地面沉降钻孔全断面分布式光纤监测技术

施斌; 顾凯; 魏广庆; 吴静红; 张诚成

doi:10.13544/j.cnki.jeg.2018-104

地面沉降钻孔全断面分布式光纤监测技术

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018-104

施斌^①,,
顾凯^①,
魏广庆^②,
吴静红^{①, ③},
张诚成^①

①.
地球科学与工程学院, 南京大学南京 210046
②.
苏州南智传感科技有限公司苏州 215123
③.
土木工程学院, 苏州科技大学苏州 215011

基金项目:

国家重大科研仪器研制项目 41427801

国家自然科学青年基金 41502274

国家自然科学基金面上项目 41372265

国家自然科学基金重点项目 41230636

详细信息

作者简介:
施斌(1961-), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 长期从事工程地质和地质工程监测与评价工作.Email:shibin@nju.edu.cn

中图分类号: P642.26
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出版历程
- 收稿日期: 2018-02-07
- 录用日期: 2018-03-19
- 刊出日期: 2018-04-25

FULL SECTION MONITORING OF LAND SUBSIDENCE BOREHOLE USING DISTRIBUTED FIBER OPTIC SENSING TECHNIQUES

SHI Bin^{①
,},
GU Kai^①,
WEI Guangqing^②,
WU Jinghong^{①, ③},
ZHANG Chengcheng^①

①.
School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210046
②.
Suzhou NanZee Sensing Technology Co., Ltd., Suzhou 215123
③.
School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011

摘要

摘要: 本文介绍了一种钻孔全断面分布式光纤监测技术，可以获得地面沉降过程中多场多参量数据，实现钻孔全断面的精细化监测。阐述了钻孔全断面分布式光纤监测技术的概念，并重点介绍了该技术涉及的传感光缆和传感器选择、钻孔回填材料、光缆-土的耦合性评价和光缆及传感器植入方法等关键技术。在此基础上，构建了钻孔全断面光纤监测系统。最后，结合苏州盛泽地面沉降光纤监测案例，介绍了钻孔全断面光纤监测过程和技术特点。
- 钻孔 /
- 全断面地层 /
- 光纤监测 /
- 地面沉降 /
- 关键技术
Abstract: This paper introduces a full section monitoring of land subsidence borehole using distributed fiber optic sensing(DFOS)techniques, which can obtain data on multi-fields and multi-parameters and provide delicate monitoring of land subsidence. The concept of full section monitoring of borehole using DFOS is firstly introduced. The key techniques on the application of this method include the selections of cables and sensors, the backfill materials, the coupling of cables and soils and the installation of cables and sensors in boreholes. A system frame of the full section monitoring of borehole with DFOS is built. Finally, the whole process of full section monitoring with DFOS and its features are illustrated with a case in Shengze Town, Suzhou.
- Borehole /
- Full section /
- DFOS /
- Land subsidence /
- Key techniques

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图 1 钻孔全断面光纤监测示意图

Figure 1. Schematic of borehole full section monitoring using DFOS techniques

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图 2 可控围压光缆-土的耦合性试验装置图

Figure 2. Schematic of cable-soil coupling effect evaluation apparatus with controllable confining pressure

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图 3 制备完成的试样

Figure 3. Image of prepared sample

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图 4 不同围压条件下光缆受拉后的应变分布

a.围压0；b.围压1.6 MPa

Figure 4. Strain distributions of cable after being pulled at different confining pressures

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图 5 围压对各级位移下光缆-土的耦合变形系数ζ_s-f的影响

Figure 5. Effect of confining pressure on cable-soil deformation coupling coefficient(ζ_s-f)

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图 6 配重导锤

a.结构示意图；b.实物图

Figure 6. Heavy guide

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图 7 钻孔全断面光纤监测系统框架

Figure 7. Frame of borehole full section monitoring system

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图 8 苏州盛泽钻孔全断面光纤监测系统

Figure 8. Full section monitoring of one borehole in Shengze, Suzhou

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图 9 苏州盛泽钻孔光纤监测结果

Figure 9. Monitoring results from borehole in Shengze, Suzhou

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图 10 地层变形与孔隙水压变化关系图

a. 3个含水砂层变形情况；b. 4个弱透水层变形情况

Figure 10. Relationship between strata deformation and pore water pressure in Af2

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表 1 钻孔全断面光纤监测常用传感元件及解调设备

Table 1. Common used sensors and demodulators for borehole full section monitoring using DFOS techniques

		传感元件		可选解调设备
应力场和变形场监测	FBG埋入式应变计		灵敏度高，稳定性高，用于测量土体内部应变	MOI(美国)SM-125型FBG解调仪；南智(中国)A03、A04、A05型便携式FBG解调仪
	FBG位移计		安装方便，适用于地裂缝、形变位移等测量
	金属基索状光缆		具有极好的机械性能和抗拉抗压性能，适合各种恶劣工况	中电四十一所(中国)AV6418、AV6419型BOTDR解调仪；ANDO公司AQ8603型BOTDR解调仪；DVANTEST(日本)N8511型BOTDR解调仪；Neubrex(日本)PPP-BOTDA解调仪
	紧包护套传感光缆		富有弹性，极为柔软，易与监测物协调变形；弹性模量较小，铺设过程中不宜过分拉伸
	定点传感光缆		独特内定点的设计，实现非连续非均匀应变分段均一化分布式测量，适于大变形监测
水分场和渗流场监测	FBG渗压计		尺寸小，适用于地下孔隙水、油气、液体压力监测	MOI(美国)SM-125型FBG解调仪；南智(中国)A03、A04、A05型便携式FBG解调仪
	碳纤维加热感测棒		测试精度高，适用于室内模型含水率监测
	碳纤维内加热传感光缆		适用于短距离测试(< 500m)，可监测水分场、渗流场	NZS-DTS-M06 DTS解调仪
	碳纤维内加热感测管		缠绕方式提高测量精度，适用于地下水位监测
地温场监测	测温光缆		用于温度补偿测量
地温场监测	FBG温度计		多点串联，可用于岩土体内外部温度测量	MOI(美国)SM-125型FBG解调仪；南智(中国)A03、A04、A05型便携式FBG解调仪

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表 2 Neubrex产NBX-6050A型BOTDA参数

Table 2. Testing parameters for NBX-6050A type BOTDA from Neubrex

空间分辨率/m	采样间隔/m	应变测量范围/×10³με	测量精度/με	测量重复性/με
0.1	0.05	-30~+40	±7.5	±7.5

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表 3 第四纪地层划分

Table 3. Segmentation of quaternary strata

地层	深度/m	承压含水层组分布		土层性质
全新统Q_h	5.3
上更新统Q_p3	37.0	第Ⅰ组	隔水层(Ad1)	黏性土
上更新统Q_p3	41.2	第Ⅰ组	含水层(Af1)	粉细砂
中更新统Q_p2	45.0	第Ⅱ组	隔水层(Ad2)	黏性土、粉土
	74.35		隔水层(Ad2)	黏性土、粉土
	87.7		含水层(Af2)	细-中砂
下更新统Q_p1	97.1	第Ⅲ组	隔水层(Ad3-1)	黏土
下更新统Q_p1	137.9		弱透水层(Ad3-2)	粉土、黏土夹细砂
上新统N₂	151.0		含水层(Af3)	细-中砂
上新统N₂	165.1		弱透水层(Ad4)	粉土、黏土夹细砂
中新统N₁	200.0	半固结层(S-S)		固结成岩

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参考文献(12)

Galloway D L, Burbey T J. 2011. Review:Regional land subsidence accompanying groundwater extraction[J]. Hydrogeology Journal, 19(8):1459-1486. doi: 10.1007/s10040-011-0775-5

Hu J P. 2011. A study on the land subsidence effect after prohibiting extraction of groundwater in Suzhou-Wuxi-Changzhou area[D]. Nanjing: Nanjing University.

Kunisue S, Kokubo T. 2010. In situ formation compaction monitoring in deep reservoirs using optical fibres. IAHS-AISH Publication: 368-370.

Shi B. 2013. On fields and their coupling in engineering geology[J]. Journal of Engineering Geology, 21(5):673-680. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-YSLX200807006.htm

Shi B. 2017. On the ground sensing system and ground sensing engineering[J]. Journal of Engineering Geology, 25(3):582-591. doi: 10.1117/12.317826.short?SSO=1

Wu J H. 2017. Research on land subsidence mechanism and soil layer deformation potential evaluation based on DFOS technology[D]. Nanjing: Nanjing University.

Zhang C C, Shi B, Liu S P, et al. 2018. Study on the coupling effect between borehole backfill and directly embedded distributed strain sensing optical cable[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, accepted. https://dl.acm.org/citation.cfm?id=2373291.2374049

胡建平. 2011. 苏锡常地区地下水禁采后的地面沉降效应研究[D]. 南京: 南京大学.

施斌. 2013.论工程地质中的场及其多场耦合[J].工程地质学报, 21(5):673-680. http://www.gcdz.org/CN/abstract/abstract11333.shtml

施斌. 2017.论大地感知系统与大地感知工程[J].工程地质学报, 25(3):582-591. http://www.gcdz.org/CN/abstract/abstract12386.shtml

吴静红. 2017. 基于DFOS的地面沉降机理与地层变形潜力评价研究[D]. 南京: 南京大学.

张诚成, 施斌, 刘苏平, 等. 2018.钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究[J].岩土工程学报, 录用. http://cbimg.cnki.net/Editor/2016/0328/mtxb/a2107160-d5ee-4c42-8e59-0ab9a08554e7.doc

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