Sledování svahových pohybů pomocí vláknové optiky

Využití vláknové optiky pro geotechnické sledování umožňuje automatizaci některých dosud manuálně prováděných měření. Přechod od etapových měření ke kontinuálnímu monitoringu lze provést dodatečně beze změn instrumentace. V článku jsou uvedeny příklady aplikací z projektů výzkumu a vývoje: podpovrchový extenzometr (metoda Fiber Bragg Gratings, projekt TA01011650) a vrt vystrojený pro sledování deformací podloží (Brillouin Optical Time Domain Analysis, projekt FR-TI3/609)

Podpovrchový extenzometr FBG pro sledování svahových pohybů

Měřicím prvkem podpovrchového extenzometru jsou optovláknové snímače FBG. Během výroby je v jádře optického vlákna vytvořena „Braggovská mřížka“ (Bragg grating). Je to část jádra vlákna o délce řádu jednotek mm, kde dochází k periodické změně indexu lomu. Mřížka slouží k přímému měření změny přetvoření nebo teploty. Při průchodu širokopásmového záření (světla) optickým vláknem dochází na mřížce k odrazu úzké části spektra zpět ke zdroji. Odražené záření je charakterizováno braggovskou vlnovou délkou lb (obr. 1). Změna lb je přímo úměrná osové deformaci optického vlákna nebo změně jeho teploty. Každý snímač FBG je definován vlnovou délkou lb. Snímače s různými vlnovými délkami mohou být zapojeny v sérii za sebou (v řetězci), protože procházející světlo a tedy i odrazy z jednotlivých snímačů lze dále využít. Možné je i paralelní zapojení snímačů přes optický přepínač v analyzátoru FBG a kombinace obou způsobů.

Obr. 1  Schéma principu braggovské mřížky (FBG) (podle National Instruments Corporation 2012)

Podpovrchový extenzometr je tvořen řetězcem snímačů FBG. Snímače jsou umístěny mezi dvojice kotevních bodů. Hlavním prvkem kotevního bodu je deska (obr. 2), na které je uchyceno optické vlákno v ochranné trubičce. Extenzometr se instaluje do oblastí, ve kterých lze sledovat mělké svahové pohyby těsně pod povrchem terénu. Alespoň jeden snímač deformace by měl být umístěn mimo předpokládanou aktivní oblast svahových deformací, jeho kotevní body slouží jako vztažné. Extenzometr se osazuje do mělké rýhy, je převrstven jemnozrnným materiálem a rýha je po instalaci a kontrole funkce extenzometru zasypána místní zeminou a řádně zhutněna. Kotevní deska má nástavec do úrovně terénu pro ustavení antény GNSS (Global Navigation Satellite System). Měřené hodnoty lze nezávisle kontrolovat pomocí nástavců a extenzometrického pásma. Měření GNSS slouží k ověření stability vztažných bodů a k zaměření polohy extenzometru. Měření interrogátorem FBG vyžaduje pouze napojení na pasivní kabely instalovaných řetízků FBG v těsněném optickém rozvaděči.

Obr. 2  Kotevní bod podpovrchového extenzometru FBG před zasypáním

Sledování deformací podloží metodou BOTDA ve vystrojeném vrtu

Pro měření metodou Brillouin Optical Time Domain Analysis se většinou používají samotná optická vlákna nebo kabely, které slouží jako snímač deformace nebo teploty. Dílčím cílem výzkumu a vývoje bylo zajistit vhodné postupy přenosu deformace ze sledované konstrukce nebo z hostitelského prostředí do měřicích kabelů, které jsou dostupné na trhu. Metoda je založena na Brillouinově rozptylu, který je popsán Brillouinovou frekvencí (νB). Při šíření laserových pulsů optickým vláknem dochází ke zpětnému odrazu, který je způsoben malými nehomogenitami ve složení optického vlákna a je řádově slabší než optický signál procházející ve směru od zdroje. Změna Brillouinovy frekvence (posun ΔνB) je přímo úměrná změně přetvoření nebo teploty měřicího vlákna (obr. 3). Z časového odstupu vstupu signálu do vlákna a jeho návratu ke zdroji je analyzátorem určena poloha deformace nebo změny teploty na měřicím vlákně. Měřicí linie může dosahovat až kilometrových délek. Výstupem z měření je závislost změny přetvoření i teploty na staničení optického kabelu. Proto je nutné provést sdružení staničení kabelu z výstupu analyzátoru s polohou kabelu v konstrukci nebo v hostitelském prostředí, aby bylo zřejmé, kde ke změnám dochází. Dále je třeba zpracovat série měření v místech změn pro zobrazení vývoje v čase.

Obr. 4  Schéma vystrojeného vrtu – řez

Nad svahem bývalého dobývacího prostoru Lomu Chabařovice byl v rámci výzkumu vystrojen nový vrt VB 01A v blízkosti starého vrtu VB 01, v němž byly zjištěny smykové deformace mezi 14–15 m hloubky. Cílem poloprovozní instrumentace vláknovou optikou bylo ověření navrženého postupu vystrojení i měření v prostředí s možným výskytem osových i příčných deformací. Výstupy z měření měly ověřit, že pod patou starého vrtu VB 01 nedochází k dalším deformacím. Nový vrt byl vystrojen dvojicí měřicích paralelních optických kabelů a kombinovanou pažnicí pro sondy klouzavého deformetru a inklinometru. Kombinovaná pažnice byla v tomto případě užita jako nosná pro optické kabely a k nezávislým srovnávacím měřením osových a příčných deformací (obr. 4 a 5). Na obr. 6 jsou zobrazeny výsledky vyhodnocení etapových měření osových deformací. Ve sledovaném období dosahovaly deformace velmi malých hodnot a nesvědčí o vývoji smykových posunů. Z párových hodnot přetvoření měřených na kabelech umístěných po a proti spádu svahu lze vypočítat osovou deformaci i ohybovou čáru pažnice nesoucí optické kabely. Srovnávací měření modifikovaným inklinometrem a deformetrem v daném období potvrzují nulovou aktivitu vývoje svahových deformací v okolí vrtu a jsou v souladu s měřeními optickými.

Obr. 5  Vystrojování vrtu optickými kabely a měřicí pažnicí 

Závěr

Použití snímačů FBG je vhodné pro kratší měřicí linie, kde využijeme jejich vysokou citlivost. Jsou vhodnou náhradou dosud užívaných elektromechanických snímačů. Metodou BOTDA lze detekovat rozmístění změn přetvoření i teploty podél měřicí linie a zároveň je určována jejich velikost. Toto je nejvýznamnější výhoda oproti „klasickým“ postupům geotechnického monitoringu, kdy je ve většině případů nutné před instrumentací poměrně přesně předpovědět, kde bude docházet k deformacím, a právě tato místa vystrojit.Společnou vlastností obou metod je snadný přechod ke kontinuálnímu sledování i to, že měření přetvoření i teploty je v ose optického vlákna. Výhodou je odečet měřených hodnot až v kilometrových vzdálenostech od sledované oblasti díky užití levných telekomunikačních kabelů pro přenos měřicího signálu. Měřicí linie jsou pasivní, nedochází k rušení elektromagnetickými poli ani radiací. Nevýhodou je choulostivost optických vláken a kabelů. Proto je nutná jejich dostatečná ochrana v rámci přípravy (výroby) měřicích prvků před instrumentací in-situ.

Obr. 6  Příklad vyhodnocení naměřených dat BOTDA; vlevo – průběh poměrných osových přetvoření v závislosti na hloubce vrtu, vpravo – integrovaná deformace vztažená k pevné patě vrtu

Poděkování

V článku jsou prezentovány vybrané výsledky výzkumu a měření:

• Metodou FBG, projekt TA01011650 „Výzkum a vývoj aplikací dielektrických snímačů pro měření přetvoření v geotechnice“ byl řešen s fi­nanční podporou Technologické agentury ČR.
• Metodou BOTDA, projekt FR-TI3/609 „Výzkum a vývoj detekce a kontrolního sledování kritických míst geotechnických konstrukcí zejmé­na podzemního stavitelství, báňského průmyslu i ostatních inženýrských staveb“. Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.

TEXT: Ing. Marek Záleský, Ph.D.,
Ing. Jan Záleský, CSc., Ing. Ladislav Šašek, CSc.,
Ing. Kristýna Čápová
FOTO: autoři

Marek Záleský je geotechnik ve společnosti
ARCADIS CZ a.s., divize Geotechnika.
Jan Záleský je zástupce vedoucího katedry geotechniky Stavební fakulty ČVUT v Praze.
Ladislav Šašek je jednatel a ředitel firmy SAFIBRA, s.r.o.
Kristýna Čápová je doktorandka na Katedře geotechniky Stavební fakulty ČVUT v Praze.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.