时域反射变形监测技术改良及池上活动断层监测案例.PDF

2006 岩盤工程研討會論文集，台南 2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27 時域反射變形監測技術改良及池上活動斷層監測案例 * ** 湯士弘 林志平 林文欽 鐘志忠 董家鈞 李建成 國立交通大學 土木工程學系 * 國立中央大學 應用地質研究所 ** 中央研究院 地球科學研究所 摘要 時域反射法 (TDR) 以上孔式儀器為基礎，搭配被動式監測纜線可用於現地工程監測。TDR 監測纜線為可分佈式檢測感測器，可感測例如 地層位移所引致局部剪力變形。在某些特定情 況下，可藉由TDR訊號所含訊息，量化局部剪力變形量。然而現地應用中存在幾個影響因子 使得TDR訊號不容易被正確解讀。本研究藉由妥善定義的實驗室試驗，率定現地影響因子， 提供對TDR監測嶄新的判釋方法與理解；並以池上活動斷層 TDR監測案例研究驗證，藉由比 較岩心鑽孔取樣剖面與傳統地表伸縮計，顯示 TDR具有正確定位地底下地層位移的良好能 力，以及量化地層位移的巨大潛力。 關鍵字：時域反射法、監測纜線、地層位移 一、前言 地層間相對的移動造成地層錯動位移，地底下錯動的位置與位移量大小是一項重要的工 址調查項目。近年來，TDR技術逐漸被應用在地層滑動變形的定位監測 [1] [2] 。TDR技術具 有機械式傳感器的穩定性與電子式傳感器的便利性，主要是以電磁波做為探測媒介的被動式 傳感器(passive transducer) ，傳感器常為同樣作為傳輸之用的同軸纜線(coaxial cable) ，利用事 先埋設同軸纜線於存在潛在錯動的地層中，當地層相對錯動位移而改變纜線幾何形狀，TDR 儀器所發出脈衝電磁方波將在該處發生反射，在TDR脈衝方波上產生一個反射尖峰(reflection spike) ，藉由分析儀器接受該反射尖峰的所需走時(travel-time)可定義該位置，現有 TDR技術已 能準確定位地層相對移動處。 Su [3]指出纜線所受外在位移量與TDR反射尖峰大小(reflection spike magnitude)存在相對關係，可藉標定方法估算纜線所受外在位移量。實際上，反射尖峰 只能如實反映纜線本身的變形，不一定即為實際的外部位移量，兩者間傳遞關係受到於現地 材料互制、剪力弱帶控制。Blackburn and Dowding [4]藉由FEM分析上述問題，認為灌漿相對 - 609 - 湯士弘、林志平、林文欽、鐘志忠、董家鈞、李建成 時域反射變形監測技術改良及池上活動斷層監測案例 609-620 於現地材料太軟或太硬接無法有效傳遞外部位移量，唯有在與現地材料強度接近的最適灌漿 (optimal grouting)下，纜線得以儘速感應變形。 此外，纜線導体本身存在電阻(resistance) ，衰減反射尖峰大小並使得反射波型平滑化、空 間解析度降低，隨纜線長度增加，纜線電阻的影響也隨之增加。 Kim [5]與Pierce et al [6]利用 標定的方式針對不同纜線種類、長度找出對應關係，然而此標定方式相對地需時費力。 Dowding et al. [7]嘗試提出可計算纜線電阻影響的波傳模型探討纜線電阻於TDR監測應用的 影響，然而該模型計算費時，且存在相當的模擬誤差。另一方面，在 TDR量測領域的應用上， Heimovaara [8] ，Feng et al. [9]與Lin [10]提出了描述TDR波傳行為的波傳模型，該模型在運算 時具有快速效率，然而前述波傳模型沒有考慮纜線電阻的影響。本文將以 Lin [10]所採用的波 傳模型為基礎，加入代表纜線電阻的控制參數