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)集團北方管道長(cháng)沙輸油氣分公司 

摘要：為探索利用管道伴行光纜開(kāi)展管道地質(zhì)災害監測的可行性，開(kāi)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(shí)際的在役管道受滑坡變形影響段伴行光纜應變檢測。結果顯示，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、應變出現的時(shí)間等方面具有顯著(zhù)的相關(guān)性；某管道滑坡光纜應變檢測值在總體平穩的應變背景值基礎上呈現出應變異常，從而能夠較好識別。

關(guān)鍵詞：伴行光纜；地質(zhì)災害；識別；監測；管道

識別地質(zhì)災害是進(jìn)行工程防治的前提。為提高管道地質(zhì)災害識別率，近年來(lái)人們開(kāi)始探索或嘗試采用新的技術(shù)手段，如無(wú)人機調查、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(guò)檢測光纖中散射光信號的變化，達到監測溫度變化、應變變化的目的（圖 1）。相比于傳統地質(zhì)災害監測技術(shù)，分布式光纖最顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)在于分布式，具備線(xiàn)狀空間連續監測的性能，監測長(cháng)度可達到幾十公里。線(xiàn)性長(cháng)距離的監測技術(shù)應用于同樣為線(xiàn)狀長(cháng)距離的油氣管道安全監測，有其獨特的優(yōu)勢，為管道地質(zhì)災害早期識別與監測提供了新途徑，有廣闊的應用前景。

圖 1 分布式光纖監測技術(shù)示意圖

能否利用伴行光纜進(jìn)行管道地質(zhì)災害識別與監測預警，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(huì )等同，研究并掌握了它們之間的相關(guān)性后，才能實(shí)現管道地質(zhì)災害監測預警。

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(jìn)行了實(shí)驗室測試和原位測試。

截取一段用于通訊的伴行光纜（來(lái)自某管道改線(xiàn)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(xiàn)表示不同拉伸量條件下的布里淵頻移曲線(xiàn)，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(xiàn)性關(guān)系，根據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(cháng)度下布里淵頻移曲線(xiàn)

選取一段管道，開(kāi)展了原位伴行光纜應變性能測試。在管道一側開(kāi)挖作業(yè)坑，通過(guò)千斤頂給管道逐級施加應力，推動(dòng)管道及同溝敷設的伴行光纜側向位移（圖 3），并同步檢測光纜的布里淵頻移（圖 4）。與室內試驗結果類(lèi)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(xiàn)形態(tài)不同，原位試驗的布里淵頻移曲線(xiàn)呈中間凸起的形態(tài)，以作用力為中心點(diǎn)，向兩側快速降低。

圖 3 千斤頂推動(dòng)管道及同溝的伴行光纜側向位移

圖 4 隨管道位移變化的光纜布里淵頻移曲線(xiàn)

以上從實(shí)驗室測試和原位試驗，均說(shuō)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(kāi)展管道地質(zhì)災害檢測/監測的技術(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(kāi)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�；�本試驗思路是，在近管道邊側開(kāi)挖作業(yè)坑，通過(guò)千斤頂水平方向給土體施加應力（模擬滑坡的作用力），推動(dòng)土體變形（模擬滑坡滑移變形），土體位移變形的過(guò)程中會(huì )帶動(dòng)管道及光纜受力變形，同步監測/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(xiàn)（圖 6）和伴行光纜應變變化曲線(xiàn)（圖 7），分析兩者的應變關(guān)系，可以得到如下幾點(diǎn)認識：①土體位移/應力作用下管道和光纜均出現明顯的應變變化，應變變化的形態(tài)相似，呈現出以推力作用為中心，中心高往兩側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(cháng)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(diǎn)應力在土體中呈扇狀擴散效應的結果；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的時(shí)間早于管道應變響應出現的時(shí)間，也就是說(shuō)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(shí)例

為檢驗實(shí)際運行管道利用伴行光纜監測/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(dòng)方向長(cháng)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(guò)，管道橫坡敷設。近幾年GNSS監測顯示滑坡處于持續的變形發(fā)展狀態(tài)，地表發(fā)育開(kāi)裂變形現象，管體應變監測顯示管道應變呈現上升趨勢。2023年7月至8月對包含該區間的伴行光纜進(jìn)行了4次應變檢測，結果如圖 8，由圖可以看出，伴行通訊光纜應變值整體呈現較平穩的狀態(tài)，應變值在540±60 με區間波動(dòng)，但在1.4 km～1.7 km光纜段應變數據突變，應變值在780±60 με區間，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(xiàn)（上圖）及不同時(shí)段應變變化（下圖）

4  結論與展望

（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(kāi)展管道地質(zhì)災害監測。

（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、出現時(shí)間等方面有較高的相關(guān)性，可以利用伴行光纜檢測/監測地質(zhì)災害，實(shí)現管道地質(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(huì )對光纜應變與管道應變之間的相關(guān)性帶來(lái)影響，這些都有待深入研究。

作者簡(jiǎn)介：鄧清祿，中國地質(zhì)大學(xué)（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(xué)與科學(xué)研究，研究方向為地質(zhì)災害成生演化機理、科學(xué)防控技術(shù)及方法創(chuàng )新與實(shí)踐等，專(zhuān)注管道地質(zhì)災害研究與咨詢(xún)服務(wù)20余年。在國內外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文120余篇，出版專(zhuān)著(zhù)6部，參編教材2部，參編國標或行業(yè)規范4部，獲授權國家發(fā)明專(zhuān)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(zhù)有《長(cháng)輸管道地質(zhì)災害風(fēng)險評價(jià)與控制：忠武管道地質(zhì)災害研究》等。