光纤布拉格光栅（FBG）如何监测边坡内部位移？

一.概述

边坡失稳是地质灾害防治的重点难题，常见于公路、铁路、矿山等工程领域。传统监测手段（如测斜仪、GPS）存在布线复杂、易受电磁干扰、难以长期实时监测等局限。光纤布拉格光栅（FBG）传感器凭借耐腐蚀、抗干扰、可分布式嵌入等特性，成为边坡内部位移监测的创新方案。它可实时感知土体应变、倾斜角度、渗流压力等多维参数，为滑坡预警提供精准数据支持。

二.原理

FBG传感器的核心是一段刻有周期性折射率光栅的光纤。当边坡发生位移时，周围土体的变形会通过锚杆、测斜管或直接埋设的光纤传递至FBG，使其光栅周期或折射率发生改变，导致反射的布拉格波长偏移。通过解调波长偏移量，即可反推出边坡的应变、倾斜或压力变化。结合多个FBG的空间分布数据，还可构建位移场模型，定位潜在滑移面。

来源《基于光纤光栅技术的边坡内部位移变化规律及分布特征研究》

监测参数与传感器设计

FBG在边坡监测中的应用主要通过以下参数实现：

• 应变分布监测：

将FBG串联成阵列，沿锚杆或土工格栅埋入边坡不同深度，实时监测土体内部应变分布。若某段FBG检测到持续拉应变，可能预示局部土体松动或滑移。例如，在降雨后，边坡浅层土体吸水膨胀，FBG可捕捉应变异常信号。

来源《基于光纤光栅传感技术的边坡表层-深部变形监测及稳定性研究》

• 倾斜角度监测：

将FBG与刚性倾角传感器结合，固定于测斜管内。当边坡发生倾斜时，传感器弯曲导致FBG波长偏移，通过标定偏移量与角度的关系，可直接测量土层滑移方向与速率。

• 渗流压力监测：

在FBG表面封装透水石或柔性膜，制成渗压传感器，埋设于边坡潜在渗流路径中。孔隙水压力变化会挤压膜片，通过光纤传递应变至FBG，间接反映地下水位波动对稳定性的影响。

• 温度辅助监测：

边坡冻融循环或渗流会引发温度变化，FBG可同步监测温度梯度，辅助修正应变数据中的热膨胀效应，提高位移解算精度。

三.总结与展望

FBG技术为边坡内部位移监测提供了高灵敏度、长寿命、抗恶劣环境的解决方案，尤其适用于偏远地区或复杂地质条件。未来，通过融合多参数FBG传感器与人工智能算法，系统可实现对滑坡风险的智能预测与分级预警。此外，柔性光纤与土体耦合技术的进步，将进一步提升监测网络的可靠性与空间分辨率。随着“空-天-地”一体化监测体系的完善，FBG有望成为地质灾害防控体系中不可或缺的“神经末梢”，守护工程安全与生态稳定。