化 172

6.6.3 边坡稳定性评价可视化 173

6.7 监测数据分析模型与预警预报 173

6.7.1 监测数据的关联规则分析 173

6.7.2 基于 BP神经网络的边坡多场信息分析 175

6.7.3 基于光纤监测的边坡稳定性评价和滑坡预警 178

第七章 光纤大变形监测技术与现场布设 186

7.1 概述 186

7.2 FBG大变形监测技术 186

7.3 分布式光纤大变形监测技术 188

7.3.1 定点式光纤应变监测技术 188

7.3.2 分布式光纤测斜技术 189

7.3.3 管式光纤变形监测技术 192

7.3.4 光纤深层沉降监测技术 194

7.3.5 光纤多点位移监测技术 195

7.3.6 螺旋弹簧式光纤变形监测技术 195

7.3.7 光纤双向传感器 198

7.4 传感器与传感光缆的现场布设 199

7.4.1 传感器的现场布设 199

7.4.2 传感光缆的现场布设 209

第八章 土工模型试验光纤测试技术 215

8.1 土工模型试验的测试要求 215

8.2 光纤感测技术 215

8.3 传感器与传感光缆研发 216

8.3.1 FBG传感器 216

8.3.2 传感光缆 219

8.4 传感光缆的安装要点 222

8.5 测试实例 223

8.5.1 小型土体模型试验光纤测试 223

8.5.2 中型土体模型试验光纤测试 226

8.5.3 覆岩变形物理模型试验光纤测试 231

8.6 土工离心机模型 FBG测试系统 235

8.6.1 概述 235

8.6.2 测试系统 236

8.6.3 微型 FBG传感器 237

8.6.4 感知杆件制作 237

8.6.5 FBG解调仪 238

8.6.6 边坡离心模型试验 239

第九章 岩土工程光纤监测技术研究 244

9.1 概述 244

9.2 桩基光纤测试技术研究 244

9.2.1 主要问题 244

9.2.2 光纤测试方案 245

9.2.3 监测实例 252

9.3 隧道光纤监测技术研究 254

9.3.1 主要问题 254

9.3.2 光纤监测方案 255

9.3.3 监测实例 262

9.4 基坑光纤监测技术研究 266

9.4.1 主要问题 267

9.4.2 光纤监测方案 268

9.4.3 监测实例 272

第十章 地质灾害光纤监测技术研究 278

10.1 概述 278

10.2 钻孔全断面光纤监测技术 278

10.2.1 钻孔全断面光纤监测概念 278

10.2.2 钻孔全断面光纤监测系统 279

10.3 地面沉降光纤监测技术研究 282

10.3.1 主要问题 282

10.3.2 分布式光纤监测方案 282

10.3.3 苏州盛泽地面沉降监测 284

10.4 地裂缝光纤监测技术研究 287

10.4.1 主要问题 287

10.4.2 分布式光纤监测方案 288

10.4.3 无锡四房巷地裂缝监测 291

10.5 边坡光纤监测技术研究 293

10.5.1 主要问题 293

10.5.2 边坡监测方案 294

10.5.3 三峡库区马家沟滑坡分布式光纤监测 298

参考文献 312

名词术语 327

索引 332 2100433B

分布式光纤感测技术为地质灾害预测预警与岩土工程安全监测提供了一个新的监测理念和技术手段。本专著是作者团队二十年来在地质与岩土工程分布式光纤监测技术方面研究成果的总结，全书包括十章。在介绍了地质与岩土工程监测特点和分布式光纤感测技术的工作原理与技术优势的基础上，系统地展现了研究团队在分布式光纤感测技术性能、光纤传感器与传感光缆、地质与岩土工程多场光纤监测技术、分布式光纤监测系统、光纤大变形监测技术与现场布设、土工模型试验光纤测试技术、岩土工程和地质灾害光纤监测技术等八个方面的研究成果。书中还附有符号表、参考文献、名词术语和索引等。

空间分辨率：≤1.3mm；距离分辨率：≤0.65mm；采样频率：≥23.8HZ；传感光纤测试距离：≥10m；最大应变量程：≥±10000με；应变测试精度：≤±1.0με；应变测试重复性误差：不高于±0.55% FS；传感光纤类型：普通单模光纤；分析软件可进行云图显示处理；详细技术参数参照《分布式光纤应变监测分析系统招标要求》。

《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》属于岩土工程监测和检测技术领域和基于分布式光纤传感检测技术领域；尤其涉及灌注桩基础分布式光纤传感检测方法。

1、通道：2通道。 2、空间分辨率：0.2m。 3、空间检测精度：低至5厘米。 4、动态范围：25dB。 5、空间监测点：每米20点。 6、温度监测范围：-273℃到 1000℃。 7、应变监测范围：-5%（压缩）到 3%（拉伸）。