基于光纤感测技术的盐城陈家港地面沉降精细化过程研究

吴起帆，吴静红，贾立翔，唐柏鉴，龚绪龙

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011；2.苏州南智传感科技有限公司，江苏 苏州215123；3.江苏省地质调查研究院 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京210018）

地面沉降是指地面标高持续下降的一种地质现象，已成为世界各大城市的一个主要工程地质问题[1]。多数地面沉降是由于大量开采地下水导致的，地面沉降的发生发展缓慢而不易察觉，是一种“慢性”灾害，因此，对地面沉降的长期监测就显得尤为重要。

目前，通过采用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术、全球卫星定位系统（GPS）等技术进行地面沉降监测可以获取地表高程变化。秦晓琼等[2]利用永久散射体雷达干涉技术（PSInSAR技术）监测上海地面沉降，监测结果与水准数据比较验证，误差在毫米级，验证了该技术的有效性和实用性。潘登等[3]针对郑州市地面沉降机理研究较薄弱的问题，利用InSAR和水准技术分析出该地区地面沉降主要分布地区。罗建忠等、沈玉娜等[4-5]利用GPS监测技术对地面沉降区域地表形变进行数据处理与分析，验证了该技术应用于地面沉降监测的可行性。然而这些监测技术主要适用于宏观的区域性地面沉降趋势分析，不能对地下不同深度土层的变形量进行直接监测。对于深部土体位移监测，现阶段主要采用基岩标和分层沉降标，如王美华等[6]以“三维立体化监测”为目标，提出了土体深层（分层）沉降监测技术的发展趋势，并建立包含空中、地面、土体内部的同步监测，实现变形监测智能评价和安全预警。王刚等[7]对郑州市地面沉降监测进行场地选址、建标深度确定等一系列施工，采用三牙轮钻头宝塔式钻具组合不取心钻进施工工艺，对基岩标的建设有一定的借鉴意义和推广价值。但是该方法成本较高且只能对特定深度土层进行变形监测，无法实现钻孔全断面土层变形分析。

分布式光纤感测技术作为一种新型的监测技术，能够获得地面沉降过程中多场多参量数据，实现精细化的沉降过程监测，近些年已被试用于地面沉降监测中[8]。顾凯等[9-11]利用它对一个300 m深钻孔进行了监测，并对土层结构变形进行分析，通过识别沉降和变形演化过程，提供了沿整个河道的土体变形分布清晰图像，证明了含水层的变形受孔隙水压力的显著控制，认为该技术在地面沉降监测中具有稳定的长期监测性能。

本文结合全分布式光纤监测技术布里渊光时域反射技术（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR），和准分布式光纤监测技术布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG），对盐城市响水县陈家港中心小学内的一个350 m深钻孔土层进行了近两年半的监测，分析评价了该地区地下含水层水体变动情况及地下土体受水体变动影响下的变形特征。

1 光纤感测技术原理

1.1 全分布式感测技术

BOTDR技术是基于入射光波与声波或传播的压力波在光纤中传播时产生的非弹性碰撞而出现的光散射[12]，可以看成入射光在移动光栅上的散射。其应变测量原理如图1所示。当散射光能量达到最高时，能够确定位置Z处的布里渊频率漂移VB，布里渊散射光的频移VB与光纤应变ε呈线性关系，即

其中，VB（ε）是当应变为ε时的布里渊频率的漂移量；VB0为在测试环境温度不变的条件下，光纤自由状态时的布里渊频率漂移量；为光纤的应变系数；ε为光纤的实际发生应变量。

图1 BOTDR的应变测量原理图[12]

1.2 准分布式感测技术

FBG技术是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成的，其工作原理如图2。当温度或应变改变后，光纤的折射率发生了改变，从而引起光栅波长偏移。利用应变和温度之比与光栅波长偏移量的线性关系，得出被测体应变量[13]。波长漂移量与应变和温度的关系可表示为?

其中，Δλβ为FBG中心波长的变化量；λβ为FBG中心波长；Pe为有效光弹系数；ε为光纤轴向应变；ΔT为温度变化量；α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数。

准分布式感测技术利用一根信号传导光纤，将多个FBG传感器串联起来，通过波分复用和时分复用等感测原理，将多个传感器的感测信号区分而获得各个传感器的感测信息。

图2 FBG传感系统原理[13]

2 盐城陈家港地面沉降监测方案

2.1 研究区域概况

盐城响水地貌为平原，大面积覆盖第四纪与新近纪沉积物，多为淤泥、淤泥质亚黏土、亚黏土、粉质黏土、粉砂、亚砂土等多层状结构的松散沉积物。近年来，盐城响水通过围海造陆、工程建设来发展经济，对区域内大量高压缩性、高含水量和低承载力的软土产生的较大扰动，土体稳定性差，易产生地面沉降[14]。截止到2016年全市累计地面沉降量均大于100 mm，而累计地面沉降量大于200 mm的区域面积为10 812 km2，约占盐城市总面积的63.86%（注：江苏省地质勘察技术院调查结果）。顾晟彦等[15]利用MapGIS中的空间分析功能将分布在盐城北部的滨海、阜宁、响水射阳县城等定为高危险区，如图3所示。据此，将地面沉降观测钻孔地点选在盐城响水，钻孔具体位置处于盐城市响水县陈家港中心小学内（见图3）。

图3 地面沉降危险性分区图[15]及光纤监测孔位置示意图

2.2 监测方案

监测钻孔深度为350 m，传感器具体布设安装方案如图4所示。为实现钻孔全断面地层岩土体变形监测，选用了地层定点双芯全分布式传感光缆，其内部有两根光纤，一根为250μm直径光纤，另一根为900μm直径光纤，两根光纤均为局部定点松套光缆，可实现地层变形分段均一化测量和较大变形测量。

根据相关地层资料，在0～350 m深度范围内，分别在72 m、166 m和197 m含水层布设1支光纤光栅渗压计用于监测含水层内渗水压力变化情况，重点进行水位监控。此外，对于抽水含水层内及其上部相邻隔水层分别布设1支15 m标距的光纤光栅位移计，用于监测其变形情况。其中，抽水含水层内位移计头部深度101 m，尾部深度86 m，相邻隔水层内位移计头部深度85 m，尾部深度70 m。

2.3 监测实施

在钻孔成孔完成后，对钻孔进行一次扫孔，并用清水进行洗孔处理。将光缆和光纤光栅传感器引线穿入到配重导头内，根据设计方案串接连线，将各光缆和引线串接成回路。使用环氧树脂胶将光缆与导头粘结，在其外面使用布基胶带缠绕固定[16]，如图5所示。将两条定点光缆上的两条受力麻绳，交叉绑扎固定在导头上（见图5（a））。在钻孔周围场地上，将位移计引标安装固定好（见图5（b））。将固定好光缆、引线和麻绳等配重导头放入钻孔内部。将钻杆放入配重导头尾部套管内，通过下放钻杆将光缆带入到钻孔深部（图5（c）），待光缆下放到底部后，使用仪器对光缆进行检测。最后采用封孔材料进行回填封孔。

图4 光纤传感器布设方案

图5 监测实施（a：导头连接；b：位移计安装；c：光缆下放）

陈家港监测孔光纤监测点于2014年9月28日布设完成，封孔材料与周围土体固结耦合周期为2～3个月，初始值采集在封孔材料回填接近3个月之后的2014年12月14日采集。将采集的初始值数据作为数据分析的基准数值（分布曲线应变基准值），之后监测周期约为3个月一次，并进行长期监测。

3 监测数据分析

3.1 全断面应变、变形分析

将2014年12月14日的监测数据作为初始数值，之后监测周期所测得的应变数值减去初始数值，即可得到各监测周期内感测光缆的应变变化值，根据BOTDR监测所得数据，截至2017年6月25日，相应监测周期内，双芯光缆的两种光纤的应变分布曲线见图6。陈家港监测孔地层定点250μm和900μm光纤监测趋势基本相同，在15 m深度范围以上正应变急剧减小为负应变，这是由于浅表土体围压较小造成的预拉状态下光缆的回缩，并且该深度地表受到大气温度变化而影响。在15～25 m深度范围压应变随监测周期逐渐增大，表面该深度范围内土层处于压缩状态。其余层段应变基本上处于零值附近，土体未发生明显的变形。

将感测光缆的应变值沿深度方向进行积分，可以得到土层近似变形量（见图7）。在深度上，土层变形主要发生在200 m以上，200 m以下地层变形量较小。其中，0～100 m范围变形波动较大，这主要与地下水的波动密切相关。在时间上，随着监测次数的增多，全断面土层变形呈逐渐增大的趋势，说明现阶段该地区土层仍有持续压缩。图8给出了陈家港钻孔布设的含水层内部（头部深度103 m和尾部深度88 m）及含水层上覆隔水层（头部深度87 m和尾部深度72 m处）内的2支光纤光栅位移计监测到的土层变形以及相对应位置的全分布式光纤监测到的72～87 m、88～103 m土层变形图。位移计监测到的土层变形显示72～87 m弱透水层呈现出压缩回弹再压缩的波动变形，整体上有回弹趋势，压缩主要发生在6月至8月的夏季。88～103 m含水层变形同样存在波动变形，但整体上呈压缩状态，最大压缩量在7 mm左右。而全分布式光纤监测到的72～87 m和88～103 m土层变形趋势相同，整体呈现出压缩回弹再压缩，压缩主要也发生在夏季，最大压缩量在6 mm左右。可以发现全分布式监测与准分布式监测存在一定差异，这是因为全分布式监测得到的应变受BOTDR空间分辨率（1 m）的影响，同时受上下土层应变的相互影响。

图6 陈家港监测孔应变分布曲线图

图7 陈家港地层变形随深度的变化关系图

图8 光纤光栅位移计与全分布式监测土层变形趋势图

3.2 孔隙水压力变化

在72 m、166 m及197 m处布设的三支光纤光栅渗压计监测了不同含水层的孔隙水压力变化情况，图9给出了这三个含水层孔隙水压力的变化趋势。72 m含水层孔隙水压力最小，197 m含水层孔隙水压力最大，即含水层越深孔隙水压力越大。从图中可以看出孔隙水压力总体是先下降后上升的趋势，三个含水层孔隙水压力在2016年6月15日均为最低值，该时间为夏季，地下水消耗量及蒸发量大，导致地下水位下降。总的来说，三个含水层孔隙水压力呈现波动变化，夏季降低，冬季回升。72 m含水层孔隙水压力在初期是呈下降趋势，说明该区域含水层监测开始时在经历排水阶段。而166 m和197 m含水层孔隙水压力初期有一个上升阶段然后再下降，说明含水层初期存在补水阶段，随着排水的进行，孔隙水压力慢慢下降直到最低点处。

3.3 水位波动与土层变形特性

图10给出了三个含水层不同时期累计变形量与其孔隙水压力变化的关系。从图中可以看出，72 m深度渗压计的压力整体上先减小后增大再减小，而在72 m含水层则先出现了回弹压缩再回弹，总体上处于回弹变形，这是由于埋深较小的土层变形除了受水位变化影响外，还受上部建筑荷载等其他因素影响；166 m和197 m深度处渗压计的压力先是缓慢增加后突然减小，后又缓慢增加，呈V字型。166 m和197 m的含水层变形随时间的变化也基本一致，呈现出压缩回弹再压缩的趋势，且压缩量明显大于回弹量，并且197 m处的含水层压缩变形量要高于166 m出的含水层压缩变形量，可以发现深部土层变形主要受水位变化影响，变形略滞后于水位。

不同的含水层其水位变化不同，出现的土体变形趋势也并不完全一致。现阶段开采条件若不变，深部含水层将继续发生压缩变形。

3.4 沉降趋势评价

表1给出了三个含水层各阶段变形及沉降量，从表中可以看出各含水层年沉降量略有差异，其中72 m含水层（Ⅰ）的年沉降量约为1.74 mm，而166 m含水层（Ⅱ）和197 m含水层（Ⅲ）年沉降量分别为5.66 mm和10.4 mm，呈现出随着含水层的加深而沉降量增大的趋势。并且，从每一含水层的月沉降量也可以看出，在每一年的夏季地下水位下降时，沉降量也明显增大。

图9 孔隙水压力随时间的变化关系图

图10 孔隙水压力与各含水层变形关系图

表1 三个含水层各阶段变形和沉降量

4 结论

本文将全分布式监测技术BOTDR与准分布式监测技术FBG相结合，并应用于盐城响水地面沉降监测中，对陈家港中心小学一个350 m深钻孔进行了两年半的全断面精细化监测，得到如下结论：

（1）陈家港地层应变变化较为明显的是地表至地下25 m范围内，0～15 m范围内存在拉应变和压应变交替变化的情况，主要是由于大气温度的变化较为频繁及围压较小情况下的预拉回弹；15～25 m土层压应变逐渐增大，为压缩主要层位，其余深度土层变形相对稳定。

（2）研究区地下水波动具有循环过程，呈现出夏季降低，冬季回升的特点。

（3）浅部含水层变形受多种因素影响，与水位变化没有直接关系；深部含水层整体上均呈现出先压缩再回弹再压缩趋势，与水位变化相关，且变形略滞后于水位变化。

（4）三个监测含水层目前仍有沉降压缩趋势，且年沉降量呈现出随着含水层的加深而增大的趋势，由于夏季地下水为下降明显，沉降也明显增大，其沉降程度较大。