УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТА Российский патент 2013 года по МПК G01D5/353 G01B11/16 E02D1/00 

Изобретение относится к устройствам измерения распределения деформации, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно.

Целостность и исправность распределенных объектов во многом определяется свойствами и состоянием грунта, в котором они проложены. Как правило, повреждения распределенных объектов, таких как подземные трубопроводы, дороги, туннели и т.п., вызваны подвижками грунта или несанкционированными раскопками. Особенно остро проблемы целостности подземных распределенных объектов стоят при их прокладке под водой, в горных районах (на склонах) и в условиях оттаивания и замерзания окружающего их грунта. Для предотвращения аварий распределенных объектов применяют непрерывный или периодический мониторинг подвижек (смещений) грунта и его температуры в непосредственной близости от объекта. В грунте, на участке, подверженном риску смещений, прокладывают сенсорный оптический кабель таким образом, чтобы подвижки грунта вызывали упругую деформацию растяжения-сжатия участков оптических волокон, входящих в состав кабеля. Распределение по длине деформации оптического волокна измеряют и используют для анализа подвижек грунта. Оптическое волокно, предназначенное для измерения распределения деформации, размещают в специальном сенсорном кабеле, который, с одной стороны, позволяет ему под действием внешних нагрузок деформироваться (растягиваться и сжиматься), а с другой стороны, защищает его от неблагоприятных внешних воздействий в процессе монтажа и эксплуатации. Применяемые в сенсорном кабеле оптические волокна имеют ограниченный диапазон допустимой деформации и соответствующий ему диапазон допустимых растягивающих усилий кабеля. При превышении максимально допустимого усилия растяжения сенсорного кабеля, которое обычно соответствует удлинению оптического волокна на 1% - 2%, происходит обрыв оптического волокна, что приводит к невозможности использования всего сенсорного кабеля или его части в качестве чувствительного элемента. Поэтому для восстановления работоспособности требуется восстановление целостности сенсорного кабеля, что сопряжено с проведением трудоемких земляных работ по замене его поврежденного участка.

Известно устройство для измерения деформации (см. Патент РФ №2346235, опубликованный 27.07.2008), в котором используется способ, основанный на явлении вынужденного рассеяния Манделштамма-Бриллюэна, возникающего в оптическом волокне. В этом способе оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента для детектирования деформации и/или температуры в среде, где размещено оптическое волокно. Известное устройство состоит из источника светового излучения накачки 1, чувствительного оптического волокна 2, оптического ответвителя 3, источника светового излучения зондирования 4 и детектора 5 (фиг.1). Чувствительное оптическое волокно 2 с одного конца подключено к источнику светового излучения накачки 1, а со второго конца при помощи оптического ответвителя 3 - к источнику светового излучения зондирования 4 и детектору 5.

В настоящее время приборы, в которых используется способ измерения распределения деформации оптического волокна вдоль его оси (растяжения или сжатия), основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, производятся и являются коммерчески доступными. В качестве примеров таких устройств можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA [URL: http://www.omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, дата обращения 11/02/II], Швейцария, и Бриллюэновский рефлектометр AQ8603 OPTICAL FIBER STRAIN ANALYZER производства Yokogawa Electric Corporation [URL: http://tmi.yokogawa.com/products/optical-measuring-instruments/optical-sensing-products/aq8603-optical-fiber-strain-analyzer/, дата обращения 11/02/11].

Также известны способ и устройство мониторинга трубопровода [Long-distance fiber optic sensing solutions for pipeline leakage, intrusion and ground movement detection. Marc Nikles Omnisens S.A. "SPIE Defense, Security and Sensing Conference", April 15-17, 2009, Orlando, Florida, USA, Proceedings of SPIE Vol.7316, 7316-01 (2009)]. Устройство включает непрерывный контроль перемещений и температуры грунта в непосредственной близости от трубопровода 6 при помощи устройства, состоящего из блока мониторинга 7, который включает Бриллюэновский анализатор, оптический переключатель и оптический кросс и может располагаться, например, в компрессорных станциях трубопровода, и подключаемых к нему сенсорных кабелей для измерения температуры 8 и сенсорных кабелей для измерения подвижек грунта 9 (фиг.2). Блок мониторинга 7 может быть связан посредством сетевого интерфейса 10 с расположенным удаленно пунктом управления 11. Устройство мониторинга трубопровода удовлетворяет требованиям к системам мониторинга целостности трубопроводов, измеряя распределения температуры и деформации вдоль соответствующих сенсорных кабелей на расстояниях, характерных для трубопроводов, соответствующих, например, расстоянию между компрессорными станциями трубопровода.

Известно устройство [DITEST SMARTEX SENSOR. - URL: http://www.smartec.ch/PDF/SDS%2011.1050%20DiTeSt%20SMART Geo Tex% 20Fabric.pdf. Дата обращения 13.07.2010], предназначенное для повышения точности мониторинга смещений грунта, имеющее увеличенную поверхность сцепления кабеля с окружающим его грунтом. Устройство представляет собой геотекстиль с интегрированным в него сенсорным кабелем для измерения деформации. Устройство состоит из скрепленных между собой лент, выполненных из нетканого материала, которые установлены на кабель и охватывают его с некоторым зазором. Этим достигают увеличение площади соприкосновения лент с грунтом, а следовательно, и увеличение сцепления с ним. Однако устройство имеет следующие недостатки. Устройство не позволяет точно фиксировать начальные поперечные смещения грунта из-за наличия зазора между кабелем и лентами, а также из-за податливости материала лент. Сначала, при малых поперечных смещениях грунта, ленты смещаются вместе с грунтом относительно кабеля в пределах указанного зазора, затем, после выборки указанного зазора, происходит деформация лент с передачей части усилия на кабель, далее, при больших смещениях грунта, ленты и кабель перемещаются совместно. Все это приводит к занижению результатов определения начальных поперечных смещений грунта. Кроме того, так как крепление лент на кабеле в продольном направлении отсутствует, возникает продольное проскальзывание кабеля на участках, расположенных по обеим сторонам от участка подвижки грунта. Проскальзывание кабеля вносит погрешность в точность определения места подвижки грунта. Длина каждой области продольного проскальзывания кабеля определяется в зависимости от силы трения, нарастающей по длине кабеля и необходимой для его удержания в устойчивой части грунта.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство (Defining and monitoring of landslide boundaries using fiber optic systems. M. Iten, A. Schmid, D. Hauswirth & A.M. Puzrin. Prediction and Simulation Methods for Geohazard Mitigation - Oka, Murakami & Kimoto (eds), 2009 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-80482-0). Устройство состоит из Бриллюэновского анализатора производства Omnisens и вмонтированной в грунт сенсорной системы. Бриллюэновский анализатор позволяет измерять распределение деформации сенсорного кабеля. Сенсорная система состоит из якорей 12, жестко установленных на сенсорный кабель для измерения деформации 13 в заданных точках (фиг.3). Размеры якорей 12 определяют опытным путем исходя из измеренного усилия закрепления якоря 12 в грунте. Конструкция каждого якоря 12 обеспечивает перемещение кабеля совместно с окружающим его грунтом, предотвращая обтекание кабеля 13 грунтом. Данное устройство использовалось для определения границ подвижек грунта (оползней).

Однако устройство имеет следующие недостатки. Так как якорь жестко закреплен на сенсорном кабеле, то максимальное усилие, передаваемое якорем на сенсорный кабель, определяется прочностью закрепления якоря в грунте. Прочность закрепления якоря в грунте зависит от формы якоря и свойств грунта, которые в процессе эксплуатации изменяются, например, при изменении плотности грунта с течением времени, в результате трамбовки, при понижении температуры или при изменении влажности грунта. При значительном (быстротекущем или медленно развивающемся во времени) смещении грунта и якорей вместе с грунтом, передаваемое якорем на сенсорный кабель усилие может превысить допустимое растягивающее усилие кабеля, что необратимо выводит его из строя. В таких предельных условиях эксплуатации прочное сцепление с грунтом жестко установленных на сенсорном кабеле якорей становится недостатком.

Техническим результатом изобретения является ограничение усилия, передаваемого якорем на сенсорный кабель, при смещении якорей вместе с грунтом вне зависимости от свойств грунта, которые могут быть известны неточно или меняться со временем и, за счет этого, увеличение срока службы сенсорного кабеля.

Сопутствующим частным техническим результатом изобретения является сохранение работоспособности деформируемого механического предохранителя после его срабатывания. Указанный технический результат достигается за счет того, что известное устройство для измерения деформаций грунта, содержащее чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель, измерительный блок, связанный с кабелем, якоря, связанные с кабелем и с грунтом, согласно заявленному изобретению снабжено системой защиты кабеля от разрушения, включающей встроенный в каждый якорь предохранитель. Каждый якорь может быть связан с кабелем посредством разъемного зажима, а с грунтом - упорной пластиной.

Предохранитель может включать крепеж, выполненный с возможностью крепления упорной пластины к разъемному зажиму, причем при приложении к крепежу заданной нагрузки указанный выше крепеж разрушается, обеспечивая тем самым свободу перемещения кабеля относительно упорной пластины.

Крепеж может быть выполнен в виде защелок, расположенных на упорной пластине якоря и находящихся в зацеплении с разъемным зажимом.

Предохранитель может включать крепеж, выполненный с возможностью крепления кабеля к разъемному зажиму, причем при приложении к крепежу заданной нагрузки указанный выше крепеж деформируется, обеспечивая тем самым свободу перемещения кабеля относительно упорной пластины.

Крепеж может быть выполнен в виде размещенного в пазу эластичного вкладыша с внутренним продольным каналом для размещения кабеля и жесткой калибровочной пластины, установленной в разъеме зажима, причем эластичный вкладыш имеет наружную поверхность, ответную поверхности паза, и поверхность продольного канала, ответную поверхности сенсорного кабеля, и, по меньшей мере, один продольный разрез, через который в продольном канале размещается кабель, а упорная пластина жестко связана с разъемным зажимом.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

на фиг.1 представлено устройство для измерения деформации;

на фиг.2 - схема устройства мониторинга трубопровода;

на фиг.3 - схема вмонтированной в грунт сенсорной системы, состоящей из якорей, установленных на сенсорный кабель;

на фиг.4 - схема сенсорной системы, состоящей из якорей, установленных на сенсорный кабель;

на фиг.5 - вид сверху на вариант устройства с якорем, имеющий разрушаемый механический предохранитель;

на фиг.6 - вид спереди на вариант устройства с якорем, имеющий разрушаемый механический предохранитель;

на фиг.7 - вид спереди на одну из двух одинаковых деталей 24, входящих в состав упорной пластины для варианта устройства с якорем, имеющего разрушаемый механический предохранитель;

на фиг.8 - вид сверху и продольный разрез якоря в варианте устройства с якорем, имеющий деформируемый механический предохранитель;

на фиг.9 - вид спереди на вариант устройства с якорем, имеющий деформируемый механический предохранитель.

Заявленное устройство состоит из измерительного блока, в качестве которого может выступать или Бриллюэновский анализатор, или иное аналогичное устройство для измерения распределения деформации оптического волокна и вмонтированной в грунт сенсорной системы. Сенсорная система состоит из сенсорного оптического кабеля 14 и якорей 15, 16, 17, жестко установленных на нем в заданных точках (фиг.4). Сенсорная система устанавливается под поверхностью грунта 18 в его толще. В заявляемом устройстве сенсорный кабель 14 воспринимает усилие растяжения вдоль своей оси, а каждый якорь 15, 16, 17 имеет упорную пластину 19, перпендикулярную оси кабеля, закрепленную на сенсорном кабеле 14 (фиг.5-8). Упорная пластина 19 якоря взаимодействует с неподвижным грунтом и передает усилие от смещения сенсорного кабеля 14 и якорей 15, 16, находящихся в подвижном и переходном участках грунта. Упорная пластина 19 якоря имеет площадь поверхности 20, достаточную для предотвращения смещения якоря в грунте под действием силы, действующей на него со стороны кабеля вдоль его оси. При возникновении подвижки (смещения) грунта, якоря 15, 16 смещаются вместе с грунтом в направлении стрелок в зоне подвижки грунта (фиг.4). Якоря 17, находящейся в зоне неподвижного грунта, зафиксированы в нем. Таким образом, на границе зоны подвижки, где расстояние между якорями изменяется (увеличивается), кабель, жестко прикрепленный к якорям, будет деформироваться (удлиняться). Относительное удлинение кабеля и, соответственно, оптического волокна измеряется при помощи Бриллюэновского анализатора и используется для анализа положения и параметров подвижек грунта. Относительное удлинение ε (безразмерная величина) равномерно растянутого отрезка кабеля длиной L, может быть рассчитано по следующей формуле

ε=Δ/L,

где L - длина отрезка в недеформированном состоянии в мм и Δ - изменение длины отрезка в результате деформации в мм.

При этом растягивающее усилие любого участка кабеля, прикрепленного обоими концами к якорям, связано с удельным удлинением кабеля, вызванным перемещением якорей друг относительно друга в результате подвижки грунта. В соответствии с законом Гука в пределе малых деформаций (ε<<1) они пропорциональны друг другу.

F=k·ε,

где F - растягивающее усилие в H и k - коэффициент пропорциональности (жесткость) в H.

Однако стойкость кабеля к растягивающему усилию ограничена характерной для каждого типа кабеля величиной, которая обычно приводится в спецификации (DiTeSt SMARTube Sensor-URL: http://www.roctest-group.com/sites/default/files/datasheets/products/SDS%2011.1040%20DiTeSt%20SMARTube%20Sens or.pdf. Дата обращения 27.02.2011).

Для предотвращения разрушения кабеля заявленное устройство снабжено системой защиты кабеля от разрушения, включающей встроенный в каждый якорь предохранитель, который срабатывает в случае, когда сила, действующая со стороны якоря на сенсорный кабель, превышает заданную величину (уровень срабатывания). В результате срабатывания предохранителя кабель под действием растягивающего усилия перемещается в грунте, в результате чего относительное удлинение кабеля и, соответственно, растягивающее усилие на опасном участке уменьшается, предотвращая разрушение кабеля. Так как под действием силы, действующей на кабель со стороны якоря, растягивающее усилие кабеля увеличивается на величину данной силы, то уровень срабатывания должен быть существенно (в зависимости от предполагаемых параметром подвижек грунта) меньше стойкости кабеля к растягивающему усилию. Если предполагается, что возможна подвижка только в одном месте вмонтированной в грунт сенсорной системы на участке между двумя якорями, то достаточно, чтобы уровень срабатывания был меньше стойкости кабеля к растягивающему усилию незначительно (на величину суммы ошибок определения данных параметров). Задание уровня срабатывания предохранителя в конструкции якоря позволяет избежать неопределенностей, связанных с изменчивостью механических свойств грунта от места к месту и с течением времени.

Заявляемые варианты устройства содержат механизм защиты сенсорного кабеля от растягивающих усилий, превышающих допустимые значения, исполненные в двух конструктивных вариантах механических предохранителей.

В первом варианте конструкции с разрушаемым механическим предохранителем (фиг.5, фиг.6) якорь состоит из упорной пластины 19, разъемного зажима 21. Якорь симметричен относительно кабеля. Две одинаковые половинки разъемного зажима 21 при помощи винтового крепежа 22 фиксируются на кабеле 14, который зажимается в пазу 23. Упорная пластина 19 состоит из двух одинаковых деталей 24, которые прикрепляются к разъемному зажиму 21 при помощи защелок 25, а также детали 24 соединяются между собой при помощи усиливающих стержней 26 и защелок 27. Усиливающие стержни 26 и защелки 27 делают конструкцию упорной пластины 19 более жесткой, предотвращая изгиб деталей 24 и обеспечивая перпендикулярность упорной пластины 19 оси кабеля 14. В конструкции упорной пластины 19 предусмотрены гнезда 29 для установки усиливающих стержней 26.

Функцию предохранителя в данной конструкции выполняют защелки 25 (фиг.7). Так как площадь проекции разъемного зажима 21 на плоскость, перпендикулярную оси сенсорного кабеля 14, значительно меньше аналогичной площади упорной пластины 19, то сила, действующая со стороны упорной пластины 19 на разъемный зажим 21, приблизительно равна силе, действующей со стороны якоря на сенсорный кабель. В случае, когда сила, действующая со стороны якоря на сенсорный кабель, превышает заданную величину, происходит срабатывание механического предохранителя путем разрушения защелок 25. Разрушение защелок 25 происходит путем срезания по плоскостям 28. В результате срезания защелок 25 по плоскостям 28 происходит механическое отсоединение упорной пластины 19 от разъемного зажима 21, после чего кабель 14 под действием растягивающего усилия перемещается относительно грунта (и зафиксированной в нем упорной пластины), что вызывает уменьшение относительного удлинения кабеля и, соответственно, растягивающего усилия на опасном участке, предотвращая разрушение кабеля. Уровень срабатывания механического предохранителя подбирают, изменяя прочность материала упорной пластины или изменяя геометрические параметры защелок 25 так, чтобы их прочность на срез в сечении 28 была равна половине от силы, действующей со стороны упорной пластины 19 на разъемный зажим, при которой механический предохранитель должен сработать.

Во втором варианте конструкции с деформируемым механическим предохранителем (фиг.8, фиг.9), якорь имеет конструктивные элементы, аналогичные элементам конструкции с разрушаемым механическим предохранителем, за исключением следующих отличий упорной пластины 30 и разъемного зажима 31.

Конструкция упорной пластины 30 отличается тем, что она крепится к разъемному зажиму 31 надежно во всем диапазоне нагрузок, на которые рассчитан якорь. Размеры и материал деталей упорной пластины 30 выбирают таким образом, чтобы обеспечить их целостность при достижении силой, действующей со стороны якоря на сенсорный кабель, заданной величины, когда происходит срабатывание механического предохранителя.

Конструкция разъемного зажима 31 отличается тем, что паз 32 разъемного зажима 31 выполнен с внутренними продольными выемками на каждой из прижимных пластин 33 и 34. Каждая выемка имеет расширение в начале и в конце паза 32. В паз 32 неподвижно установлен эластичный вкладыш 35 с заданным коэффициентом упругости, имеющий поверхность, ответную поверхности выемок, а также внутренний продольный канал в виде полуовала в поперечном сечении, большая ось которого сориентирована параллельно плоскости разъема прижимных пластин 33 и 34. В разъеме прижимных пластин 33 и 34 установлена жесткая калибровочная пластина 36, состоящая из двух одинаковых частей. Эластичный вкладыш 35 имеет как минимум один продольный разрез для возможности размещения сенсорного кабеля 14.

Функцию механического предохранителя в данной конструкции выполняет разъемный зажим 31. Якорь удерживается на кабеле 14 за счет силы трения с эластичным вкладышем 35. В случае, когда сила, действующая со стороны якоря на сенсорный кабель, превышает заданную величину, происходит деформация эластичного вкладыша 35, вызывающая срабатывание механического предохранителя путем проскальзывания кабеля 14 относительно якоря, зафиксированного в грунте, сопровождающееся снижением указанной силы. Этот процесс продолжается до уравнивания указанной силы с порогом срабатывания предохранителя. Указанное выше проскальзывание кабеля относительно грунта вызывает уменьшение относительного удлинения кабеля и, соответственно, растягивающего усилия на опасном участке, предотвращая разрушение кабеля.

Порог срабатывания предохранителя определяется формой и глубиной рельефа наружной поверхности сенсорного кабеля, силой прижима кабеля к якорю и коэффициентом трения (покоя и скольжения) якоря относительно сенсорного кабеля. Порог срабатывания механического предохранителя F_c (в H) определяют экспериментально или рассчитывают по формуле: F_c=k₁·P, H, где k₁ - коэффициент трения эластичного вкладыша относительно сенсорного кабеля, P, H - сила прижима эластичного вкладыша к сенсорному кабелю. Порог срабатывания регулируют заменой одного эластичного вкладыша на другой с измененным коэффициентом упругости и/или выбором толщины калибровочной пластины 17.

Усилие растяжения сенсорного кабеля ограничивают на уровне ниже предельно допустимого за счет введения в конструкцию устройства указанных предохранителей. Ограничение нагрузки на сенсорный кабель происходит либо за счет ограничения усилия закрепления упорной пластины якоря на разъемном зажиме (разрушаемый механический предохранитель), либо за счет ограничения усилия закрепления разъемного зажима на сенсорном кабеле (деформируемый механический предохранитель). Ограничение усилия закрепления якоря на сенсорном кабеле в случае деформируемого механического предохранителя осуществляют выбором эластичных вставок с заданным коэффициентом упругости и регулированием расстояния между прижимными пластинами 9, 10 при помощи калибровочной пластины 17. Ограничение усилия закрепления упорной пластины якоря на разъемном зажиме в случае разрушаемого механического предохранителя осуществляют выбором материалов, используемых в изготовлении якоря, и изменением геометрических параметров деталей якоря.

Устройство предназначено для измерения деформации и использует в качестве чувствительного элемента оптическое волокно с возможностью измерения распределения деформации оптического волокна в продольном направлении. Устройство для измерения деформаций грунта содержит чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель, измерительный блок, связанный с кабелем, якоря, связанные с кабелем и с грунтом, и снабжено системой защиты кабеля от разрушения, включающей встроенный в каждый якорь предохранитель, который срабатывает в случае, когда сила, действующая со стороны якоря на сенсорный кабель, превышает заданную величину. Технический результат заключается в обеспечении возможности ограничения усилия, передаваемого якорем на сенсорный кабель, при смещении якорей друг относительно друга, вызванного подвижками грунта вне зависимости от свойств грунта, которые могут быть известны неточно или меняться со временем. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для измерения деформаций грунта, содержащее чувствительный к деформации сенсорный оптический кабель, измерительный блок, связанный с кабелем, якоря, связанные с кабелем и с грунтом, отличающееся тем, что снабжено системой защиты кабеля от разрушения, включающей встроенный в каждый якорь предохранитель, который срабатывает в случае, когда сила, действующая со стороны якоря на сенсорный кабель, превышает заданную величину.

2. Устройство для измерения деформаций грунта по п.1, отличающееся тем, что каждый якорь связан с кабелем посредством разъемного зажима, а с грунтом - упорной пластиной.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что предохранитель включает крепеж, выполненный с возможностью крепления упорной пластины к разъемному зажиму, причем при приложении к крепежу заданной нагрузки последний разрушается, обеспечивая тем самым свободу перемещения кабеля относительно упорной пластины.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что крепеж выполнен в виде защелок, расположенных на упорной пластине якоря и находящихся в зацеплении с разъемным зажимом.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что предохранитель включает крепеж, выполненный с возможностью крепления кабеля к разъемному зажиму, причем при приложении к крепежу заданной нагрузки последний деформируется, обеспечивая тем самым свободу перемещения кабеля относительно упорной пластины.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что крепеж выполнен в виде размещенного в пазу эластичного вкладыша с внутренним продольным каналом для размещения кабеля и жесткой калибровочной пластины, установленной в разъеме зажима, причем эластичный вкладыш имеет наружную поверхность, ответную поверхности паза, и поверхность продольного канала, ответную поверхности сенсорного кабеля, и, по меньшей мере, один продольный разрез, через который в продольном канале размещается кабель, а упорная пластина жестко связана с разъемным зажимом.