CN101118687A

CN101118687A - 一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法

Info

Publication number: CN101118687A
Application number: CNA2007101191256A
Authority: CN
Inventors: 何满潮; 张斌; 韩雪; 杨晓杰
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2027-07-16
Also published as: CN100514381C

Abstract

一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法，属于边坡滑坡灾害远程实时监测预防方法领域。传统的滑坡灾害远程监测方法或仪器，主要是对边坡表面位移或地质状况探测分析得到的信息予以传感或监测。其不足之处是未能对滑坡体在位移前做出传感和监测。本发明采用在锚索位于滑动面之上的端头设置传感器，将锚索在滑动块部分整体预应力予以传感，并持续将该信号收集、放大、发射、接受，运用计算机及软件根据边坡滑动力与锚索预应力监测值的关系对接收信息予以处理，得到滑动力和时间关系显示的方法，实时监测滑动体状况，及时准确地得到其内部状态信息，从而发现滑坡危险。同时本发明还为确定增加、维修锚索提供信息，因此能够防止浪费，节省成本。

Description

一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法

技术领域

一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法，涉及边坡滑坡监测领域，尤其是实时无线远程监测边坡滑坡灾害领域。

背景技术

斜坡上的岩体或土体，由于在岩体重力、水及震动力或其他因素的影响作用下，沿着滑动面所作的整体下滑运动，即是滑坡。滑动的岩块、土体称为滑坡体；岩体、土体下滑的底面为滑动面；滑动面以下不滑动部分为滑床；滑坡灾害发生的结果是，倾倒或滑落产生的大量岩土堆积物，引起交通中断、村镇埋没、江河堵塞、水库淤积、甚至酿成巨大的地质灾害。目前，用于滑坡灾害预测和防控的滑坡监测仪器都只是传感或监测边破表面或地质状况探测分析得到的信息，而不是边坡内部滑动面在滑动前产生应力变化的信息，所以存在信息不及时、不准确等缺陷，因而影响及时准确的预防和控制滑坡灾害；同时也没有结合实际工程情况进行监测，所以在对滑坡的实际监测和预防中仍没有能够更好的做到提早预防、节省防治成本。

发明内容

本发明正是为了解决上述之不足，利用锚索预应力信息与边坡滑动力之间的关系，对滑坡内部信息进行实时检测、对采集信息予以连续不断的收集、分析，从而及时、准确的发现边坡滑坡灾害发生的危险性，进而及时防控，避免其发生或危及生命和财产安全。同时，属于无线远程监测，数据传送和接收不受距离限制，并可以及时准确了解到边坡锚固的实际情况，为确保边坡的安全，为增加、维修锚固设施提供信息，并由此节省防治成本。

本发明目的是通过下述方案实现的：

一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统，包括传感装置、采集发射装置、智能接收分析装置，其特征是：传感装置设置在锚索端部，智能接收分析装置包含信号接收器和计算机组成，所述锚索设置在边坡里；

一种实时远程无线监测边坡滑坡的方法，其特征是：

(1)在边坡锚索地面外端头部位安装传感装置，由该传感装置对锚索预应力信号予以传感；

(2)由采集发射装置采集传感装置得到的信号并经发射装置发射传感信号；

(3)由智能接收分析装置将发射的传感信号接收、储存；

(4)运用计算机技术运算边坡滑动力与锚索预应力监测值的关系并在显示屏上形成边坡滑动力与时间关系的图形显示。

本方案以力的平衡原理为基础，建立边坡滑动力与监控锚索预应力及滑动面摩阻力的关系之间，并通过远程监控系统监测锚索预应力的变化，在岩体有明显变形、滑坡发生之前，及时监测和捕捉岩体中的应力变化。应力与岩体强度相互作用产生变形和位移时，边坡岩体应力的变化可以超前于变形判断边坡的稳态。这样，就可以比直接监测位移更及时、更准确的监测滑动块的整体信息，因而可以更准确及时的监测滑坡，预防滑坡危害。该系统自动、连续、及时的特点，能够准确及时掌握边坡的稳定状态，对不稳定边坡的加固时机的科学决策提供有力依据。

附图说明：

图1系统原理流程图

图2锚索及传感器位置示意图

图3力学三角图

图4边坡稳态远程监测技术原理流程图

图5系统拓扑结构图

图6监测软件程序原理流程图

图7室内系统结构图

图8室外系统结构图

图9数据接收程序流程图

图10试验点监测曲线图

其中：锚索①、锚墩②、传感器③、发射器④、边坡滑体⑤、边坡滑动面⑥、边坡滑床⑦、锚固段⑧、接收器⑨

具体实施方式：

下面结合附图作进一步说明：

系统原理流程见图1，系统的网络拓扑结构见图5，本系统分为两个主要部分：现场采集发射系统和远程接收分析系统。现场采集发射系统包含锚索、安装于锚索上的传感装置、采集发射装置，主要完成锚索预应力变化的自动感应、自动采集和向监控中心设备自动无线发射数据；远程接收分析系统即智能接收分析装置包含信号接收器和计算机，主要完成现场远程数据的自动接收并把接收信号送入计算机进行自动处理，处理计算机可自动形成动态监测曲线，根据已经研究发现的不同预警模式形成监测预警曲线，工作人员依据监测预警曲线准确、及时判断监测现场边坡的稳定状态。

边坡滑动破坏面上部分称为滑体⑤，下部岩体称为滑床⑦，加固锚索①均要穿过预计滑动面⑥与滑床锚固，锚墩②设置在滑床⑦内部。加固锚索①预应力出现持续增大，说明边坡正在发生破坏或产生了破坏趋势。产生滑动趋势的边坡破坏速度可以通过加固锚索①预应力增长速率反应出来。因此，实时监测边坡加固锚索①预应力的变化，可以及时掌握边坡的稳定状态。边坡稳态远程监测技术原理流程见图6

如图2，本发明采用的是将传感器③安装在锚索①端头部位(地面外部分)，将滑动体整体运动趋势对锚索①的整体作用力产生的拉伸应力转换为对传感器③的压力予以传感。图8天线采用的是SMA接口，使用螺纹固定。传感器③与地面之间安装一快大面积的硬板，以便能够克服地面软造成的应力传感失真。传感器③工作时，通过外部线缆向线圈输入一个强激发脉冲信号，由于电磁感应效应，位于线圈附近的振弦受感应线圈中变化电流所产生变化磁场的影响，发生振动，切割磁场从而在线圈中产生感应电流，通过外部线缆反馈给测量系统，确定振弦的振动频率，再通过振动频率算出当前压力。传感器③所需的激发信号由测量系统提供，

采集发射装置选用的单片机为PHILIPS公司的LPC2103，这是基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI-SCPU，并带有8kB和32kB嵌入的高速Flash存储器。单片机本身具有极小的尺寸和极低的功耗，适合本系统的要求。传感器③受激发产生的反馈信号经过整形后送入单片机的P0口，对信号的频率进行测量，测量原理如下：测量过程中使用到一个定时器和一个计数器，在本系统的程序中设计捕捉12个周期的脉冲，计数器在计满12个脉冲信号后产生中断，终止定时器计时，根据定时器的计时结果算出信号的频率，存入单片机的RAM中；由于传感器③采用的是三根钢弦，因此这一过程重复三次，每次测量不同的弦，得出三根钢弦各自的振荡频率后取其平均值，然后把这一平均值作为最终结果交给信号发送系统装置进行发送。将该传感器③信号采集、储存、放大，通过发射器④无线发射并接收到监控主机计算机中，模块置提供了一个GSC接口用于外接天线。外接天线首先应连接SMA射频头，然后通过射频头连接至TC35i模块。为增强信号以及便于安装，本系统采用吸盘式的GSM天线。

监控锚索①预应力变化与边坡滑动力、岩体几何参数、力学参数之间的原理关系如下：

图3(b)所示力学三角形力的函数关系如下

(3-1)

(3-2)

式中：

---监测锚索应力，即远程监测值(KN)；

---监测锚索应力沿滑动面的法向分量(KN)；

---监测锚索应力沿滑动面的切向分量(KN)；

α---滑动面与水平面夹角(°)；

θ---锚索加固角(°)。

图3(c)中所示力学三角形力的函数关系如下

G_t＝G□sinα

(3-3)

G_n＝G□cosα

(3-4)

式中：

G---滑体自重(KN)；

G_t---滑体自重沿滑动面的切向分量(KN)；

G_n---滑体自重沿滑动面的法向分量(KN)。

边坡处于临滑的极限状态及之前，对于滑动面切向各力有：

G_{t} = {\bar{P}}_{t} + F_{φ}

(3-5)

其中Fφ是滑体受滑动面的摩阻力(KN)，根据库仑定律有：

(3-6)

将式3-2和3-4代入式3-6，并将式3-1、3-3和3-6代入式3-5整理得：

(3-7)

式中：

---边坡滑动体各土层内摩擦角加权平均值(°)；

C---滑动面土层粘聚力之和(KN)。

式3-7表达了边坡锚索预应力变化与边坡岩体几何特性及力学参数的关系。式3-8表达了边坡滑动力与远程监测值之间的关系，对于某一边坡滑落体的自重力是体积和容重的常函数，在边坡岩土体含水量等性质不变的情况下，滑动力是常量。随着边坡滑动破坏面的形成和滑动位移的产生，滑落体受滑动面上由内摩擦力和粘聚力引起的摩阻力逐渐减小，锚索预应力便逐渐增长。监测锚索预应力的变化可以反应边坡滑体和滑床之间的剪切强度变化，从而反应了边坡稳定性的变化。

图4为边坡稳态远程监测技术原理流程图，室内外系统结构见图7、图8，数据接收程序流程见图9，如图8接收器⑨监测主机连接，监控主机上的监控程序对接收器⑨进行控制，实现数据接收。对接收器⑨的控制是通过向其串口发送AT指令来实现的。边坡稳态远程监测技术原理流程见图6。图8的监测主机中安装有数据接收程序，该程序用于与硬件接收设备进行通信，对设备进行一些设置，接受设备传来的数据，并将其存入数据库中，供分析处理程序使用。

实例1选取西露天矿采场西北部的边坡监测

试验监测用锚索采用φ15.24mm低松弛钢绞线，其标准抗拉强度为1860Mpa。锚索钻孔孔径110mm，检测点1监测锚索长度67米，监测点2监测锚索长度57米，锚索的锚固长度8.5米，锚墩②设置在滑床⑦内部。将传感器③安装在锚索端头部位(地面外部分)，将滑动体整体运动趋势对锚索的整体作用力产生的拉伸应力转换为对传感器的压力予以传感，传感器采用丹东市虬龙传感器制造公司生产的JXL-3型钢弦式荷载传感器，其采用单线圈，内部有三根钢弦，呈120度角分布在传感器环面上。

该试验区位于4700到5100剖面之间，试验坡体长度400米，试验边坡自高程467.00米到548.00米总高度83米，预滑动坡体自高程483.00米到548.00米高度65米，自坡顶(高程548.00米)向下52米处(高程496.00米)设置水平间隔10米的两个监测点，两个监测点的两锚索锚墩②处分别设置远程监测系统。

试验过程中对483.00米到496.00米共13米高的坡体台阶进行挖掘，挖掘区域的南北方向自4800剖面到5060剖面，长度共260米，东西方向平均宽度28.8米，最大宽度处40米。试验过程中进行锚索预应力变化及边坡位移监测。预应力变化通过远程监测系统进行连续、实时、自动监测，并通过远程接收处理系统形成应力时间变化曲线。

传感器③受激发产生的反馈信号经过整形后送入单片机的P0口，单片机为PHILIPS公司的LPC2103，这是基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI-SCPU，并带有8kB和32kB嵌入的高速Flash存储器。单片机本身具有极小的尺寸和极低的功耗，适合本系统的要求。对信号的频率进行测量，测量原理如下：测量过程中使用到一个定时器和一个计数器，在本系统的程序中设计捕捉12个周期的脉冲，计数器在计满12个脉冲信号后产生中断，终止定时器计时，根据定时器的计时结果算出信号的频率，存入单片机的RAM中；单片机与发射器④TC35i模块通过串口同进行通信，以此达到系统对该模块的控制功能。TC35i模块使用的为40pin0.5mm的ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)接口，本系统采用40pin连接插座与之相对应，两插座之间采用TennRich-s扁平线，用作传输数据和提供电源。由于传感器③采用的是三根钢弦，因此这一过程重复三次，每次测量不同的弦，得出三根钢弦各自的振荡频率后取其平均值，然后把这一平均值作为最终结果传送发射器④无线发射并接收到监控主机中，发射器④采用选用德国SIEMENS公司生产的高性能GSM模块TC35i来实现监测数据的发送，工作在900MHz/1800Mhz的GSM网络环境下，工作电压为3.3V-4.8V，正常工作电流为300mA，峰值电流为500mA-1000mA，工作的温度范围为-25℃-70℃。TC35i模块使用40pinZIF接口，支持标准的AT命令集，本系统对其进行控制是通过发送相应的AT命令来实现的。模块置提供了一个GSC接口用于外接天线。外接天线首先应连接SMA射频头，然后通过射频头连接至发射器④TC35i模块。为增强信号以及便于安装，本系统采用吸盘式的GSM天线。接收器⑨的天线同样采用SMA接头，接收器⑨与监控主机间采用RS232口进行连接。接收器⑨本身采用了北京华腾通宇HT-XCM型外置GSM Modem，其核心仍然是在发射器中采用的TC35i模块，使用RS232(即串口)直接连接到监控主机，在监控主机上有监测软件即可对接收器⑨进行控制，对接收器⑨的控制是通过向其串口发送AT指令来实现的。监测软件程序原理流程见图6。试验远程监测程序接收界面见图10，界面中单击“监测点1”或“监测点2”按钮可以弹出动态的监测应力-时间曲线界面。例如监测点2的监测曲线见图11，图中的各点代表了各个不同的典型时刻，含义如下：

A点代表：监测起始时间(2006.11.8)；

B点代表：第一次预报(2006.11.25)；

C点代表：预报后第12天发出第一次预警(2006.12.6)；

D点代表：第二次预警，边坡发现后缘不连续裂缝(2006.12.15)；

E点代表：第三次预警，不连续裂缝演变成连续裂缝，实际裂缝平均宽度0.15m，裂缝两侧产生0.08m落差；

F点代表：第四次预警，实际裂缝平均宽度0.3m，裂缝两侧产生0.33m落差(2007.1.9)；

G点代表：滑动体滑动速度明显加快，实际裂缝平均宽度0.5m，裂缝两侧产生0.86m落差，出现大规模滑坡特点，边坡岩体大体积滑落物掩埋监测设备，信息中断监测结束(2007.1.14)；

监测结果：最终以边坡岩体出现标志性滑动裂缝结束，于试验结束前30天边坡岩体上部出现不连续裂纹，裂纹逐渐连贯并演变成裂缝，随着试验时间延续逐渐产生高差变化最后形成滑动体。试验结束时滑动体平面范围长度达96米，边坡岩体上部裂缝宽度达0.5米，落差达0.86米。

实例2：台岩岭垭口边坡监测

台岩岭垭口开挖深度19米，开挖后边坡坡面上设置两个台阶，边坡横断面设置六排加固锚索，左侧边坡锚索设计加固预应力750KN，右侧边坡锚索设计加固预应力600KN，沿等高线方向锚索间距4米，垂直于等高线方向在边坡最高处设置6排加固锚索。根据各点的监测数据曲线显示，边坡锚索承载力具有安全储备，没有较大波动，曲线平稳没有持续走高的趋势，表明锚索加固区域边坡岩体处于安全稳定状态。

综上，通过现场试验应用，充分验证了该远程监测系统的准确性、实时性和实用性的同时，也得到了边坡由稳定状态过度到临界状态直到滑坡的过程中，监测锚索预应力的变化规律，为滑坡的预测提供可靠的数据信息。

本发明在实际应用试验中取得了良好的效果。经已经监测成功的实例证明，在滑坡发生之前的，即已经监测到了明显的异常信号，可以确定危险的程度并及时、准确地预测滑坡灾害。同时，由于准确的测定了边坡锚固状态，原准备增加的锚索数量得以控制，节省资金数千万元。

Claims

1.一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统，包含：传感装置、采集发射装置、远程接收分析装置，其特征是：所述传感装置包含一端穿越滑动面⑥并锚固在滑床⑦上的锚索①和套装在盖锚索①位于地面外端部的荷载式传感器③，采集发射装置包括可以实现远程实时发射的单片机和发射器④，远程接收分析装置包含信号接收器⑨和装有相应软件的计算机。

2.根据权利要求1所述实时远程无线监测边坡滑坡的系统，其特征是：

(1)所述锚索①位于地面外端部安装荷载式传感器③时，在传感器和地面之间设置一个1～2m×1～2m的钢板；

(2)选用可工作在900MHz/1800Mhz的GSM网络环境下发射器④；

(3)远程接收分析装置包含对应信号接收器⑨和计算机，并且运用计算程序在计算机屏幕上建立监测点实际图示和显示边坡滑动力与锚索预应力监测值的关系实时变化和历史数据的对应曲线图。

3.一种实时远程无线监测边坡滑坡的方法，包括对边坡滑动信号予以传感、采集和发射，远程接收发射信号并运用计算机运算信号与滑动关系；其特征是：

(1)在边坡安装锚索①，使其一端穿过滑动面并锚固在滑床上，另一端位于地面外，根据边坡情况和传感装置要求施加相应的预紧力；

(2)在边坡锚索地面外端头部位安装传感装置，由该传感装置对锚索预应力信号予以传感；

(3)由采集发射装置采集传感装置得到的信号并经发射装置发射传感信号；

(4)由智能接收分析装置将发射的传感信号接收、储存；运用计算机技术运算边坡滑动力与锚索预应力监测值的关系并在显示屏上形成边坡滑动力与时间关系的图形显示。