Применение распределенных волоконно-оптических датчиков для геотехнического мониторинга. Часть 2

Испытания работы распределенной волоконно-оптической сенсорной системы на прибрежном утесе

Распределенный волоконно-оптический датчик также использовался для трехлетнего (с мая 2015 г. по май 2018 г.) мониторинга поведения прибрежного туфового утеса Корольо (холм Позиллипо) в прибрежной зоне густонаселенного района Кампи-Флегрей (г. Неаполь, Италия). Этот утес был выбран из-за морфологии его крутого склона, его подверженности морской эрозии (из-за действия волн, ветра, колебаний температур и т. д.), геологического строения и окружающей антропогенной деятельности [20, 21].

Корольо имеет высоту 140 м и ширину 250 м (рис. 8). Его геологическая карта показана на рисунке 9. Верхняя часть утеса имеет углы наклона от 35 до 45 град. и сложена рыхлыми голоценовыми пирокластическими отложениями мощностью около 30 м. Его средняя часть характеризуется почти вертикальной стенкой обрыва и сложена двумя туфогенными инженерно-геологическими элементами, разделенными несогласием. Из них верхний сложен неаполитанским желтым туфом, литифицированным игнимбритом (спекшимся туфом), переслаивающимися брекчиями, тонкими слоями лапилли и массивными слоями пепла. Нижний элемент представлен древнейшим туфовым конусом Трентареми, состоящим из крупнозернистой пемзы и слоев лапилли. У подножия утеса также встречаются осыпные брекчии и пляжные отложения. Последовательность вулканокластических грунтов утеса Корольо характеризуется сложной системой структурных неоднородностей и трещин [20] с преимущественно круто падающими и горизонтальными плоскостями разрывов с сильно изменчивой плотностью их расположения.

Рис. 8. Вид спереди на утес Корольо. Для размещения распределенного оптоволоконного датчика были выбраны станции мониторинга № 3 и 19. Остальные места мониторинга были оборудованы обычными трещиномерами [22]

Рис. 9. Геологическая карта утеса Корольо (по [20])

Поперек туфовых блоков (отдельностей), расположенных в верхней части утеса, был закреплен распределенный волоконно-оптический тензодатчик длиной 30 м с помощью ряда специальных нагелей (анкеров). В частности, для измерений с помощью оптоволокна были выбраны две зоны развертывания (см. станции мониторинга, или блоки, № 3 и 19 на рисунке 8). Блок № 3 имеет высоту около 4 м, ширину 2 м, толщину 1,2 м, отделен сзади трещиной F1 и сбоку трещиной F2 (рис. 10, а). Трещина F1 сильно раскрыта и способствует формированию скального клина, пересекающегося с другими трещинами. Блок № 19 имеет высоту около 5 м, ширину 2 м, толщину 1,5 м и отделен сзади трещиной F1, что может вызвать его опрокидывание (рис. 10, б). Имеются также боковые трещины (F3 и F5). Блок выглядит утончающимся к его основанию.

Рис. 10. Туфовые отдельности (блоки) № 3 (а) и № 19 (б), мониторинг которых велся с помощью распределенного оптоволоконного датчика (N – C (север). – Ред.)

Распределенный волоконно-оптический датчик представлял собой оптоволоконный кабель BRUsens V1 производства компании Brugg Kabel AG (Брюгг, Швейцария), имеющий внешний слой из этилен-пропиленового каучука (EPR) толщиной 2,8 мм. Для его фиксации в зонах контролировавшихся трещин использовали специальные нагельные винты диаметром 6 мм, которые вкручивались в просверленные отверстия в туфе и надежно закреплялись там двухкомпонентной эпоксидной смолой 2-Ton Epoxy производства компании ITW Performance Polymers (Дэнверс, Массачусетс, США) (рис. 11). Оптоволоконный кабель закрепляли на каждом нагеле пластиковым зажимом так, чтобы он достиг достаточного натяжения, а затем место прикрепления кабеля и винта окончательно «запечатывалось» той же эпоксидной смолой. Мониторинг блока № 3 выполнялся с помощью трех участков оптоволокна поперек трещин, а блока № 19 – с помощью пяти участков.

Рис. 11. Установка распределенного оптоволоконного датчика для мониторинга поведения туфового блока № 19

На рисунке 12 показаны величины бриллюэновского сдвига частоты (BFS), полученные после установки распределенного оптоволоконного датчика по всему его контуру с пространственным разрешением 50 см. Для этих измерений менее строгие требования в отношении пространственного разрешения привели к выбору конфигурации измерений методом оптического анализа во временной области Бриллюэна (BOTDA). На рисунке 12 можно увидеть также разное поведение разных участков оптоволоконного контура. Первые 105 м, характеризуюшиеся BFS около 10,87 ГГц, были нужны только для того, чтобы достичь места мониторинга с верхней части холма, где было расположено опрашивающее устройство. Следующие 33 м (от 105 м до 138 м) с BFS порядка 10,59 ГГц составляли необходимую для мониторинга часть (кабель BRUsens V1). Последние 105 м (от 138 м до 243 м) требовались для замыкания кольцевой конфигурации. Две части контура длиной по 105 м, использовавшиеся для передачи сигнала в зону или из зоны мониторинга, включали два оптоволокна в составе одного бронированного кабеля. Следует отметить, что разницу в BFS этого бронированного кабеля и измерительного кабеля BRUsens V1 следует просто отнести к разной концентрации легирующей примеси в сердечнике.

На врезке в правом верхнем углу рисунка 12, где показана увеличенная в горизонтальном направлении часть графика, соответствующая зоне мониторинга, можно легко различить три пика, относящихся к зоне туфового блока № 3, и пять пиков, относящихся к зоне туфового блока № 19, которые возникли из-за предварительного натяжения, приложенного к оптоволоконному кабелю во время его установки.

Рис. 12. Величины бриллюэновского сдвига частоты (BFS), полученные по всему оптоволоконному контуру с пространственным разрешением 50 см после установки. На врезке в правом верхнем углу показана увеличенная в горизонтальном направлении часть графика, соответствующая зоне мониторинга

На рисунке 13 представлены общие результаты мониторинга. В частности, показано распределение величин BFS в контролируемой области – там, где пики относятся к блокам № 3 и № 19. Видно, что кривые для разных дат измерений смещены по вертикали, что можно объяснить зависимостью BFS от температуры (BFS изменяется примерно на 1 МГц на 1 °С). Влияние температуры на итоги мониторинга было компенсировано использованием результатов измерений участками того же измерительного оптоволоконного кабеля, которые не были закреплены и натянуты на блоках туфа, а были свободно (без натяжения) развернуты в непосредственной близости, поэтому воспринимали только изменения температуры.

Рис. 13. Величины бриллюэновского сдвига частоты (BFS), полученные вдоль оптоволокна в зоне мониторинга для разных дат периода наблюдений

При сравнении результатов мониторинга было замечено, что максимальные изменения BFS составили около 30 МГц, что соответствует относительной деформации около 600 мкм/м. Изменения деформаций для пиков в период мониторинга показаны на рисунке 14.

Рис. 14. Изменения относительных деформаций для пиков в период мониторинга

Полученные результаты показывают, что распределенный волоконно-оптический датчик был способен отслеживать деформации туфовых блоков исследованного утеса в течение всего периода мониторинга, даже несмотря на то, что их зарегистрированные небольшие значения были главным образом связаны с периодическими тепловыми расширениями породы. В конкретном случае для блока № 19 тенденция пика 4 также сочеталась с постепенным закрытием трещины. Это подтвердили и результаты независимых измерений, выполненных традиционными трещинометрами, которые приведены в работе [23], в которой рассмотрен долгосрочный (с 2014 по 2018 г.) мониторинг того же туфового утеса. В частности, блок № 19 демонстрировал переменное поведение (из-за метеорологических условий), но с явным преобладанием отрицательных деформаций, соответствовавших прогрессирующему закрытию трещины.

Выводы

Камнепады, обвалы и потоки обломочного материала из вулканических скальных и несвязных дисперсных грунтов, которые широко распространены вокруг итальянского города Неаполь, затрагивают густонаселенные районы. Для снижения связанных с этим рисков для населения и инфраструктуры, для своевременного обнаружения смешений слагающих склоны грунтов в режиме реального времени необходима установка таких инновационных датчиков, которые способны преодолеть ограничения ныне существующих систем мониторинга.

В этой статье рассматривалось изучение возможности использования распределенных волоконно-оптических датчиков для создания эффективной системы мониторинга деформаций слагающих склоны и обрывы грунтов.

В лабораторных условиях в лотке был создан мелкомасштабный искусственный склон из вулканического песка, оборудованный сложной системой мониторинга для проверки эффективности работы распределенного оптоволоконного датчика. Этот склон подвергался воздействию искусственного дождя вплоть до разрушения. Результаты измерений показали, что распределенная оптоволоконная сенсорная система обнаруживает прогрессирующие деформации склона раньше, чем другие датчики, а также способна различать поля деформаций в верхней и нижней частях склона.

Также были выполнены измерения для двух трещиноватых туфовых блоков на утесе Корольо. Результаты трехлетнего мониторинга их поведения показали, что распределенная волоконно-оптическая измерительная система способна отслеживать как тепловое расширение пород, так и прогрессирующие деформации трещин.

Было показано, что методы распределенного зондирования как в частотной (BOFDA), так и во временной (BOTDA) области могут широко применяться в зонах геотехнического мониторинга, причем первый больше подходит для мелкомасштабных лабораторных экспериментов с высоким разрешением, а второй предпочтителен для реальных крупномасштабных полевых условий.

В заключение следует отметить, что выполненные испытания подтвердили большой потенциал применения распределенных волоконно-оптических датчиков для мониторинга и анализа деформаций склонов и обрывов, сложенных как несвязными дисперсными, так скальными грунтами. Эксперименты показали, что можно достичь раннего обнаружения раскрытия трещин и разрушения склона или обрыва, то есть что разработка систем раннего предупреждения в этих случаях является вполне достижимой целью исследований.

-

Данное исследование было частично профинансировано Университетом административной области Кампания имени Луиджи Ванвителли (Университета Кампании Луиджи Ванвителли, г. Аверса, Италия).

Источник для перевода

Minardo A., Zeni L., Coscetta A., Catalano E., Zeni G., Damiano E., De Cristofaro M., Olivares L. Distributed optical fiber sensor applications in geotechnical monitoring // Sensors. 2021. Vol. 21. № 22. P. 7514. doi.org/10.3390/s21227514. URL: mdpi.com/1424-8220/21/22/7514.

Список литературы, использованной авторами переведенной статьи

1. Zillman J. The Physical Impact of the Disaster // Natural Disaster Management (Ingleton J., Ed.). Leicester, UK: Tudor Rose Holding Ltd., 1999. P. 320.
2. Cruden D. A simple definition of a landslide // Bull. IAEG. 1991. Vol. 43. P. 27–29.
3. EPOCH. The temporal occurrence and forecasting of landslides in the European community (Casale R., Fantechi R., Flageollet J.C., Eds.). Bruxelles, Belgium: European Commission, 1994.
4. Intrieri E., Gigli G., Mugnai F., Fanti, R., Casagli N. Design and implementation of a landslide early warning system // Eng. Geol. 2012. Vol. 147-148. P. 124–136.
5. Hidayat R., Sutanto S.J., Hidayah A., Ridwan B., Mulyana A. Development of a landslide early warning system in Indonesia // Geosciences. 2019. Vol. 9. № 10. P. 451 –461.
6. Voight B. A relation to describe rate-dependent material failure // Science. 1989. Vol. 243. P. 200–203.
7. Fukuzono T. Recent studies on time prediction of slope failure // Landslide News. 1990. Vol. 4. P. 9–12.
8. Wang B., Li K., Wei G. Test on application of distributed fiber optic sensing technique into soil slope monitoring // Landslides. 2009. Vol. 6. P. 61–68.
9. Damiano E., Avolio B., Minardo A., Olivares L., Picarelli L., Zeni L. A laboratory study on the use of optical fibers for early detection of pre-failure slope movements in shallow granular soil deposits // Geotech. Test. J. 2017. Vol. 40. P. 529–541.
10. Zhao M., Yi X., Zhang J., Lin C. PP-BOTDA distributed optical fiber sensing technology and its application to the Baishuihe landslide // Front. Earth Sci. 29 April 2021. Vol. 9. № 660918. DOI:10.3389/feart.2021.660918.
11. Zheng Y., Zhu Z.W., Li W.J., Gu D.M., Xiao W. Experimental research on a novel optic fiber sensor based on OTDR for landslide monitoring // Measurement. 2019. Vol. 148. № 106926.
12. Habel W.R., Krebber K. Fiber-optic sensors applications in civil and geotechnical engineering // Photonic Sens. 2011. Vol. 1. P. 268–280.
13. Hong C.Y., Zhang Y.F., Zhang M.X., Ming L., Leung G., Liu L.Q. Application of FBG sensors for geotechnical health monitoring: a review of sensor design, implementation methods and packaging techniques // Sens. Actuators A-Phys. 2016. Vol. 244. P. 184–197.
14. Minardo A., Bernini R., Zeni L. Numerical analysis of single pulse and differential pulse-width pair BOTDA systems in the high spatial resolution regime // Opt. Express. 2011. Vol. 19. P. 19233–19244.
15. Bernini R., Crocco L., Minardo A., Soldovieri F., Zeni L. All frequency domain distributed fiber-optic Brillouin sensing // IEEE Sens. J. 2003. Vol. 3. P. 36–43.
16. Darban R., Damiano E., Minardo A., Olivares L., Picarelli L., Zeni L. An experimental investigation on the progressive failure of unsaturated granular slopes // Geosciences. 2019. Vol. 9. № 2. DOI: 10.3390/geosciences9020063.
17. Olivares L., Damiano E., Netti N., De Cristofaro M. Geotechnical properties of two pyroclastic deposits involved in catastrophic flowslides for implementation in earlywarning systems // Geosciences. 2019. Vol. 9. № 1. DOI: 10.3390/geosciences9010024.
18. Picarelli L., Olivares L., Damiano E., Darban R., Santo A. The effects of extreme precipitations on landslide hazard in the pyroclastic deposits of Campania region: a review // Landslides. 2020. Vol. 17. P. 2343–2358.
19. Zeni L., Picarelli L., Avolio B., Coscetta A., Papa R., Zeni G., Di Maio C., Vassallo R., Minardo A. Distributed fibre optic sensing techniques for soil slope monitoring // Frontiers in Optics. Tucson, AZ: OSA Technical Digest (online), 2014. (Washington, DC, USA: Optical Society of America, 2014. Paper FTu2B.4.)
20. Matano F., Iuliano S., Somma R., Marino E., Del Vecchio U., Esposito G., Molisso F., Scepi G., Grimaldi G.M., Pignalosa A. et al. Geostructure of Coroglio tuff cliff, Naples (Italy), derived from terrestrial laser scanner data // J. Maps. 2015. Vol. 12. P. 407–421.
21. Minardo A., Caccavale M., Coscetta A., Esposito G., Matano F., Sacchi M., Somma R., Zeni G., Zeni L. Monitoring test of crack opening in volcanic tuff (Coroglio cliff, Italy) using distributed optical fiber sensor // Geophysics: Principles, Applications and Emerging Technologies. Hauppauge, NY, USA: Nova Science Publishers, 2016.
22. Matano F., Caccavale M., Esposito G., Grimaldi G.M., Minardo A., Scepi G., Zeni G., Zeni L., Caputo T., Somma R. et al. An integrated approach for rock slope failure monitoring: the case study of Coroglio tuff cliff (Naples, Italy) – preliminary results // Proceedings of the 1st IMEKO TC-4 International Workshop on Metrology for Geotechnics, Benevento, Italy, 17–18 March, 2016.
23. Matano F., Caccavale M., Esposito G., Fortelli A., Scepi G., Spano M., Sacchi M. Integrated dataset of deformation measurements in fractured volcanic tuff and meteorological data (Coroglio coastal cliff, Naples, Italy) // Earth Syst. Sci. Data. 2020 Vol. 12. P. 321–344.