Применение распределенных волоконно-оптических датчиков для геотехнического мониторинга. Часть 1

Введение

Ежегодные экономические потери и число человеческих жертв из-за гидрогеологических явлений очень высоки. В этом отношении третьим по значимости типом стихийных бедствий в мире являются оползни [1]. Хотя оползень и можно определить как движение массы из камней, более мелкообломочного материала и/или земли под действием гравитации [2], но тип, скорость и протяженность этого движения находятся в широких диапазонах. Существуют различные классификации оползней. В Европе на основе проекта EPOCH [3] оползни классифицируют только по типам грунта и движения, тогда как другие наиболее распространенные классификации учитывают также скорость движения (рис. 1), которая является одной из наиболее изменчивых характеристик. Оползень может двигаться со скоростью от нескольких сантиметров в год, как в случаях перемещения земляных масс или глубинных комплексных явлений, до многих километров в час, как в случаях камнепадов, обвалов или обломочных лавин, которые не оставляют времени на предупреждение населения и наносят огромный ущерб как сооружениям, так и людям.

Рис. 1. Классификация оползней по типам грунта, скорости и типам движения (по geologyin.com/2015/02/types-of-wasting-slump-rockslide-debris.html (дата последнего обращения: 08.11.2021))

Для снижения рисков оползней одной из основных стратегий является использование систем раннего предупреждения (СРП), основанных на эффективном мониторинге: можно отслеживать причины, вызывающие оползни, если они четко распознаются, или их последствия, такие как смещение слагающих склон грунтов и ускорение. В некоторых случаях, например когда оползни настолько велики, что их невозможно стабилизировать, единственным практическим решением может быть использование СРП [4, 5]. Однако из-за большой изменчивости таких явлений не может быть использована универсальная схема мониторинга.

Одним из наиболее эффективных инструментов прогнозирования быстрых и очень быстрых смещений слагающих склон материалов (например, обвалов) является выявление поверхностных смещений грунта в режиме реального времени [6, 7]. Действительно, непрерывное наблюдение позволяет сразу же обнаруживать возникающие смещения, что может иметь решающее значение для своевременного принятия решений в отношении безопасности и последующих действий по раннему предупреждению. Кроме того, наличие эффективных систем дистанционного мониторинга также углубляет понимание кинематики оползней.

Хотя обычные геодезические и геотехнические приборы, такие как тахеометры, GPS-приемники, инклинометры или экстензометры, очень точны и надежны, они обеспечивают измерения только в нескольких точках, а не во всей нестабильной области. Кроме того, они неэффективны при отслеживании либо очень быстрых оползней, которые требуют мониторинга с высоким временным разрешением, либо гравитационных перемещений грунтов во фронтальной части, когда местоположение области, подверженной развитию оползня, априори не распознается.

Дополнительно могут применяться распределенные волоконно-оптические датчики, поскольку они позволяют выполнять мониторинг больших площадей с большой точностью и с высоким временным разрешением при низких затратах. Смещения грунтов, слагающих склон, могут быть обнаружены и локализованы путем надлежащего прикрепления оптоволокна к грунту либо непосредственно, либо с помощью георешеток/геотекстиля [8–11]. Чтобы подчеркнуть универсальность этого инструмента, в данной статье будут приведены два примера использования распределенных волоконно-оптических датчиков в качестве систем мониторинга деформаций для двух различных типов перемещений грунтов, слагающих склоны. В одном примере будет рассказано о распределенной волоконно-оптической системе, отслеживающей и анализирующей деформации мелкомасштабного склона, в котором индуцируется обломочный поток. В другом примере будет рассмотрено применение такой системы для мониторинга смещений в зонах трещин в скальном склоне, сложенном вулканическим туфом. Будет показано, что такие датчики задолго до разрушения склона могут обнаруживать как смещения несвязного дисперсного грунта, так и развитие трещин в туфовых породах.

В следующих разделах сначала будут описаны методы работы, затем – экспериментальные измерения и в конце – выводы.

Методы исследований

Волоконно-оптические датчики хорошо подходят для геотехнического мониторинга благодаря их преимуществам по сравнению с другими технологиями, такими как устойчивость к агрессивным средам, простота размещения в стесненных условиях внутри структурных компонентов и возможность мультиплексирования [12].

Датчики на основе волоконных брэгговских решеток, или волоконных решеток Брэгга (FBG, Fiber Bragg Grating), считаются надежными для мониторинга состояния строительных и геотехнических проектов [13]. Однако они обеспечивают измерение деформаций только в отдельных точках вдоль волокна.

Напротив, распределенные волоконно-оптические датчики обеспечивают пространственно непрерывное зондирование по всей длине оптоволокна. Следовательно, они более эффективны, чем датчики FBG, особенно когда требуется мониторинг на большой площади.

Распределенные волоконно-оптические датчики, работающие на основе принципа вынужденного бриллюэновского рассеяния, или вынужденного рассеяния Бриллюэна (SBS, Stimulated Brillouin Scattering), в частности, дают возможность выполнять измерения температуры и/или деформаций в оптических волокнах на протяжении больших расстояний (до нескольких десятков километров) и с высоким пространственным разрешением (1 м или менее). В этих датчиках зондирующая оптическая волна взаимодействует со смещенной по частоте волной оптической накачки, встречно распространяясь вдоль волокна. Когда сдвиг частоты между двумя указанными волнами попадает в так называемый спектр усиления Бриллюэна (BGS, Brillouin Gain Spectrum), происходит передача энергии между этими двумя волнами, что приводит к частотно-зависимому усилению оптических зондирующих сигналов. Бриллюэновский сдвиг частоты (BFS, Brillouin Frequency Shift) представляет собой такой сдвиг частоты, при котором происходит максимальное усиление зондирующего оптического сигнала. Любое отклонение BFS от эталонного результата измерения является признаком деформации и/или изменения температуры.

Методы оптического анализа во временной области Бриллюэна (BOTDA, Brillouin Optical Frequency-Domain Analysis) и оптического анализа в частотной области Бриллюэна (BOFDA, Brillouin optical frequency-domain analysis) обеспечивают измерение бриллюэновского сдвига частоты (BFS) с пространственным разрешением вдоль оптоволокна. Однако они различаются по типу модуляции, наложенной на волну накачки: в методе BOTDA используется импульсная волна накачки [14], в то время как датчик BOFDA требует использования синусоидально-модулированного пучка накачки [15].

Разные виды модуляции приводят к разным характеристикам двух указанных методов измерений. Работа датчиков BOTDA обычно ограничена пространственным разрешением метрового масштаба из-за времени, необходимого для запуска механизма вынужденного рассеяния Бриллюэна (SBS). А датчики BOFDA способны давать гораздо более хорошее пространственное разрешение (в сантиметровом или даже миллиметровом диапазоне) благодаря предварительной активации акустической волны, участвующей в явлении SBS.

Но с точки зрения скорости сбора данных, измерения методом BOFDA обычно происходят медленнее из-за необходимости выполнять отнимающую много времени частотную развертку с использованием векторного анализатора цепей (VNA, Vector Network Analyzer). Для волоконно-оптических датчиков, которые не являются чрезмерно длинными (длина которых составляет менее 1 км), измерения методом BOTDA обычно выполняются за доли секунд, в то время как измерения методом BOFDA проводятся в диапазонах минут.

На рисунке 2 показана общая схема измерений методом BOTDA или методом BOFDA. Излучение лазера CoBrite DX1 с рабочей длиной волны 1550 нм (производства компании ID Photonics, Нойбиберг, Германия) разделяется древовидным оптическим разветвителем (сплиттером Y- или Т-типа) с коэффициентом деления оптического сигнала 50/50. В нижней ветви свет модулируется с помощью электрооптического модулятора интенсивности IM2 с получением либо импульсной, либо синусоидальной модуляции в зависимости от типа проводимых измерений (BOTDA или BOFDA соответственно). Последующий сигнал накачки усиливается, проходя через оптический усилитель на основе волокна, легированного эрбием, EDFA2 (Erbium Doped Fibre Amplifier 2), затем переключается его поляризация в переключателе поляризации (PS, polarization switch) и, наконец, через волоконно-оптический циркулятор он входит в измерительную оптоволоконную линию в зоне мониторинга (FUT, Fiber Under Test) с одного конца. Переключатель поляризации (PS) попеременно поворачивает плоскость поляризации волны накачки на 90 град., чтобы реализовать схему поляризационного разнесения каналов [9]. В верхней ветви (см. рис. 2) генерируется зондирующая волна посредством двухполосной модуляции с подавленной несущей частотой (DSB SC, Double-SideBand Suppressed-Carrier modulation). На практике модулятор интенсивности оптического излучения IM1 имеет смещение в минимальной точке передачи мощности, так что радиочастотный (RF, RadioFrequency) сигнал, подаваемый микроволновым генератором SynthHD производства компании Windfreak Technologies (Порт-Ричи, Флорида, США), генерирует две боковых полосы в спектре зондирующей волны с разницей между частотой каждой из них и частотой лазерного излучения, соответствующей радиочастоте. Затем зондирующая волна усиливается, проходя через оптический усилитель на основе волокна, легированного эрбием, EDFA1 (Erbium Doped Fibre Amplifier 1), проходит через оптический изолятор и входит в измерительную оптоволоконную линию в зоне мониторинга (FUT, Fiber Under Test) с другого конца. Отраженное в месте измерений излучение направляется через волоконнно-оптический циркулятор к узкополосной (около 0,04 нм) волоконной брэгговской решетке (FBG), которая «выбирает» (отражает) боковую полосу с более низкой частотой (стоксову компоненту) и в то же время отфильтровывает (пропускает) усиленный шум, обусловленный спонтанным излучением EDFA1. Наконец световой сигнал преобразуется в электрический с помощью высокоскоростного фотоприемника (PD, PhotoDetector, photoreceiver) модели 1544-B производства компании Newport Corporation (Ирвин, Калифорния, США), соединенного с системой сбора данных (DAQ, Data Acquisition System), включающей аналого-цифровой преобразователь FMC104 производства компании Abaco Systems (Хантсвилл, Алабама, США) или векторный анализатор цепей M9374A производства компании Keysight (Санта-Роза, Калифорния, США) для измерений методами BOTDA или BOFDA соответственно.

Рис. 2. Использованная экспериментальная система. Сплошные линии – волоконно-оптические пути; штриховые линии – электрические пути

Испытания на физической модели склона, оборудованной измерительными инструментами

Были выполнены экспериментальные испытания, направленные на исследование процессов деформирования мелкомасштабной физической модели склона из несвязного дисперсного материала, подвергавшегося искусственному выпадению дождевых осадков вплоть до разрушения [16]. При этом для измерений применялся распределенный волоконно-оптический датчик.

Грунт, использованный в этих экспериментах, был взят из района города Червинара, расположенного к северо-востоку от Неаполя и пострадавшего от катастрофической обломочной лавины в 1999 году. Это был рыхлый вулканический песок [17]. Его укладывали слоями толщиной по 1 см, которые осторожно утрамбовывали при увлажнении, достигнув общей мощности 10 см. Длина и ширина созданной физической модели склона были равны 110 и 50 см соответственно. Угол наклона поверхности грунта составлял 35 град., что было значительно ниже угла его внутреннего трения, равного 38 град. И, чтобы способствовать развитию прогрессирующего разрушения, самая верхняя часть склона длиной 35 см была на 5 град. круче, чем остальная часть.

Из-за ограниченных размеров модели было важно выполнять измерения распределенных по искусственному склону деформаций с высоким пространственным разрешением (в сантиметровом масштабе). Поэтому был выбран метод оптического анализа в частотной области Бриллюэна (BOFDA), обеспечивающий пространственное разрешение 5 см за счет временного разрешения около 3 минут.

При формировании искусственного склона для последующего измерения поля деформаций грунта на глубине 5 см было проложено оптоволокно диаметром 0,9 мм с буферным покрытием, наложенным с обжатием (рис. 3, б). Этот волоконно-оптический кабель пересекал склон в двух местах поперек (OF-S1 и OF-S2 на рисунке 3) и в двух местах вдоль (OF-S3 и OF-S4 на рисунке 3) склона. Волоконно-оптические пряди внутри склона были слегка предварительно натянуты и закреплены на плексигласовых стенках лотка клеем. Чтобы улучшить передачу напряжений между сенсорным кабелем и окружающим грунтом, вдоль оптического волокна через каждые 25 см были расположены небольшие анкеры, специально изготовленные с использованием кусков геосетки.

Во время испытания для контроля поведения искусственного склона применялись и другие устройства: 6 миниатюрных тензометров (Т1–T6), установленных в трех поперечных сечениях на глубине 5 см и в подошве грунта на глубине 10 см для измерения матричного всасывания (см. рис. 3, а), а также 5 лазерных датчиков (L1–L5), установленных над поверхностью грунта для мониторинга его осадок. Кроме того, использовались 2 цифровые фотокамеры (C1, C2) для получения с помощью велосиметрии по изображениям частиц (PIV, Particle Image Velocimetry) полей смещений и скоростей поверхности грунта. Эти 2 камеры, установленные на высоте 1 м над поверхностью грунта, позволяли снимать участок шириной 50 см и длиной 100 см. Вид в плане и поперечное сечение рассматриваемой физической модели склона, оснащенной измерительными инструментами, схематично показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Физическая модель склона с указанием размещения измерительных инструментов: схематический вид в плане и в продольном разрезе (а); размещение линий распределенного волоконно-оптического датчика во время формирования склона (б) (Примечания: от OF-S1 до OF-S4 – линии распределенного волоконно-оптического датчика; Т1–T6 – тензометры; L1–L5 – лазеры; C1, C2 – цифровые фотокамеры. – Ред.)

Чтобы вызвать разрушение склона, над поверхностью грунта был создан искусственный дождь интенсивностью 100 мм/ч. Изначально грунт был неводонасыщенным, что придавало ему более высокое сопротивление сдвигу, чем при водонасыщении. Увеличивающееся увлажнение склона приводит к увеличению удельного веса грунта и снижению его прочности вплоть до возникновения трещин растяжения и инициирования разрушения склона, которое в случае такого  рыхлого метастабильного материала превращается в очень быстрый обломочный поток.

На рисунке 4 показано влияние дождя на матричное всасывание грунта (левая ось на рисунке 4) и на оседание поверхности склона (правая ось на рисунке 4). Следует обратить внимание, что разные цвета графиков относятся к разным местам расположения датчиков, как показано на врезке в левом нижнем углу рисунка. Всасывание постепенно уменьшается во времени до минимального значения (примерно за 25 мин.), что указывает на водонасыщение, измеряемое тензометрами, установленными в подошве грунта (на глубине от поверхности, равной 10 см).

В процессе увлажнения (примерно через 18 мин.) сразу за изменением наклона вниз по склону на поверхности грунта появилась трещина (чуть ниже положения поперечного участка волоконно-оптического кабеля OF-S2, см. рис. 3, б). Примерно через 25 мин. лазерные датчики зафиксировали оседание грунта на величину около 5 мм по всему склону (см. рис. 4), что указывало на наличие как объемных, так и сдвиговых деформаций. Кроме того, матричное всасывание грунта, зарегистрированное в подошве грунта тензометрами, изначально установленными на глубине 10 см (см. рис. 4), стало меньше, чем всасывание, зарегистрированное тензометрами, изначально установленными на глубине 5 см (см. рис. 4). Это говорит о том, что водонасыщение грунта происходило с возможным формированием уровня грунтовых вод, поднимавшегося начиная с подошвы грунта. Потом оседание грунта значительно и менее равномерно увеличивалось по всему склону вплоть до разрушения, которое произошло через 29 мин. после начала дождя. (Действительно, прогрессирующее водонасыщение грунта, сопровождающееся объемными и сдвиговыми деформациями, является механическим процессом, ведущим к разрушению склона [18, 19].)

Рис. 4. Изменения матричного всасывания и осадок грунта во время испытания на инфильтрацию воды от искусственного дождя

Деформирование склона также анализировалось с помощью фотокамер и распределенного волоконно-оптического датчика. Прогрессирующее деформирование слагавшего его грунта было выявлено по скоростям смещений вдоль линии А-А' (рис. 5) и с помощью велосиметрии по изображениям частиц (PIV): самая верхняя часть склона, где наклон был выше (точка 5 на рисунке 5), начала перемещаться раньше с большей скоростью, чем самая нижняя часть. И процесс деформирования характеризовался более высокой скоростью в верхней части склона в течение всего эксперимента. Поскольку подножие склона была зафиксировано, наименьшие скорости смещений были в точке 1 (см. рис. 5).

Рис. 5. Точки мониторинга на поверхности грунта 1–5, показанные красным цветом (а), и скорости смещений, полученные с помощью велосиметрии по изображениям частиц, то есть метода PIV (б)

Это также было подтверждено измерениями с помощью распределенного волоконно-оптического датчика (рис. 6). Они показали тренды деформаций по всей длине оптоволоконного кабеля. Результаты измерений по четырем его линейным участкам, встроенным в склон, четко видны на рисунке 6, поскольку они являются единственными его местами, подверженными деформированию. Значения деформаций для каждого рассмотренного на рисунке 6 момента времени (3, 11, 13, 17, 20, 22, 25 мин.) были получены путем вычитания каждого профиля бриллюэновского сдвига частоты (BFS) из профиля BFS, полученного в начале испытания (то есть во время t = 0 мин.) и последующего преобразования полученных изменений BFS (МГц) в значения относительных деформаций оптоволокна (мкм/м) с использованием обычного коэффициента преобразования 0,05 МГц/(мкм*м^-1). Распределенный волоконно-оптический датчик отследил прогрессирующее деформирование грунта, которое постепенно увеличивалось во времени по всему склону. Он также помог выявить отличающееся поведение верхней части склона, где деформации были выше таковых в средней и нижней частях (см. рис. 6).

Если посмотреть на результаты измерений для частей распределенного волоконно-оптического датчика у подножия склона, соответствующих примерно 8,2 и 11,3 м на оси абсцисс (см. рис. 6), то становится ясно следующее. Хотя в этих местах и были выявлены очень малые значения деформаций, датчик не смог различить сжимающие деформации, ожидаемые в подножии склона. Вероятно, это произошло из-за несовершенной передачи напряжений оптоволокну от окружающего его грунта.

Рис. 6. Деформации вдоль измерительного волоконно-оптического кабеля по всей его длине. Участки S1–S4 соответствуют линейным участкам оптоволоконного кабеля, встроенным в грунт, слагающий искусственный склон (OF-S1 и OF-S2 – поперек склона; OF-S3 и OF-S4 – вдоль склона, см. рис. 3, б)

Наконец, на рисунке 7 сопоставлены деформации, измеренные с помощью поперечных линейных участков распределенного волоконно-оптического датчика (OF-S1 и OF-S2) и полученные путем велосиметрии по изображениям частиц (PIV) с использованием цифровых фотокамер. Деформации, определенные этими двумя методами, хорошо согласовывались во время первой части эксперимента, но после образования первой трещины растяжения только волоконно-оптический датчик показал, что деформации значительно увеличились примерно за 10 мин. до разрушения склона. Более того, оптоволоконный участок OF-S2, расположенный близко к области возникновения трещин растяжения, смог обнаружить деформирование грунта, превышавшее выявленное методом PIV в том же месте (см. сечение 2 на рисунке 7) и в более раннее время (примерно через 4 мин. после начала эксперимента): за 1 мин. до возникновения трещин на поверхности оптоволоконный участок OF-S2 зафиксировал относительную деформацию грунта около 630 мкм/м, тогда как методом PIV была выявлена деформация менее 100 мкм/м. Это указывает на то, что распределенный волоконно-оптический датчик можно эффективно использовать не только для оценки поля деформаций склона в процессе инфильтрации дождевой воды, но и для своевременного обнаружения предвестников приближающегося разрушения.

Рис. 7. Деформации, измеренные поперечными линейными участками распределенного оптоволоконного датчика (OF-S1 и OF-S2, см. рис. 3) и с помощью цифровых фотокамер в местах расположения OF-S1 (в 45 см выше подножия склона) и OF-S2 (в 30 см ниже бровки склона)

-

Во второй части перевода, которая выйдет в ближайшее время, будет рассказано о мониторинге поведения трещин и разделенных ими блоков в прибрежном скальном утесе, сложенном вулканическими туфами. В конце будут приведены общие выводы по результатам всего исследования и список литературы, использованной авторами переведенной статьи. Сегодня этот список можно посмотреть по адресу: mdpi.com/1424-8220/21/22/7514.

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: doi.org/10.3390/s21227514. URL: mdpi.com/1424-8220/21/22/7514.