[实用新型]基于光纤光栅的管道滑坡表部位移监测预警系统

说明书

技术领域

本实用新型是一种基于光纤光栅的管道滑坡表部位移监测预警系统。涉及测量应力及管道系统技术领域。

背景技术

滑坡是指构成斜坡的岩土体在重力作用下伴随其下部软弱面上的剪切作用过程而产生整体运动现象。滑坡灾害是造成人类生命财产损失的地质灾害的主要形式之一。长距离输油或输气管道输送距离可达数千公里，穿越众多地质地貌单元，常不可避免地要穿过地质条件复杂的地区，如山区、冻土区等。因为选线的不充分或管道建设诱发滑坡或地震诱发滑坡等原因，在山区敷设的管道有可能在活动滑坡体内通过，管道的安全运营遭受这些活动滑坡的严重威胁。这些有可能要威胁管道安全的滑坡称之为管道滑坡。

在过去四十年的管道运输历史中，以滑坡为主的地质灾害曾多次造成管道事故。欧洲天然气管道事故数据小组(EGIG)调查的1970年到2001年的西欧管道事故中，7％是由地质灾害导致的；美国交通部统计的1984年到2001天然气输送数据表明，8.5％的事故是由地质灾害引起的；加拿大国家能源委员会调查显示影响加拿大运营的管道事故的12％是地质灾害导致的。1987年3月由地震导致的巨型滑坡使横贯厄瓜多尔管道发生40km长的断裂，停输两个星期，经济损失达7亿美元。1995年及1996年冬天，由于华盛顿西部的特强降雨诱发滑坡，导致美国西北输气管线三处管道发生断裂。

我国的管道工业正处在蓬勃发展之中，这些管道大多将我国西部丰富的石油天然气输送到我国的东部，而我国的西部、西南部集中了我国大多数山地，管道就不可避免地要穿越地质灾害严重地区。忠武输气管道忠县-宜昌409公里段处于渝东鄂西山区，山峰层峦叠嶂、高差显著，地形、地质条件复杂，发育有多组地质灾害易发岩层，是滑坡、危岩崩塌的频发地段。2003年建成投产的兰成渝成品油管道兰州至广元段，构造活跃，岩性破碎，地形切割发育，投产后投入巨资用于地质灾害防治，但2007年的调查显示威胁管道安全的地质灾害仍有530处之多。西气东输工程干线总长约4000公里，遭受各种地质灾害严重威胁，其中查明的滑坡灾害达39处之多。

面对众多的管道滑坡灾害，我国的管道运营公司经常采取积极的工程治理措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者治理的周期长。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。意大利SNAM公司将监测管道作为防治滑坡灾害的主要方式，他们对管道进行了长达三十年的监测，成功避免了大量的管道事故。我国的西气东输、忠武线等管道投产后对滑坡也进行有效的监测。

传统的滑坡表部位移监测主要采用全站仪或GPS手段，这些方法的实时性都较差，难以满足滑坡监测长期实时的要求。传统的管道应变监测以电阻式应变计、振弦式应变计为主，在耐腐蚀、抗干扰方面较差，稳定性也难以满足要求。近年兴起的分布式光纤传感技术(以BOTDR为代表)在滑坡或管道监测已有一定的应用。

目前的这些监测方式均局限于对滑坡(致灾体)或管道(承灾体)进行独立监测，还未对滑坡及其影响下的管道进行系统的联合监测。联合监测不仅能判断滑坡的活动情况、发育发展规律、破坏机理，还能查明滑坡对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道的应力位移变化规律，判断管道的安全等级。综合以上的信息，就能对管道滑坡进行安全预警，提前预报管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。联合监测代表了管道滑坡监测的趋势。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种空间分辨率高、成本低的基于光纤光栅的管道滑坡表部位移监测预警系统。

本实用新型提出了一种基于光纤光栅传感技术的管道滑坡监测预警系统。这种系统采用光纤光栅传感技术，对滑坡及其影响下的管道进行联合监测，监测内容包括滑坡表部位移监测、滑坡对管道的推力监测及管道应变监测。并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析。

光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG，简称光纤光栅)是近20年来迅速发展起来的微光学元件，是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

光纤光栅传感是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长λ_B与光栅周期Λ和纤芯折射率n_eff有关，即

λ_B＝2n_effΛ