《地质与岩土工程分布式光纤监测技术》正式出版

DFOS_BOOK

施斌,张丹,朱鸿鹄著
北京:科学出版社,2019.5

《地质与岩土工程分布式光纤监测技术》一书是施斌教授团队二十年来在地质与岩土工程分布式光纤监测技术及其应用方面的理论、技术与实践成果的系统总结。从分布式光纤感测技术到感测技术性能;从光纤传感器和传感光缆到地质工程多场光纤监测技术;从分布式光纤监测系统到大变形监测技术与现场布设;从土工模型试验光纤测试技术到岩土工程与地质灾害光纤监测技术,涵盖了地质与岩土工程分布式光纤监测技术及其应用的各个方面。该成果获 2018年度国家科学技术进步奖一等奖和2019年47届日内瓦国际发明金奖。

何满潮院士的评价

翻开这部50 多万字的宏篇大作,可圈可点的地方很多,总结起来有以下几点:

1. 新颖性

以往的光纤传感技术主要应用于土木和机电工程等的人工结构监测,很难应用于岩土体和地质灾害的监测,原因是岩土体是自然历史的产物,规模大、距离长、结构复杂、随机不确定性强、多场作用强烈,纤细易断的玻璃光纤很难安装在岩土体中。然而,施斌教授团队经过二十年的攻关,较好地解决了这一关键技术瓶颈。在专著的第一章到第三章中,重点介绍了施斌教授团队通过提高测量精度,将光纤传感技术变成了光纤感测技术;通过换能和功能化封装等技术,将传感光纤研制成了传感光缆,强健而敏感,犹如人身上的感知“神经”,将其植入到岩土体中,就能感知大地,以达到防灾减灾的目的。这一新颖的构想,在他们的努力下,正在变成了现实。

2. 原创性

专著中除了一些光纤感测技术的基本知识和原理外,基本上是施斌教授团队多年来的原创性成果。从第四章到第七章,重点介绍了光纤传感器和传感光缆的研发,地质工程多场光纤监测技术,地质与岩土工程分布式光纤监测系统,以及光纤大变形传感器(缆)封装与现场布设等;第八章到第十章,重点介绍了分布式光纤监测技术在土工模型试验、岩土工程和地质灾害三个方面的应用成果,揭示了多种地质灾害新机理,提出了理论新判据,丰富了地质与岩土工程灾害预警和防治理论体系。这些原创性成果开辟了地质与岩土工程监测新的技术领域。

3. 成果转化成效显著

在专著的前言中,施斌教授介绍了这一成果三个阶段的形成过程。从前十年的基础研究,到后六年的产业化,再到后四年的技术产品快速应用和推广,完全符合一个高科技成果的转化规律,实现了大学、地方和团队共赢的良好局面。这一成果的成功转化过程启示我们,科研成果应该顶天立地、落地开花,这对于实现我国创新性社会意义重大,将论文写在祖国和世界的大地上,应该成为每一位科技工作者奋斗的目标。

何满潮
2019 年2 月18 日

▲ 分布式光纤大地感知系统概念图

传感光纤像人身上的感知神经,植入到大地上的地质体与各类基础工程中,能够感测到各种场作用下的被测对象的多参量的变化信息,形成一个大地感知系统,为地质灾害防治与岩土工程问题的解决提供了一种新的监测理念和技术手段。

《地质与岩土工程分布式光纤监测技术》包括十章,各章简介如下:第一章绪论,主要介绍了地质与岩土工程多场监测的特点和要求、分布式光纤感测技术优势及其应用现状;第二章分布式光纤感测技术,介绍了光纤感测技术的工作原理、技术分类,常用的分布式光纤感测技术特点等;第三章分布式光纤感测技术性能研究,主要介绍了光纤光栅,瑞利、拉曼和布里渊三种散射光的光纤感测性能,感测性能提高的方法,应变测量的温度补偿技术等;第四章光纤传感器与传感光缆,介绍了准分布式FBG 传感器的种类、特点、标定和耦合感测特性,全分布式传感光缆的护套效应、标定方法和疲劳性能等,详细介绍了全分布式传感光缆的耦合感测性能;第五章地质与岩土工程多场分布式光纤监测技术,详细介绍了应变场、应力场、变形场、温度场、水分场、渗流场和化学场的光纤监测技术,包括监测原理、监测方案、解调技术及传感光缆(器)和应用案例等;第六章分布式光纤监测系统,介绍了分布式光纤监测系统的设计原则、基本结构与内容、数据采集与传输、数据处理及异常分析、三维可视化、监测分析模型与预警预报等;第七章光纤大变形监测技术与现场布设,主要介绍了大变形FBG 传感器和传感光缆的封装、传感光缆(器)现场布设及应用案例等;第八章土工模型试验光纤测试技术,介绍了土工模型试验的测试要求、光纤感测技术的选择、特种传感器与传感光缆研发和安装要点等,重点介绍了抽-灌水条件下土工模型试验、覆岩变形物理模型试验和土工离心机模型试验的光纤测试方法;第九章岩土工程光纤监测技术研究,主要介绍了桩基、隧道、基坑等光纤监测方案和应用实例;第十章地质灾害光纤监测技术研究,主要介绍了钻孔全断面光纤监测技术,地面沉降、地裂缝、边坡等的光纤监测方案和应用实例等。书中还附有符号表、参考文献、名词术语和索引等。

全书多为原创性成果,理论联系实际,内容十分丰富,应用面广泛,实用性很强,是开展地质与岩土工程分布式光纤监测的重要专业文献,也可作为高等学校地质工程、岩土工程、土木工程、光学电子工程等学科的本科生和研究生的教材或参考书。

作者期待,随着本专著的出版,地质与岩土工程分布式光纤监测理论与技术体系的建立,将大大推动光纤感测技术在地质灾害监测预警和各类岩土工程安全监测方面的应用,地质与岩土工程监测技术从点式走向分布式,从电测时代走向光感时代。

本文摘编自《地质与岩土工程分布式光纤监测技术》(施斌,张丹,朱鸿鹄著. 北京:科学出版社,2019.5)一书“前言”“序”,有删减,标题为编者所加。

目录


前言
符号表
第一章 绪论 1
1.1 地质与岩土工程监测 1
1.2 地质体的特点与监测要求 2
1.3 常规监测技术及其不足 3
1.4 分布式光纤感测技术 5
1.5 土木工程光纤监测现状 7
1.6 地质与岩土工程光纤监测现状 8
1.7 本专著的主要内容 10
第二章 分布式光纤感测技术 12
2.1 光纤与光缆 12
2.2 光纤感测技术的工作原理 13
2.3 光纤感测技术的分类 14
2.3.1 点式光纤感测技术 15
2.3.2 准分布式光纤感测技术 15
2.3.3 全分布式光纤感测技术 17
2.4 几种常用的分布式光纤感测技术 17
2.4.1 基于布拉格光栅的准分布式光纤感测技术 18
2.4.2 基于瑞利散射的全分布式光纤感测技术 23
2.4.3 基于拉曼散射的全分布式光纤感测技术 26
2.4.4 基于布里渊散射的全分布式光纤感测技术 27
2.5 常用光纤感测技术的特点分析 36
第三章 分布式光纤感测技术性能研究 38
3.1 概述 38
3.2 FBG的感测性能 38
3.2.1 FBG中心波长与应变和温度的关系 38
3.2.2 光纤光栅的光敏性 39
3.2.3 FBG的稳定性 40
3.2.4 FBG温度与应变交叉敏感问题 40
3.3 基于瑞利散射的分布式光纤感测性能研究 41
3.3.1 主要性能指标 41
3.3.2 提高感测性能的途径 42
3.4 基于拉曼散射的分布式光纤感测性能研究 43
3.4.1 主要性能指标 43
3.4.2 提高感测性能的途径 44
3.5 基于布里渊散射的分布式光纤感测性能研究 45
3.5.1 基本性能指标 45
3.5.2 提高感测性能的方法 46
3.5.3 布里渊散射光谱特性分析 49
3.5.4 提高空间分辨率的频谱分解法 54
3.5.5 布里渊频谱降噪 58
3.6 应变测量的温度补偿技术研究 59
3.6.1 温度变化对光纤参数的影响 59
3.6.2 温度补偿方法 60
第四章 光纤传感器与传感光缆 65
4.1 概述 65
4.2 准分布式 FBG传感器 65
4.2.1 FBG传感器的种类和特点 65
4.2.2 FBG传感器的感测性能标定 69
4.2.3 FBG传感器的感测特性研究 72
4.3 全分布式传感光缆 73
4.3.1 传感光缆的标定方法 73
4.3.2 传感光缆的结构及护套效应 75
4.3.3 传感光缆的疲劳性能 79
4.3.4 传感光缆的温度感测性能对比 82
4.4 缆-土耦合感测性能研究 87
4.4.1 缆-土界面耦合变形力学模型 87
4.4.2 缆-土界面参数及光缆测值可靠性判据 94
4.4.3 缆-土界面耦合的影响因素 96
4.4.4 土中直埋式光缆的应变分布特征 105
4.5 传感光缆与回填材料的耦合性能研究 106
4.5.1 考虑高围压的光缆 -回填料耦合性研究 106
4.5.2 传感光缆钻孔注浆耦合材料配合比研究 112
第五章 地质与岩土工程多场分布式光纤监测技术 116
5.1 概述 116
5.2 应变场的光纤监测技术 117
5.2.1 监测原理 117
5.2.2 传感光缆(器) 117
5.2.3 应用实例 119
5.3 应力场的光纤监测技术 120
5.3.1 监测原理 120
5.3.2 解调技术与传感光缆(器) 120
5.3.3 应用实例 122
5.4 变形场的光纤监测技术 123
5.4.1 监测原理与方案 123
5.4.2 解调技术与传感光缆(器) 123
5.4.3 布设方式 125
5.4.4 应用实例 125
5.5 温度场的光纤监测技术 126
5.5.1 监测原理与方法 126
5.5.2 解调技术与传感光缆(器) 126
5.5.3 布设方案 126
5.5.4 应用实例 127
5.6 水分场的光纤监测技术 128
5.6.1 概述 128
5.6.2 水分场分布式光纤监测原理 129
5.6.3 加热型 FBG传感器研制 130
5.6.4 加热型传感光缆研制 131
5.6.5 水分场光纤监测 134
5.6.6 应用验证 135
5.7 渗流场的光纤监测技术 137
5.7.1 概述 137
5.7.2 监测原理 138
5.7.3 解调技术与传感光缆(器) 138
5.7.4 渗流速率的标定 139
5.8 化学场的光纤监测技术 141
5.8.1 概述 141
5.8.2 基本监测原理 142
5.8.3 海水盐度 LPG监测试验 142
5.9 其他场的光纤监测技术 147
5.10 地质与岩土工程分布式光纤多场监测 148
第六章 分布式光纤监测系统 149
6.1 概述 149
6.2 监测系统设计原则 149
6.3 监测系统基本结构与内容 150
6.4 监测数据采集与传输 151
6.5 监测数据处理、分析及决策 152
6.5.1 一般步骤 153
6.5.2 基于小波分析的光纤监测数据处理 155
6.5.3 异常区域的模式识别方法 157
6.5.4 基于分布式监测的正、反演探讨 162
6.5.5 基于应变场分布的岩土工程结构损伤识别 167
6.6 监测数据可视化 170
6.6.1 系统架构和功能 170
6.6.2 数据可视化 172
6.6.3 边坡稳定性评价可视化 173
6.7 监测数据分析模型与预警预报 173
6.7.1 监测数据的关联规则分析 173
6.7.2 基于 BP神经网络的边坡多场信息分析 175
6.7.3 基于光纤监测的边坡稳定性评价和滑坡预警 178
第七章 光纤大变形监测技术与现场布设 186
7.1 概述 186
7.2 FBG大变形监测技术 186
7.3 分布式光纤大变形监测技术 188
7.3.1 定点式光纤应变监测技术 188
7.3.2 分布式光纤测斜技术 189
7.3.3 管式光纤变形监测技术 192
7.3.4 光纤深层沉降监测技术 194
7.3.5 光纤多点位移监测技术 195
7.3.6 螺旋弹簧式光纤变形监测技术 195
7.3.7 光纤双向传感器 198
7.4 传感器与传感光缆的现场布设 199
7.4.1 传感器的现场布设 199
7.4.2 传感光缆的现场布设 209
第八章 土工模型试验光纤测试技术 215
8.1 土工模型试验的测试要求 215
8.2 光纤感测技术 215
8.3 传感器与传感光缆研发 216
8.3.1 FBG传感器 216
8.3.2 传感光缆 219
8.4 传感光缆的安装要点 222
8.5 测试实例 223
8.5.1 小型土体模型试验光纤测试 223
8.5.2 中型土体模型试验光纤测试 226
8.5.3 覆岩变形物理模型试验光纤测试 231
8.6 土工离心机模型 FBG测试系统 235
8.6.1 概述 235
8.6.2 测试系统 236
8.6.3 微型 FBG传感器 237
8.6.4 感知杆件制作 237
8.6.5 FBG解调仪 238
8.6.6 边坡离心模型试验 239
第九章 岩土工程光纤监测技术研究 244
9.1 概述 244
9.2 桩基光纤测试技术研究 244
9.2.1 主要问题 244
9.2.2 光纤测试方案 245
9.2.3 监测实例 252
9.3 隧道光纤监测技术研究 254
9.3.1 主要问题 254
9.3.2 光纤监测方案 255
9.3.3 监测实例 262
9.4 基坑光纤监测技术研究 266
9.4.1 主要问题 267
9.4.2 光纤监测方案 268
9.4.3 监测实例 272
第十章 地质灾害光纤监测技术研究 278
10.1 概述 278
10.2 钻孔全断面光纤监测技术 278
10.2.1 钻孔全断面光纤监测概念 278
10.2.2 钻孔全断面光纤监测系统 279
10.3 地面沉降光纤监测技术研究 282
10.3.1 主要问题 282
10.3.2 分布式光纤监测方案 282
10.3.3 苏州盛泽地面沉降监测 284
10.4 地裂缝光纤监测技术研究 287
10.4.1 主要问题 287
10.4.2 分布式光纤监测方案 288
10.4.3 无锡四房巷地裂缝监测 291
10.5 边坡光纤监测技术研究 293
10.5.1 主要问题 293
10.5.2 边坡监测方案 294
10.5.3 三峡库区马家沟滑坡分布式光纤监测 298
参考文献 312
名词术语 327
索引 332