CN102997861A - 一种基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：所述系统包括分布式光纤监测网络、监控室、中央监控中心和远程客户端；所述的光纤监测网络设置在边坡上，所述的光纤监测网络通过光纤与监控室连接，监控室通过局域网与中央监控中心通信，中央监控中心再通过因特网与远程客户端通信。本发明能够用于高铁土质边坡滑坡状况实时监测的系统在应用中具有如下技术优点：1.施工及后期维护方便。2.可实现长距离监测，可达数十公里。3.可实时、在线、永久性、全天候地对边坡滑坡状况进行监测及预警。4．光纤本身是电无源，且不受电磁干扰，适合恶劣环境应用。
Description
技术领域
本发明涉及到分布式光纤传感领域，具体地说，是涉及到一种基于分布式光纤应变传感技术的用于高铁边坡滑坡状况实时监测的系统。
背景技术
光纤传感技术是在20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的一种新型传感技术。这些光纤传感器根据作用范围又可以分为三类：点式传感器（如光纤微弯传感器、光纤Fabry-Perot传感器、光纤Bragg光栅传感器等），积分传感器（如光纤Michelson干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪），分布式传感器（如利用拉曼散射效应制成的温度分布式传感器）。作为分布式传感器的一种，BOTDR（Brillouin Optical Time-domain Reflectometer），中文名为“布里渊散射光时域反射测量仪”，是一种分布式光纤应变传感器，可以连续测量数十公里范围内的光纤应变分布式。基于布里渊光时域反射技术的分布式光纤传感器是近年来在分布式光纤传感领域内研发成功的一项高端技术，它除了具有一般光纤传感技术的抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围宽、便于复用成网、小型化和维护成本低等优点外，最重要的是可以得到光纤沿线任一点的应变和温度信息。
高铁沿线的土质边坡在降雨和高速火车产生的振动的双重作用之下，其极易发生浅层滑坡现象。因此，对高铁边坡健康状况进行实时监测，提前对监测对象的健康状况实现预警，不仅可避免一些事故的发生，避免不必要的人员伤亡和国家财产的损失，而且又能有效节约人工巡检时间、降低人力成本。BOTDR技术的优点适合用于土质边坡健康状况监测，掌握边坡的形变动态及实现滑坡预警，这对保证高铁的安全运行具有一定的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够用于高铁土质边坡滑坡状况实时监测的系统。本发明的系统可实时监测高铁边坡形变，并能自动地根据所监测到的数据决定是否发出边坡健康预警信号。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：所述系统包括分布式光纤监测网络、监控室、中央监控中心和远程客户端；所述的光纤监测网络设置在边坡上，所述的光纤监测网络通过光纤与监控室连接，监控室通过局域网与中央监控中心通信，中央监控中心再通过因特网与远程客户端通信。
其进一步特征在于：所述的分布式光纤监测网络内有固定点和连接各固定点的光纤，光纤在坡面采用近似蛇形的走线方式，在走线路径上每隔一段距离设置一个固定点，所述的固定点采用钢钎或其它易敲入土体的固定构件，连接各固定点的光纤绕在固定构件上并用粘合剂将它们粘在一起。
进一步的：设置在坡面后缘顶部的固定点作为监测基点，固定构件在此处打入土体深度至少达到1.0m，在其余固定点处，固定构件打入土体的深度在约0.5m。
其进一步特征还在于：所述监控室内包括BOTDR主机和监控电脑，通过网络连接；所述的BOTDR主机接收由光纤在被监测点感应到的土体形变信息，并计算出各个监测点的实时应变曲线，即与距离对应的实时应变曲线；所述的BOTDR主机可以对边坡健康状况异常点和断纤位置进行准确定位，通过对试验对象的测试数据的分析，可由用户自行设定滑坡预警门槛值，当所测得的光纤应变变化量即土体型变量超过了滑坡预警门槛值，BOTDR主机将发出报警信号。所述监控室内的监控电脑，通过局域网与BOTDR主机通信，为用户提供实时的与距离对应的土体应变曲线及滑坡预警的图形画面，同时还为用户提供设置报警参数及其它一些参数的界面。
进一步的：所述中央监控中心通过局域网与BOTDR主机通信，同时BOTDR主机又将监测数据和滑坡预警信号发送给中央监控中心；所述中央监控中心通过因特网将监测数据和滑坡预警信号发送给远程客户端。
基于上述技术方案，本发明的能够用于高铁土质边坡滑坡状况实时监测的系统在应用中具有如下技术优点：
1. 施工及后期维护方便：安装方便，只需将光纤埋入待监测边坡表层土体内，并每隔一段距离设置一个固定点，固定构件可采用钢钎或其它易敲入土体的相关构件，然后将光纤与固定构件粘结在一起，以便每段光纤都处于拉紧状态；在后期维护方面，当发生很大的滑坡而致光纤折断时，只需派人去现场用熔接机将断纤熔接好即可。
2. 可实现长距离监测，可达数十公里。
3. 可实时、在线、永久性、全天候地对边坡滑坡状况进行监测及预警；
4．光纤本身是电无源，且不受电磁干扰，适合恶劣环境应用。
附图说明
图1是本发明用于高铁边坡滑坡状况实时监测的系统结构示意图。
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12：固定点
13：坡面 14：土体 15：基岩 16：前端底部 17：后缘顶部
18：光纤 19：BOTDR主机 20：监控主机 21：监控室
22：中央监控中心 23：远程客户端。
具体实施方式
下面我们结合附图1和具体的实施例来对本发明的一种基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统作进一步的详细说明，以求更为清楚明白地理解其工作原理和具体应用，但不能以此来限制本发明的保护范围。
一种基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，所述系统包括有分布式光纤监测网络、监控室21、中央监控中心22和远程客户端23。
所述分布式光纤监测网络可以采用瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射等形式，下述实施例为基于布里渊散射形式的分布式光纤监测网络。
所述的光纤监测网络内有固定点1-12和连接各固定点的光纤18，所述的监控室21内由BOTDR主机19和监控电脑20。所述的光纤监测网络通过光纤与监控室21连接，监控室21通过局域网与中央监控中心22通信，中央监控中心22再通过Internet（因特网）与远程客户端23通信。
在本发明的边坡实时监测系统中，作为一种优化设计方案，所述的光纤监测网络铺设在坡面13内，为了实现对整个坡面的全面监测并降低工程量，光纤18在坡面上的走线路径采用了近似蛇形的方式。其次，根据前人的研究可知，在降雨的影响下，坡面13的后缘会产生较大位移，而前端位移较小，因此只在坡面13的中部、后缘空间布设光纤18，即距后缘顶部17 8.0m宽的坡面，而距前端底部16 2.0m宽的坡面则不布设光纤18；最后，对于固定点1-12处固定构件的打入深度也需要周密设计，根据前人研究所知，由降雨所致的滑坡多发生边坡浅层，而深层土体发生形变很小甚至无形变，因此设置在坡面后缘顶部17作为监测基点的固定点1、2、3和4处的固定构件打入土体深度至少1.0m，以保证其相对固定不动，而其余固定点5-12处的固定构件打入土体深度只需达到0.5m即可。所述的固定点1-12采用钢钎或其它易敲入土体的固定构件，连接各固定点的光纤18绕在固定构件上并用粘合剂将它们粘合一起，以便每段光纤都处于拉紧状态。如此布设光纤主要是因为光纤与土体接触面很小，期间摩擦力较小，容易发生光纤与土体变形不协调的问题，即土体发生位移变化而光纤却未随着土体变化，亦因此需要在光纤走线路径上每隔一段距离设置一个固定点，土体发生位移变化时就可以通过固定构件传递给光纤，以达到光纤土体的变形协调之目的。所述的光纤监测网络的一端直接与监控室内的BOTDR主机相连。
所述监控室21内的BOTDR主机19是基于BOTDR技术原理的一款分布式光纤应变监测产品。光纤18在被监测点感应的土体形变信息以光的形式通过光纤本身传送给BOTDR主机19，其经过计算处理得出各个监测点的实时应变曲线，即与距离对应的实时应变曲线。BOTDR主机19可以对边坡健康状况异常点和断纤位置进行准确定位，以便维护人员能及时找到异常点并开展相应的处理工作。通过对试验对象的测试数据的分析，可由用户自行设定滑坡预警门槛值，当所测得的光纤应变变化量（即土体型变量）超过了滑坡预警门槛值，BOTDR主机19将发出报警信号。所述监控室21内的监控电脑20，通过局域网与BOTDR主机19通信，为用户提供实时的与距离对应的土体应变曲线及滑坡预警的图形画面，同时还为用户提供设置报警参数及其它一些参数的界面。
所述中央监控中心22也可通过局域网与BOTDR主机19通信，同时BOTDR主机19又将监测数据和滑坡预警信号发送给中央监控中心22。
所述中央监控中心22通过Internet（因特网）还可以将监测数据和滑坡预警信号发送给远程客户端23，以便上级管理人员可以及时了解现场情况并给出相应的指示。
其具体实施步骤如下：
第一步：在坡面13土体14挖20cm左右深的沟槽，沿着如图1中所示的光纤18走线路径开挖；
第二步：沿着沟槽表面一定位置处设置固定点，其中横向固定点间隔3.0m（如固定点1与2间隔为3.0m），纵向固定点间隔4.0m（如固定点1与8间隔为4.0m）；固定点的固定构件采用40mm粗的钢钎，竖直地打入土体14内部，其中位于后缘顶部的固定点1、2、3和4是作为监测基点，为了保证其相对固定不动，钢钎打入深度需至少达到1.0m，而在其余固定点钢钎打入深度均为0.5m；
第三步：将光纤18放入已挖好的沟槽中，在固定点处，将光纤与钢钎缠绕5~10圈，然后再用瞬干胶和沥青将它们粘接；
第四步：将黄土回填沟槽中，将光纤18埋在坡面土体14内；
第五步：将光纤18的一端连接到监控室21内的BOTDR主机19；
第六步：启动BOTDR主机19、监控电脑20，设置相关的监测软件参数，做些必要的调试工作，然后即可对试验边坡滑坡状况进行实时监测及预警。
本发明的能够用于高铁土质边坡滑坡状况实时监测的系统针对高铁边坡滑坡状况实时监测及预警的应用，其有较强的可操作性，监测对象覆盖较全，且可实现实时、在线、全天候、永久性地监测和提前预警。其可大大缩减人工巡检时间，降低检查成本，以确保高铁的正常运行，保障国家财产和人员生命安全。
Claims (5)
1.一种基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：所述系统包括分布式光纤监测网络、监控室、中央监控中心和远程客户端；所述的光纤监测网络设置在边坡上，所述的光纤监测网络通过光纤与监控室连接，监控室通过局域网与中央监控中心通信，中央监控中心再通过因特网与远程客户端通信。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：所述的分布式光纤监测网络内有固定点和连接各固定点的光纤，光纤在坡面采用近似蛇形的走线方式，在走线路径上每隔一段距离设置一个固定点，所述的固定点采用钢钎或其它易敲入土体的固定构件，连接各固定点的光纤绕在固定构件上并用粘合剂将它们粘在一起。
3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：设置在坡面后缘顶部的固定点作为监测基点，固定构件在此处打入土体深度至少达到1.0m，在其余固定点处，固定构件打入土体的深度在约0.5m。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：所述监控室内包括BOTDR主机和监控电脑，通过网络连接；所述的BOTDR主机接收由光纤在被监测点感应到的土体形变信息，并计算出各个监测点的实时应变曲线，即与距离对应的实时应变曲线；所述的BOTDR主机可以对边坡健康状况异常点和断纤位置进行准确定位，通过对试验对象的测试数据的分析，可由用户自行设定滑坡预警门槛值，当所测得的光纤应变变化量即土体型变量超过了滑坡预警门槛值，BOTDR主机将发出报警信号。
5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤应变传感的高铁边坡滑坡状况实时监测系统，其特征在于：所述中央监控中心通过局域网与BOTDR主机通信，同时BOTDR主机又将监测数据和滑坡预警信号发送给中央监控中心；所述中央监控中心通过因特网将监测数据和滑坡预警信号发送给远程客户端。
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