基于新型光纤传感技术实时远程监测复杂地质滑坡及其机理研究

复杂地质条件下滑坡规律探索、早期预警监测是目前的难点问题。本团队在国家自然科学基金项目支持下完成了新型复合光纤装置前期研制：在滑坡模拟监测中具有较高初始测量精度、较大测量运动行程、在一定范围内可判断荷载运动方向。但在模型试验中发现，光纤损耗及行程与加载点竖向位移的拟合曲线更趋线性，而砂土模拟试验的非线性更加明显；复合光纤装置与周围岩土体、材料间的荷载传递关系不明。项目组推测：深入研究这些科学现象的内在机理，有助于从全新角度揭示滑坡规律、实现滑坡的实时远程早期监测。因此，我们拟利用研制的具有完全自主知识产权的复合光纤装置，进一步探索钻孔周边岩土体、灌浆材料与复合光纤装置之间的耦合匹配关系，构建边坡稳定的数学物理模型，揭示滑坡规律；通过开展室内、现场模拟和现场边坡监测试验，研究光纤损耗与滑动面滑移量的关系，建立准确有效的复杂地质滑坡早期监测预报体系，为岩土工程减灾提供新的理论基础和技术支持。

背景.我国每年要发生数万起边坡失稳灾害，但近年来成功的监测比例平均不足5%。项目组在国家自然科学基金资助下，利用光纤传感技术开展了滑坡监测的室内和现场试验研究，探索了灌浆材料与复合光纤装置的最优耦合关系，建立了光纤损耗与滑移量的关系曲线，并探讨了试验边坡的滑坡机理。.主要研究内容.1.研制了与灌浆体试件直剪试验匹配的直剪仪，使其同时具有荷载、加载点位移、光纤行程记录功能。.2.开展了4种基材复合光纤装置在9种灌浆材料强度的试验，并通过室内试验、模型试验探索了灌浆材料与复合光纤装置之间的耦合匹配关系，提出了装置的材质和尺寸、钻孔尺寸的建议。.3.通过试件试验、模型试验建立了光纤损耗与滑移量的关系曲线。.4.通过模型试验、现场试验，验证试件试验的结果和建立的关系，基于复合光纤装置初步探讨了滑坡机理。.重要结果.1.研制了新型复合光纤装置、与其匹配的3代直剪仪，以及模型试验平台（钢结构制作），主要包括模型试验箱（外包尺寸为4.7×2.2×1.7m）、加载系统、吊车龙门架。装置实现了对较高的初始测量精度和动态范围、及对运动方向的判断；人造滑移面和两边挡板的摩擦系数是加载值大小的决定性因素，其值建议小于0.28。.2.确定了2种尺寸、2种材质的复合光纤装置与灌浆材料的最优耦合关系。基材的材质，建议选用EPS；基材的尺寸和钻孔尺寸，都是大的优于小的。砂浆强度与装置的初始测量精度在一定范围内正相关，而动态范围相反。.3.光纤损耗与滑移量的关系可用三次方曲线 描述。.4.除靠近坡面的位置外，边坡内部水平应力曲线随着荷载的增加呈明显的三段形式，竖向应力则逐渐线性增加。滑移曲线随荷载的增加也有较明显的拐点，其发生的荷载值与边坡水平应力曲线大体相等。初步揭示了滑坡从缓慢滑动、较快速滑动到快速滑动的三阶段的破坏机理。.关键数据.在目前研究情况下，我们得出如下关键数据：.1.开展了60组室内灌浆材料试验、4次模型试验和2次现场试验。.2.装置截面25*25，EPS和PVC，建议选1:5水泥砂浆；截面40*40，EPS和PVC，建议选1:4。.科学意义.针对不同的边坡，探索灌浆材料与复合光纤装置之间的耦合匹配关系，开展基于复合光纤装置的模型试验和边坡监测，探讨了滑移量与光信号损耗改变的关系，从复合光纤装置的角度探讨了滑坡机理，可为滑坡灾害提供新的、准确有效、远程实时的预测手段。