鄧清祿1 韋超群1 張健誠2

1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)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(zāi)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(yīng)變-管道應(yīng)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(yīng)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(yīng)關(guān)系；土體位移作用下光纜應(yīng)變-管道應(yīng)變在變形范圍、應(yīng)變強度、應(yīng)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(yīng)變檢測值在總體平穩(wěn)的應(yīng)變背景值基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出應(yīng)變異常，從而能夠較好識別。

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

識別地質(zhì)災(zāi)害是進(jìn)行工程防治的前提。為提高管道地質(zhì)災(zāi)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(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)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(dá)到監(jiān)測溫度變化、應(yīng)變變化的目的（圖 1）。相比于傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)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(dá)到幾十公里。線性長距離的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)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(zāi)害早期識別與監(jiān)測提供了新途徑，有廣闊的應(yīng)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(jìn)行管道地質(zhì)災(zāi)害識別與監(jiān)測預(yù)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(yīng)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(zāi)害監(jiān)測預(yù)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(jìn)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(yīng)關(guān)系。布里淵頻移量與光纖應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力，推動管道及同溝敷設(shè)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(yīng)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(yīng)變傳感性能，這就驗證了利用伴行光纜開展管道地質(zhì)災(zāi)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(yīng)變響應(yīng)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(yīng)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(yīng)變-光纜應(yīng)變（圖 5）。試驗最終得到管道的應(yīng)變曲線（圖 6）和伴行光纜應(yīng)變變化曲線（圖 7），分析兩者的應(yīng)變關(guān)系，可以得到如下幾點認(rèn)識：①土體位移/應(yīng)力作用下管道和光纜均出現(xiàn)明顯的應(yīng)變變化，應(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)變變化的長度范圍約為30 m，相比于施加到土體上應(yīng)力作用寬度擴大了約9倍，這是點應(yīng)力在土體中呈扇狀擴散效應(yīng)的結(jié)果；③在同一外力作用下，管道的變形（應(yīng)變）量大于光纜的變形（應(yīng)變）量，如最后一級推力下管道中間位置的最大應(yīng)變值為300 με～350 με，相應(yīng)的伴行通信光纜的應(yīng)變值為180 με～200 με，后者約為前者的60%；④土體位移/應(yīng)力作用下光纜應(yīng)變響應(yīng)出現(xiàn)的時間早于管道應(yīng)變響應(yīng)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(yīng)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(yīng)變變化

圖 7 不同級次推力作用下光纜應(yīng)變變化

3  應(yīng)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(jìn)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(shè)。近幾年GNSS監(jiān)測顯示滑坡處于持續(xù)的變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)，地表發(fā)育開裂變形現(xiàn)象，管體應(yīng)變監(jiān)測顯示管道應(yīng)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(jìn)行了4次應(yīng)變檢測，結(jié)果如圖 8，由圖可以看出，伴行通訊光纜應(yīng)變值整體呈現(xiàn)較平穩(wěn)的狀態(tài)，應(yīng)變值在540±60 με區(qū)間波動，但在1.4 km～1.7 km光纜段應(yīng)變數(shù)據(jù)突變，應(yīng)變值在780±60 με區(qū)間，比背景值高出大約240 με。該段應(yīng)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(yīng)的管道也已承受了應(yīng)變。

圖 8 羅針田滑坡段管道伴行光纜應(yīng)變檢測曲線（上圖）及不同時段應(yīng)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(yīng)變傳感性能，可以利用管道伴行光纜開展管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。

（2）土體位移作用下光纜應(yīng)變與管道應(yīng)變之間，在應(yīng)變空間范圍、應(yīng)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(zāi)害，實現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害早期識別與預(yù)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(hù)；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(yīng)變與管道應(yīng)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(xué)（武漢）二級教授，博士生導(dǎo)師。從事地質(zhì)工程、安全工程領(lǐng)域的教學(xué)與科學(xué)研究，研究方向為地質(zhì)災(zāi)害成生演化機理、科學(xué)防控技術(shù)及方法創(chuàng)新與實踐等，專注管道地質(zhì)災(zāi)害研究與咨詢服務(wù)20余年。在國內(nèi)外學(xué)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(biāo)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(zāi)害領(lǐng)域代表性論著有《長輸管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價與控制：忠武管道地質(zhì)災(zāi)害研究》等。