摘要：边坡变形监测是边坡稳定性评价的重要手段，已经在滑坡预测预报中得到大量应用。但是，边坡变形监测地普及远远跟不上国家经济建设发展，尤其是随着我国近些年来对铁路、公路投资的大幅度提升，开挖大量的工程边坡，给交通和人民的生命安全带来很大威胁。因此，为适应边坡工程监测的需求，选择近年来发展起来的光纤传感监测技术，依托大量的工程实践，开展分布式光纤振动传感技术在边坡监测中的应用研究。结合分布式光纤振动传感技术和边坡变形监测的特点，开展了监测方案制定问题的研究。

引言：

随着我国高速公路里程不断增长，人们对高速公路的要求也越来越高，不仅仅要求道路的通畅，也要求高速公路的绿化和美化。高速公路边坡的生态防护作为高速公路绿化的一个重要组成部分，对于防止水土流失、减轻污染、稳固路基、保障行车安全等有着重要意义。

1、高速公路的边坡特点

1.1呈现条带状分布，地域性明显

一条高速公路一般数十公里，乃至几百公里，公路沿线自然环境差异极大。气温差别大，气候可分为中亚热带、北亚热带、南温带和中温带等。沿线有农田、丘陵和林地等多种自然景观。因此，在边坡植被变化较多，在进行边坡植物种植时，必须充分考虑地域特点，做到适地适树。

1.2原有生态系统受到破坏

高速公路的边坡，特别是挖方边坡，开挖后使地表植被遭到破坏，原有表土与植被之间的平衡关系失调，表土抗蚀能力减弱，在雨滴和风蚀作用下水土极易流失。而且边坡的坡度大，土壤渗透性差等原因，边坡土壤对降水截留较小，这一方面容易造成水土流失和光、水的再分配，另一方面由于水土流失导致坡面土壤贫瘠，立地条件差，不利于植物生长，原有的生态系统受到破坏。而高速公路修建后，对地表进行破坏，生态系统受到破坏后，短时间内很难进行恢复。

1.3交通污染影响植被的正常生长

汽车污染主要分为噪声污染和大气污染，而高速公路恰恰是汽车污染最为集中的地方。汽车的尾气中主要含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫及微粒等，造成了严重的污染。尾气中的碳氢化合物和氮氧化合物在阳光充足、无风等条件下还会发生光化学反应，产生毒性较大的浅蓝色烟雾，即光化学烟雾，从而构成二次污染。由于高速公路路基通常较高，地形开阔，空气对流快，造成冬季气温相对当地其他地方更低，使植物冻伤死亡；春季地温回升慢，夏季温度较高，使植物灼伤甚至死亡。

2、光纤传感技术测量系统的工作原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤Bragg光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度和应变的改变而线性变化，从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回。由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。

3、光纤传感路基路面变形监测系统的设计方案

光纤传感路基路面变形监测工程系统通过光纤传感分析仪将主机管理系统与分布在路基路面上的光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅温度计连接起来，实现路基路面健康监测。对路基路面内部应变、应力、环境温度分布等多项参数进行实时监测的综合监测系统，它能够实时有效地提供路基路面的应变、位移、温度的状态，为养护管理提供的科学依据，显著提高路基路面安全的整体管理水平，从而能够最大限度地确保路基路面安全监控，预诊断路基路面对公路运营的危害。通过实时的数据采集，了解路基路面工程的健康状况。光纤光栅监测系统整体结构简单，只有光纤光栅传感器和光纤传感分析仪两大部分组成，因此无中间环节，而测量现场为全光测量，完全不受强电场和强磁场的干扰，保障了系统的稳定运行。

3、高速公路边坡监测技术

当前的高速公路边坡监测技术主要分为主动预警监测和被动报警监测２种。主动预警监测是在岩体松动灾害发生前给予预警信息提示。目前针对危岩早期松动监测采用ＧＰＳ位移监测技术。使用该技术，现场需要电源和经常性维护，特殊地域无法取得信号，且由于无法测得岩石内部的应力变化，所以无法对塌方落石进行预报。

被动监测是在有岩层脱落灾害发生以后给予报警信息提示。主要技术有电网监测、视频监测等技术手段。电网监测是预先设置防护网并在网上安装电网传感器，一旦异物撞坏防护网，通过电网感应的方式即可向调度中心报警。视频监测是采用图像观测法监测落石情况，虽然直观，但雨、雾和雪等恶劣天气下图像清晰度难以保证，识别难度加大，且现场需要电源，设备容易损坏。高速公路沿线环境复杂，尤其是无人区、无电区条件更为恶劣，因此，现有的高速公路边坡监测技术主要面临的问题是电类技术抗干扰、取电、信号传输、维护较为困难。

4、分布式光纤传感技术在高速公路边坡监测中的应用

通过对既有监测技术手段存在的问题进行分析，结合柔性防护网结构特点及光纤传感技术可远距离、无中继、适应恶劣工作环境、抗电磁干扰等技术优势，研制了基于分布式光纤振动传感技术的高速公路边坡安全监测系统。SNS柔性防护网是利用高强钢丝绳网（高强度钢丝格栅）、支撑绳、锚杆和其他安装附件作为主要构成部分，以覆盖或包裹路基边坡坡面，限制坡面岩石体、土体等崩塌、滚落（坠落）的一种柔性安全防护系统。SNS主要由柔性钢绳锚杆、支撑绳和钢绳网构成，通过锚杆和支撑绳对各网块施加的预张力使各网块在坡面上张紧后对坡面危岩落石施以一定的预紧压力，从而提高危岩稳定性，阻止危岩落石事故的发生。监测系统以柔性防护网为监测载体，将光缆布设于柔性防护网上，光纤传感网和防护网为一体，进行高速公路沿线的边坡振动和应力监测。

分布式光纤振动传感技术使用１根数十千米长的光纤同时作为传感元件和信号传输元件，将强相干光作为入射光脉冲从光纤的一端注入，光探测器探测到的后向散射信号是各点返回到入射端的瑞利散射相互干涉后的结果。当振动或应力作用于光纤时，光纤因为弹性变形使得折射率发生变化，从而引起后向散射光的光强、相位等物理参数发生变化，系统对接收的信号做进一步分析后，给出相应的判断。同时通过探测后向瑞利散射光强的变化和入射脉冲与探测到的信号之间的时间延迟，可以准确地定位振动或应力发生的位置。系统采取应力监测和振动监测２种监测方法。应力监测侧重于主动预警，是针对风化层可能出现的松动脱落事件，通过对长期数据的分析预测，对岩体内应力进行监测；振动监测侧重于被动报警，是针对危岩落石事件，对防护网的网面振动、网面破损等进行监测。

结束语：

采用分布式光纤振动传感技术进行高速公路边坡安全监测，实现了现场无需供电、集传感与传输于一体的长距离监测，尤其适用于无人区、无电区等恶劣环境。探测光缆和柔性防护网形成一体，在有效预防边坡落石灾害事故发生的同时，将主动预警和被动报警相结合，能够及时发现和处置高速公路边坡危岩落石灾害事件。