[发明专利]一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统

说明书

本发明公开了一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，包括模型箱、隧道口边坡模型、分布式光纤监测子系统、数据采集子系统、数据分析子系统。其中，数据采集子系统、数据分析子系统设置在模型箱的侧面，分布式光纤监测子系统由边坡表面的光纤以及采用螺旋缠绕的三分量分布式光纤共同组成，通过改变光纤的布设形式，使其具有全天候、大容量、长距离、高灵敏、低成本等优势，采用螺旋缠绕的三分量分布式光纤，可以实现三维测量，弥补了单根光纤在三维测量方面存在的不足，本发明针对DAS分布式光纤在边坡的布设方式以及缠绕式三分量分布式光纤的应用，为隧道口边坡灾害的监测和预警提供一种新的监测手段和试验平台。

技术领域

本发明属于边坡工程领域，特别是涉及一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统。

背景技术

在铁路和公路的线路规划中，桥隧的占比越来越大，在隧道结构中，隧道口边坡和跨断层地段，是隧道最容易出现破坏的地段。在川藏地区进行隧道建设时，隧道口边坡受到降雨、冻融、地震、高低温、高应力等复杂的环境作用，是整体工程中最容易出现破坏的区域之一，基于边坡结构造价昂贵以及其对于整个隧道工程的重要性，及时、准确、全面的监测预警系统就显得尤为必要。

分布式光纤传感技术是(DAS)一种利用通信光缆作为敏感单元，可实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术，相较于传统的应变片、传感器等点式监测方式，分布式光纤传感技术具有全天候、大容量、高灵敏、低成本、长距离、抗电磁干扰能力强、电镀绝缘性好、可实现连续监测等优势，目前，已经应用于周界安防、铁路运输、油气资源勘探、结构健康监测等多个领域，尤其在油井和管道泄露领域，已经开展深入研究，展现出良好的应用前景。

由于光纤对轴向的应变比较敏感，对于径向的应变灵敏度不足，所以单根光纤的三维测量是一大难题，有关学者开展螺旋缠绕光纤开展分布式光纤声波传感三分量振动信号采集研究，通过建立单根光纤螺旋缠绕的数学模型，确定螺旋光纤轴向应变的表达式和螺旋光纤上任意点的三维空间位置关系式，明确螺旋光纤轴向应变与光纤所在位置处3个方向真实应变之间的数学映射关系，可以较好地解决光纤地三维测量问题。基于以上研究，可以将三分量分布式光纤传感技术，通过对布设方式进行设置，实现对隧道口边坡进行实时监测，建立完善、准确可靠的隧道口边坡监测预警系统。目前，针对三分量分布式光纤传感技术在隧道口边坡灾害的监测和预警方面的应用研究还缺乏相关探究和试验平台。

现有技术中，在试验模型中监测手段主要采用的是应变片和传感器测量应变、位移、含水率等数据，但是应变片和传感器为点式布置，只能采取重点部位重点布设方式，无法实现沿线数据的全天候、全域测量，数据的数量和质量均存在一定的问题，较难得出数据的变化特征，从而导致无法精准识别边坡的破坏模式和规律，影响对边坡薄弱段进行精准预测，进而影响对边坡灾害的预警和设防。

同时由于传感器造价昂贵，在实际边坡工程中，无法实现大批量密集布设，导致对于破坏位置的判别精度不够，应变片虽然成本低廉，但是测量数据精度不够，灵敏度、抗电磁干扰能力较差。亟需一种新型的高灵敏度、全天候、大容量、低成本的监测手段。普通的单根光纤由于自身对轴向的应变比较敏感，对于径向的应变灵敏度不足，所以光纤的三维测量是一大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种三分量分布式光纤隧洞口边坡灾害监测预警系统，包括模型箱、边坡模型、分布式光纤监测子系统、数据采集子系统、数据分析子系统；

所述边坡模型设置于所述模型箱内部；

所述分布式光纤监测子系统用于获取所述边坡模型的边坡数据；

所述数据采集子系统用于对所述边坡数据进行相位解调，获取测量波形；

所述数据分析子系统用于对所述测量波形进行分析整理，根据分析整理结果进行灾害监测预警。