鄧清祿1 韋超群1 張健誠2

1.中國地質(zhì)大學（武漢）；2.國家管網(wǎng)集團北方管道長沙輸油氣分公司 

摘要：為探索利用管道伴行光纜開展管道地質(zhì)災害監(jiān)測的可行性，開展了伴行光纜傳感性能測試、土體位移-光纜應變-管道應變原位試驗及實際的在役管道受滑坡變形影響段伴行光纜應變檢測。結(jié)果顯示，外力作用下光纜拉伸變形與布里淵頻移之間有良好的響應關(guān)系；土體位移作用下光纜應變-管道應變在變形范圍、應變強度、應變出現(xiàn)的時間等方面具有顯著的相關(guān)性；某管道滑坡光纜應變檢測值在總體平穩(wěn)的應變背景值基礎上呈現(xiàn)出應變異常，從而能夠較好識別。

關(guān)鍵詞：伴行光纜；地質(zhì)災害；識別；監(jiān)測；管道

識別地質(zhì)災害是進行工程防治的前提。為提高管道地質(zhì)災害識別率，近年來人們開始探索或嘗試采用新的技術(shù)手段，如無人機調(diào)查、遙感InSar識別、分布式光纖技術(shù)等應用于地質(zhì)災害識別。

分布式光纖傳感技術(shù)，以光纖作為傳感檢測元件，通過檢測光纖中散射光信號的變化，達到監(jiān)測溫度變化、應變變化的目的（圖 1）。相比于傳統(tǒng)地質(zhì)災害監(jiān)測技術(shù)，分布式光纖最顯著的優(yōu)點在于分布式，具備線狀空間連續(xù)監(jiān)測的性能，監(jiān)測長度可達到幾十公里。線性長距離的監(jiān)測技術(shù)應用于同樣為線狀長距離的油氣管道安全監(jiān)測，有其獨特的優(yōu)勢，為管道地質(zhì)災害早期識別與監(jiān)測提供了新途徑，有廣闊的應用前景。

圖 1 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)示意圖

能否利用伴行光纜進行管道地質(zhì)災害識別與監(jiān)測預警，需要解決兩個關(guān)鍵技術(shù)問題，一是伴行通訊光纜的傳感性能，即通訊光纜感知地質(zhì)體位移或變形的能力；二是滑坡等地質(zhì)體變形作用下土-纜-管變形的相關(guān)性，由于土-管、土-纜相互作用存在差異，管道與光纜的應變不會等同，研究并掌握了它們之間的相關(guān)性后，才能實現(xiàn)管道地質(zhì)災害監(jiān)測預警。

1  伴行光纜的傳感性能測試

為了解伴行光纜的傳感性能，進行了實驗室測試和原位測試。

截取一段用于通訊的伴行光纜（來自某管道改線后廢棄的伴行通訊光纜），利用自主研發(fā)的光纖測試臺，按照每次1 mm的增量逐步拉伸光纜并同步檢測光纖的布里淵頻移（圖 2）。圖中用不同顏色的線表示不同拉伸量條件下的布里淵頻移曲線，從中我們可以看出，拉伸-布里淵頻移之間有良好的響應關(guān)系。布里淵頻移量與光纖應變增量之間具有線性關(guān)系，根據(jù)布里淵頻移量可以算出光纖應變增量。

圖 2 光纜不同拉伸長度下布里淵頻移曲線

選取一段管道，開展了原位伴行光纜應變性能測試。在管道一側(cè)開挖作業(yè)坑，通過千斤頂給管道逐級施加應力，推動管道及同溝敷設的伴行光纜側(cè)向位移（圖 3），并同步檢測光纜的布里淵頻移（圖 4）。與室內(nèi)試驗結(jié)果類似，同樣反映出拉伸（位移）-布里淵頻移之間良好的響應關(guān)系。不同的是，由于給光纖施加外力的方式不同，布里淵頻移曲線形態(tài)不同，原位試驗的布里淵頻移曲線呈中間凸起的形態(tài)，以作用力為中心點，向兩側(cè)快速降低。

圖 3 千斤頂推動管道及同溝的伴行光纜側(cè)向位移

圖 4 隨管道位移變化的光纜布里淵頻移曲線

以上從實驗室測試和原位試驗，均說明通訊光纜具有良好的應變傳感性能，這就驗證了利用伴行光纜開展管道地質(zhì)災害檢測/監(jiān)測的技術(shù)可行性。

2  土體位移作用下光纜與管道應變響應關(guān)系研究

選擇一段廢棄的管道，開展土體位移狀態(tài)下光纜變形與管道變形相關(guān)性原位試驗。基本試驗思路是，在近管道邊側(cè)開挖作業(yè)坑，通過千斤頂水平方向給土體施加應力（模擬滑坡的作用力），推動土體變形（模擬滑坡滑移變形），土體位移變形的過程中會帶動管道及光纜受力變形，同步監(jiān)測/檢測土體位移-管道應變-光纜應變（圖 5）。試驗最終得到管道的應變曲線（圖 6）和伴行光纜應變變化曲線（圖 7），分析兩者的應變關(guān)系，可以得到如下幾點認識：①土體位移/應力作用下管道和光纜均出現(xiàn)明顯的應變變化，應變變化的形態(tài)相似，呈現(xiàn)出以推力作用為中心，中心高往兩側(cè)逐漸降低的應變分布；②推力作用下，光纜和管道受力變形的范圍有放大效應，作用于土體推力的鋼板寬度為3.4 m，而在管道及光纜產(chǎn)生明顯的應變變化的長度范圍約為30 m，相比于施加到土體上應力作用寬度擴大了約9倍，這是點應力在土體中呈扇狀擴散效應的結(jié)果；③在同一外力作用下，管道的變形（應變）量大于光纜的變形（應變）量，如最后一級推力下管道中間位置的最大應變值為300 με～350 με，相應的伴行通信光纜的應變值為180 με～200 με，后者約為前者的60%；④土體位移/應力作用下光纜應變響應出現(xiàn)的時間早于管道應變響應出現(xiàn)的時間，也就是說光纜先于管道感知到外力的作用。

圖 5 外力作用下土-管-纜變形響應關(guān)系原位試驗平面布置圖

圖 6 原位試驗中不同級次推力作用下管道應變變化

圖 7 不同級次推力作用下光纜應變變化

3  應用實例

為檢驗實際運行管道利用伴行光纜監(jiān)測/檢測滑坡作用的可行性，對羅針田管道進行伴行光纜檢測。

湖北恩施羅針田某天然氣管道穿越滑坡，滑坡寬度約150 m，順滑動方向長度約360 m，滑體厚度最厚處58 m，平均35 m，坡度25°～30°。管道在滑坡體中后部位通過，管道橫坡敷設。近幾年GNSS監(jiān)測顯示滑坡處于持續(xù)的變形發(fā)展狀態(tài)，地表發(fā)育開裂變形現(xiàn)象，管體應變監(jiān)測顯示管道應變呈現(xiàn)上升趨勢。2023年7月至8月對包含該區(qū)間的伴行光纜進行了4次應變檢測，結(jié)果如圖 8，由圖可以看出，伴行通訊光纜應變值整體呈現(xiàn)較平穩(wěn)的狀態(tài)，應變值在540±60 με區(qū)間波動，但在1.4 km～1.7 km光纜段應變數(shù)據(jù)突變，應變值在780±60 με區(qū)間，比背景值高出大約240 με。該段應變值升高段空間上正好與羅針田滑坡吻合，由此可以推斷羅針田滑坡多年變形已引起光纜受力變形，相應的管道也已承受了應變。

圖 8 羅針田滑坡段管道伴行光纜應變檢測曲線（上圖）及不同時段應變變化（下圖）

4  結(jié)論與展望

（1）管道通訊光纜具有良好的應變傳感性能，可以利用管道伴行光纜開展管道地質(zhì)災害監(jiān)測。

（2）土體位移作用下光纜應變與管道應變之間，在應變空間范圍、應變強度及其分布特征、出現(xiàn)時間等方面有較高的相關(guān)性，可以利用伴行光纜檢測/監(jiān)測地質(zhì)災害，實現(xiàn)管道地質(zhì)災害早期識別與預警。

（3）已有的初步研究是基于裸光纜的，但多數(shù)管道伴行光纜有硅管保護；此外伴行光纜與管道空間關(guān)系不同、土體性質(zhì)的不同，均會對光纜應變與管道應變之間的相關(guān)性帶來影響，這些都有待深入研究。

作者簡介：鄧清祿，中國地質(zhì)大學（武漢）二級教授，博士生導師。從事地質(zhì)工程、安全工程領(lǐng)域的教學與科學研究，研究方向為地質(zhì)災害成生演化機理、科學防控技術(shù)及方法創(chuàng)新與實踐等，專注管道地質(zhì)災害研究與咨詢服務20余年。在國內(nèi)外學術(shù)期刊發(fā)表論文120余篇，出版專著6部，參編教材2部，參編國標或行業(yè)規(guī)范4部，獲授權(quán)國家發(fā)明專利10項；獲省部級科技獎勵5項。管道地質(zhì)災害領(lǐng)域代表性論著有《長輸管道地質(zhì)災害風險評價與控制：忠武管道地質(zhì)災害研究》等。