本發(fā)明涉及地質(zhì)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖傳感器的河床特性的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器技術(shù)的應(yīng)用為分析地下土參數(shù)提供了新的技術(shù)和方法。尤其是fbg(fiberbragggrating)傳感器應(yīng)用更為廣泛，fbg傳感器具有靈敏度高、遠(yuǎn)距離測(cè)量、抗電磁干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域。

目前，對(duì)河流淤積量的測(cè)量主要有以下幾種：

1)經(jīng)緯儀測(cè)記法

經(jīng)緯儀測(cè)量水下地形是根據(jù)陸地上布設(shè)的控制點(diǎn)，利用船艇航行在水面上測(cè)定水下地形點(diǎn)的水深和平面位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2)sar(syntheticapertureradar)

sar法是根據(jù)星載合成孔徑雷達(dá)的淺海水下地形和水深成像機(jī)理，建立淺海水下地形和水深雷達(dá)后向散射截面仿真模型。

3)gps和gis技術(shù)

gps(globalpositioningsystem，全球定位系統(tǒng))和gis(geographicinformationsystem，地理信息系統(tǒng))的應(yīng)用在測(cè)量的精度、速度、效率等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

但是，經(jīng)緯儀測(cè)記法用于小河道的測(cè)深定位簡(jiǎn)單方便，但作業(yè)時(shí)會(huì)阻止其他船艇的正常航行。而借助sar的水下地形測(cè)量目前僅限于嘗試階段，要提高測(cè)量精度，受制條件較多，尚不夠成熟。gps和gis技術(shù)對(duì)測(cè)量方案的討論,沒(méi)有考慮泥沙的淤積特性，而僅是站在測(cè)量的角度上探討。

有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種基于光纖傳感器的河床特性的測(cè)量方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖傳感器的河床特性的測(cè)量方法。

本發(fā)明的一種基于光纖傳感器的河床特性的測(cè)量方法，包括如下步驟：

s1：制作振動(dòng)傳感器，

s2：構(gòu)建砂土模型，

s3：根據(jù)所述砂土模型模擬分析所述振動(dòng)傳感器在砂土中的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)各種砂土的參考剛度數(shù)據(jù)，建立振動(dòng)傳感器的振動(dòng)特性與砂土的物理特性之間的關(guān)系，

s4：將振動(dòng)傳感器插入實(shí)際土層中，將測(cè)得的振動(dòng)傳感器的振動(dòng)特性與砂土模型的物理特性進(jìn)行比較，得出各土層厚度和地基土剛度，推斷出土的類(lèi)別。

進(jìn)一步的，所述步驟s1中的振動(dòng)傳感器包括振動(dòng)桿、貼合于所述振動(dòng)桿上的光纖光柵和與光纖光柵連接的光纖電纜，通過(guò)測(cè)量所述光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化得到振動(dòng)桿上應(yīng)變的變化規(guī)律，振動(dòng)桿上應(yīng)變和波長(zhǎng)的變化滿(mǎn)足：

其中，ε為振動(dòng)桿上的應(yīng)變，λb為fbg的中心波長(zhǎng)，△λb為波長(zhǎng)的偏移量，gf為應(yīng)變系數(shù)；

在振動(dòng)桿插入砂土中的某一深度處，沒(méi)有埋入土中的部分為一段懸臂梁，振動(dòng)桿的基礎(chǔ)頻率ω與懸臂梁l之間的關(guān)系為：

其中，ρ,a,e和i分別是振動(dòng)桿的密度，橫截面面積，彈性模量和慣性矩；

因懸臂梁的固結(jié)點(diǎn)并非在土體與空氣交界面，而是在土體下一部分深度。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)推斷出懸臂梁真正的固結(jié)點(diǎn)并在計(jì)算公式中加以修正，因此，振動(dòng)桿的基礎(chǔ)頻率ω與懸臂梁的長(zhǎng)度l的關(guān)系為：

其中，l，ρ,a,e和i分別是振動(dòng)桿的總長(zhǎng)，密度，橫截面面積，彈性模量和慣性矩，c為修正系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述振動(dòng)桿為密度為2.54g/cm^-3的鋁合金桿件。

進(jìn)一步的，所述步驟s2中構(gòu)建砂土模型為通過(guò)運(yùn)用winkler地基模型來(lái)構(gòu)建砂土模型，埋入砂土中的部分振動(dòng)桿的壓力強(qiáng)度p(x)為：

p(x)＝k*x，

其中，k為土體的變形常數(shù)，x為振動(dòng)桿的埋入深度；

運(yùn)用winkler地基模型，將k進(jìn)一步用能夠反映土體特性的ki來(lái)分析，根據(jù)分析結(jié)果埋入土中的振動(dòng)桿的振動(dòng)特性ki為：

ki＝k^*xida，(1)

其中，xi是埋入土的深度，k^*是地基土剛度，d是振動(dòng)桿的直徑，a相鄰?fù)馏w的距離；

建立所述振動(dòng)傳感器的基礎(chǔ)頻率和土體剛度矩陣之間的關(guān)系模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

||k-ω²m||＝0，(2)

其中m是單元質(zhì)量矩陣，k是單元?jiǎng)偠染仃嚕?是零向量，ω為振動(dòng)頻率；

解出剛度矩陣，確定能夠反映土的物理特性的地基土剛度k*的參數(shù)，從而判斷出土的特性。

進(jìn)一步的，所述步驟s3包括：

將所要進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)土加入到實(shí)驗(yàn)箱；

并將振動(dòng)傳感器插入實(shí)驗(yàn)箱中；

記錄傳感器插入的深度；

在實(shí)驗(yàn)箱中加入用于模擬河床的水，靜置至砂土、振動(dòng)傳感器和水處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；

對(duì)振動(dòng)傳感器施加一個(gè)用于模擬河水沖擊的初始力，并使其做自由振動(dòng)，并記錄土層深度、振動(dòng)頻率，應(yīng)用所構(gòu)建的winkler地基模型得出地基土剛度。

進(jìn)一步的，所述步驟s4具體為先參閱砂土物理特性的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，運(yùn)用winkler地基模型解出單一特性地基土剛度k*的數(shù)學(xué)模型，推斷出單一特性土與其物理特性之間的關(guān)系，再通過(guò)振動(dòng)傳感器測(cè)量得出實(shí)際土中各土層厚度及地基土剛度，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較推斷出土的類(lèi)別。

借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用光纖光柵制作振動(dòng)傳感器對(duì)河床特性進(jìn)行測(cè)量，大大減少人力物力的投入并提高操作的安全性，在有風(fēng)吹或水流稍大的時(shí)候，本發(fā)明無(wú)需人為加載振動(dòng)傳感器的初始力，借助風(fēng)或水流的作用即可完成，有效節(jié)約檢測(cè)成本。

上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所制作的振動(dòng)傳感器置于砂土中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明振動(dòng)桿的基礎(chǔ)頻率與懸臂梁長(zhǎng)度間的關(guān)系圖；

圖3是本發(fā)明構(gòu)建的winkler地基模型示意圖；

圖4是本發(fā)明所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

圖5是本發(fā)明分層土的測(cè)試情況；

圖6是本發(fā)明不同土的地基土剛度；

圖7是兩層土的振動(dòng)特性。

其中：

1是振動(dòng)傳感器、101是振動(dòng)桿、102是fbg傳感器、103是光纖電纜、2是砂土、201是第一土層、202是第二土層、203是第n土層、3是計(jì)算機(jī)、4是解調(diào)器、5是實(shí)驗(yàn)箱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

參見(jiàn)附圖1至7，本發(fā)明一較佳實(shí)施例所述的一種基于光纖傳感器的河床特性的測(cè)量方法，包括如下步驟：

s1：制作振動(dòng)傳感器1，

s2：構(gòu)建砂土模型，

s3：根據(jù)所述砂土模型模擬分析所述振動(dòng)傳感器在砂土中的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)各種砂土的參考剛度數(shù)據(jù)，建立振動(dòng)傳感器的振動(dòng)特性與砂土的物理特性之間的關(guān)系，

s4：將振動(dòng)傳感器插入實(shí)際土層中，將測(cè)得的振動(dòng)傳感器的振動(dòng)特性與砂土模型的物理特性進(jìn)行比較，得出各土層厚度和地基土剛度，推斷出土的類(lèi)別。

所述步驟s1中制作的振動(dòng)傳感器1，要求能通過(guò)測(cè)量振動(dòng)桿的基礎(chǔ)頻率以及桿件自身參數(shù)獲取被測(cè)泥沙相關(guān)的特性參數(shù)。因此，所選用的振動(dòng)桿101要有一定的韌性及較高的抗剪強(qiáng)度，本實(shí)施例優(yōu)先選用密度為2.54g/cm^-3的鋁合金桿件作為振動(dòng)桿101。在所選用的振動(dòng)桿101上貼上分布式光纖光柵本實(shí)施例優(yōu)選fbg傳感器，所述fbg傳感器連接有光纖電纜103，如圖1所示。通過(guò)測(cè)量所選用的振動(dòng)桿中心波長(zhǎng)的變化得到振動(dòng)桿上應(yīng)變的變化規(guī)律。振動(dòng)桿上應(yīng)變和波長(zhǎng)的變化滿(mǎn)足：

其中，ε為振動(dòng)桿上的應(yīng)變，λb為fbg的中心波長(zhǎng)，△λb為波長(zhǎng)的偏移量，gf為應(yīng)變系數(shù)。

在振動(dòng)桿插入砂土中的某一深度處，沒(méi)有埋入土中的部分為一段懸臂梁，振動(dòng)桿的基礎(chǔ)頻率ω與懸臂梁l之間的關(guān)系為：

其中，ρ,a,e和i分別是振動(dòng)桿的密度，橫截面面積，彈性模量和慣性矩；

而懸臂梁的固結(jié)點(diǎn)并非在土與空氣交界面，而是在土體下一部分深度。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)推斷出振動(dòng)桿真正的固結(jié)點(diǎn)并在計(jì)算公式中加以修正，實(shí)驗(yàn)情況如附圖2所示，因此，振動(dòng)桿的基礎(chǔ)頻率ω與懸臂梁的長(zhǎng)度l的關(guān)系為：

其中，l，ρ,a,e和i分別是振動(dòng)桿的總長(zhǎng)，密度，橫截面面積，彈性模量和慣性矩，c為修正系數(shù)。

所述步驟s2中所運(yùn)用的winkler地基模型是文克勒模型是捷克工程師winkler于1867年在計(jì)算鐵路路軌時(shí)提出的一個(gè)地基模型。該模型假定地基土表面上任一點(diǎn)處的變形s與與該點(diǎn)所承受的壓力強(qiáng)度p成正比，而與作用在其它點(diǎn)的應(yīng)力無(wú)關(guān)。winkler地基模型的特點(diǎn)是把土體視為由一系列側(cè)面無(wú)摩擦的土柱或彼此獨(dú)立的彈簧組成，其變形具有彈簧變形的特點(diǎn)，相鄰彈簧之間變形互不影響，即地基僅在荷載作用區(qū)域下產(chǎn)生與基底壓力成正比的沉降變形，在區(qū)域外的變形為零。因此，可用winkler地基模型分析振動(dòng)傳感器在砂土中的動(dòng)態(tài)特性。

本發(fā)明所述步驟s2中所構(gòu)建的winkler模型如附圖3所示，振動(dòng)傳感器的總長(zhǎng)為l，懸臂梁的長(zhǎng)度為l，埋入砂土中的一段采用winkler地基模型來(lái)描述其工作原理。

假設(shè)土體的變形常數(shù)為k，振動(dòng)桿的埋入深度為x，則埋入砂土中的部分振動(dòng)桿的壓力強(qiáng)度p(x)為：

p(x)＝k*x，

運(yùn)用winkler地基模型，埋入砂土中的振動(dòng)桿的振動(dòng)情況可以用n個(gè)剛度為ki的離散的彈簧構(gòu)成，即：將k進(jìn)一步用能夠反映土體特性的ki來(lái)分析，根據(jù)分析結(jié)果埋入土中的振動(dòng)桿的振動(dòng)特性ki為：

ki＝k^*xida，(1)

其中，xi是埋入土的深度，k^*是地基土剛度，d是振動(dòng)桿的直徑，a相鄰?fù)馏w的距離；

而振動(dòng)桿的能量表達(dá)式為：

其中，m是單元質(zhì)量矩陣，k是單元?jiǎng)偠染仃嚕?是零向量，和v分別是振動(dòng)桿的加速度向量和位移向量。

桿件的振動(dòng)表達(dá)式為：

其中，是幅值，θ是初相位。

將(3)式代入(2)式可得：

因此，通過(guò)解此特征方程可得振動(dòng)傳感器的基礎(chǔ)頻率ω和土體剛度矩陣之間的關(guān)系模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

||k-ω²m||＝0，(4)

解出剛度矩陣，確定能夠反映土的物理特性的地基土剛度k*的參數(shù)，從而判斷出砂土的物理特性。

所述步驟s3包括對(duì)單一土和分層土兩部分測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

搭建如附圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為：在平臺(tái)上放置實(shí)驗(yàn)箱5，所述振動(dòng)傳感器置于實(shí)驗(yàn)箱中，振動(dòng)傳感器1的通過(guò)光纖電纜103連接解調(diào)器4，所述解調(diào)器4與具有數(shù)據(jù)處理功能的計(jì)算機(jī)3進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在對(duì)單一土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將單一土加入到實(shí)驗(yàn)箱，并將振動(dòng)傳感器垂直插入其中。記錄傳感器插入的深度。箱中灌入水(用于模擬河床)，靜置片刻至砂土、振動(dòng)傳感器和水達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。然后對(duì)振動(dòng)桿頂端施加一個(gè)初始力(用于模擬河水的沖擊)，然后放松，使振動(dòng)桿做自由振動(dòng)。記錄下此時(shí)的土層深度、振動(dòng)頻率，應(yīng)用winkler地基模型求得能夠反應(yīng)土特性的地基土剛度。改變傳感器不同的埋入深度，依照同樣的實(shí)驗(yàn)方法，獲取在不同深度、同一種土的地基土剛度，如附圖6所示的實(shí)驗(yàn)得到的不同土的地基土剛度。

在對(duì)分層土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，搭建如附圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在單一土測(cè)量的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)箱中分層加入不同的單一土如：不同厚度的第一土層201、第二土層202……第n土層203，如附圖5所示。按照對(duì)單一特性土的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，灌水、靜置，然后使振動(dòng)桿做自由振動(dòng)。記錄在不同深度時(shí)的振動(dòng)頻率，并應(yīng)用winkler地基模型得到此時(shí)的地基土剛度。最后，與單一土的地基土剛度作對(duì)比，即可判斷得出每一層土的分類(lèi)，并且由得到的變化曲線(xiàn)還可推斷出每一層土的厚度。本次實(shí)驗(yàn)中由于構(gòu)建的是多層土，相鄰兩層土的厚度是要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。土層太薄則不在測(cè)量的分辨率內(nèi)，無(wú)法正確判斷土的物理特性。因此，在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)測(cè)量的分辨率，振動(dòng)桿的埋入深度選取10cm土厚作為遞增單位進(jìn)行測(cè)量，構(gòu)建的不同土層的厚度也大于10cm。如圖7所示為兩層土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

所述步驟s4具體為先參閱砂土物理特性的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)如表1所示，運(yùn)用winkler地基模型解出單一特性地基土剛度k^*的數(shù)學(xué)模型，推斷出單一特性土與其物理特性之間的關(guān)系，再通過(guò)振動(dòng)傳感器測(cè)量得出實(shí)際土中各土層厚度及地基土剛度，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較推斷出土的類(lèi)別。

表1各種土與其剛度之間的分布

本發(fā)明的具體應(yīng)用為在某一河流中插入實(shí)驗(yàn)用的振動(dòng)傳感器，放置15天左右，待振動(dòng)桿、周?chē)?、水流達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，運(yùn)用本發(fā)明的方法對(duì)河流的淤積層進(jìn)行測(cè)量，由于是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，土層厚度難以確定，因此首先應(yīng)用實(shí)驗(yàn)階段的方案，并研究實(shí)際土層分布情況，將實(shí)驗(yàn)方案加以修正，從而可以驗(yàn)證此種方法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果。

本發(fā)明的原理：

本發(fā)明運(yùn)用winkler地基模型分析光纖傳感器在不同特性的泥沙中的振動(dòng)特性，應(yīng)用fbg制作了振動(dòng)傳感器，將振動(dòng)傳感器埋入所要測(cè)量的砂土中，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)桿頻率等參數(shù)來(lái)分析土層的剛度分布情況，從而得到被測(cè)泥沙深度及厚度，進(jìn)而判斷不同層泥沙的特性參數(shù)。

由于振動(dòng)桿沒(méi)有埋入土中的部分如一段懸臂梁，而懸臂梁的固結(jié)點(diǎn)并非在土與空氣交界面，而是在土下一部分深度。因此，需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)推斷出其真正的固結(jié)點(diǎn)并在計(jì)算公式中加以修正。由此方可建立正確的數(shù)學(xué)模型。

另外，由于構(gòu)建的是多層土，相鄰兩層土的厚度是要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。土層太薄的話(huà)，不在測(cè)量的分辨率內(nèi)，無(wú)法正確判斷土的物理特性。因此，實(shí)驗(yàn)階段，根據(jù)測(cè)量的分辨率，振動(dòng)桿的埋入深度選取10cm土厚作為遞增單位進(jìn)行測(cè)量，構(gòu)建的不同土層的厚度也大于10cm。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。