CN102998029A - 一种滑坡演化过程物理模型多场信息监测方法 - Google Patents

Abstract

一种滑坡演化过程物理模型多场信息监测方法，包括：1）采用现有方法在试验框架内制作滑坡物理模型；2）在步骤1）中，每达到设计的布设位置时，沿铅直方向安装一列土压力盒，继续制作直至模型完成；3）在模型侧面埋设至少一列钢珠；4）在模型正前方安装高速摄像机并进行调试；在模型侧面安装红外热像仪并进行调试；分别在模型正面和侧面各安装一台三维激光扫描仪并进行调试；5）开始试验并通过三维激光扫描仪和高速摄像机采集位移场数据，通过钢珠阵列采集滑体质点的绝对位移并判断滑动面位置；通过土压力盒采集应力场数据；通过红外热像仪采集温度场数据；6）试验结束，拆除各仪器，清除试验框架侧壁的钢珠；7）清理模型并取出土压力盒。

Description

一种滑坡演化过程物理模型多场信息监测方法

技术领域

本发明属于地质灾害模型试验领域，具体地指一种滑坡演化过程物理模型多场信息监测方法。

背景技术

滑坡的地质演化过程包含了滑坡从孕育、发展直至消亡的整个周期活动，开展滑坡演化过程研究对认知滑坡不同时期的地质改造作用、发展变化趋势预测、预报及工程治理措施的设计均具有重要的意义。

目前，研究滑坡演化过程的主要方法可概括为依据现场监测数据与野外地质现象定性分析的工程地质推演法、构建理想数学模型进行定量计算的数值分析法、基于抽象滑坡地质模型的数值模拟分析法以及滑坡物理模型试验法。其中滑坡物理模型试验法作为研究滑坡变形和破坏机理的有效方法，能在室内中短期时间内重复模拟、再现野外难以观测的滑坡演化全过程。因此，滑坡物理模型试验法在滑坡演化过程研究方面体现出了极大的优越性。

滑坡物理模型试验法针对滑坡物理模型主要量测的内容包括：应力、应变、土压力、位移、裂缝和变形破坏形态等。传统的测量工具有尺规、应力传感器、应变传感器、位移传感器和摄像录像仪器等。随着科学技术的发展，滑坡物理模型试验技术得到了快速发展，每一项新的测试技术在滑坡物理模型试验中的应用都将推动试验水平的提高。尤其是21世纪以来，研究人员在滑坡物理模型试验的监测方法研究方面取得了一些研究成果，具有代表性的研究成果简介如下。

2005年，罗先启等人在滑坡物理模型试验测试中采用了γ射线透射法测量土壤水分和自动网格法测试位移两种新技术，使土质滑坡等软土体测试可靠度获得了较大的提高。

同年，张均锋等人在滑坡内部设置水压传感器、滑坡位移传感器等量测装置，并调节箱体上的进、排水阀和插板右侧箱体的供水量进行模拟试验，通过观察和量测装置获得试验数据。

2010年，刘东燕等人在试验过程中采用滑坡物理模型实验箱底面的自动量角仪测定坡脚角度，采用摄像机与相机对试验过程进行全程记录，精确地辨别和分析滑坡的发展特征，实现了对实验现象的反复分析，提高了试验结果的精度。

2011年，范永波等人提出了一种多因素作用下的大型滑坡物理模型试验系统，其中测量单元包括用于测量坡体变形过程的变形测量部、测量坡体孔隙水压力及含水量的应力测量部。

虽然目前测量技术水平的提高在一定程度上促进了滑坡物理模型试验研究方法的发展，但综合考虑上述多个滑坡物理模型试验方法或系统，发现均存在一定程度的局限或缺陷：

（1）滑坡演化过程具有位移场、应力场、温度场等多场演化特征，基于滑坡物理模型试验的滑坡演化过程研究可以短时间内将多场演化特征集中反映出来，但传统的测量方法只能从位移场、应力场两个方面对滑坡的演化过程进行初步研究，忽略了滑坡演化过程中其他重要的伴生现象；

（2）传统位移测量方法无法详细记录滑坡的破坏过程，难以反映滑坡模型裂纹的扩展和滑体变形过程；

（3）普通数字摄像方法图像采集效率低、图像处理难度大，需要耗费大量人力、物力和时间进行数据处理；

（4）普通数字摄像技术只能得到滑坡表面的二维图形，不能建立滑坡物理模型变化过程的三维立体模型，不便于直观地观察与分析滑坡物理模型演化过程各阶段的变形特征；

（5）普通数字摄像方法尚不能采集到滑坡涉水段的位移数据，滑坡涉水部分的数据缺失，将影响到库水位作用下滑坡的演化过程分析；

（6）受限于位移传感器的尺寸，所测位移数据不能准确表征滑坡内部的绝对位移，故准确测量滑坡物理模型内部各点的绝对位移存在困难；

（7）滑坡物理模型试验中一般根据原型滑坡确定滑带及滑动面的位置，但对于均质的土质（或岩质）滑坡而言，尚未提出确定滑动面位置的方法；

（8）在监测土压力变化规律时，土压力盒埋设位置需要精确控制，但采用传统方法埋设土压力盒时难以保证埋设高度的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种滑坡演化过程物理模型多场信息监测方法，能够克服上述现有技术问题，实现滑坡演化过程中物理模型位移场、应力场和温度场多场信息的精确测量。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种滑坡演化过程物理模型多场信息监测方法，包括如下步骤：

1）采用现有方法在试验框架内制作滑坡物理模型；

2）在步骤1）中，每达到设计的土压力盒布设位置时，沿铅直方向安装一列土压力盒，然后继续制作直至滑坡物理模型完成；

3）在滑坡物理模型侧面埋设至少一列钢珠，每列钢珠的排列方向均垂直于滑坡物理模型底面；

4）在滑坡物理模型的正前方安装高速摄像机并进行调试，确定图形采集范围、采集精度和速度；在滑坡物理模型侧面安装红外热像仪并进行调试，确定图像采集范围和采集精度；分别在滑坡物理模型的正面和侧面各安装一台三维激光扫描仪并进行调试，确定扫描范围和扫描精度；

5）开始试验，同时，通过三维激光扫描仪和高速摄像机采集滑坡物理模型的位移场数据，通过埋设的钢珠阵列采集滑体质点的绝对位移，并根据滑体质点位移情况判断滑动面位置；通过土压力盒采集滑坡物理模型的应力场数据；通过红外热像仪采集滑坡物理模型的温度场数据；

6）试验结束，拆除三维激光扫描仪、高速摄像机和红外热像仪，清除试验框架侧壁的钢珠；

7）清理滑坡物理模型并取出土压力盒。

上述技术方案中的所述步骤2）中，采用土压力盒埋设装置安装土压力盒；所述土压力盒埋设装置包括若干土压力盒卡环、若干连接杆和采集线卡槽；每一土压力盒卡环的侧面设有开口，用于同采集线卡槽连通以引出采集线；全部土压力盒卡环沿直线排列，且相邻土压力盒卡环之间通过连接杆连接；土压力盒卡环的内径大于土压力盒，其内设有橡胶条，用于固定土压力盒。

进一步地，所述土压力盒埋设装置的每一土压力盒卡环底面还设有橡胶条卡具，用于橡胶条的定位。

上述技术方案中的所述步骤3）中，采用钢珠埋设装置埋设每列钢珠；所述钢珠埋设装置包括呈长条状的钢珠埋设板，钢珠埋设板上沿直线开有一列钢珠埋设孔；所述钢珠埋设孔的孔径与所埋设的钢珠直径对应，用于穿过钢珠。

进一步地，所述钢珠埋设装置的钢珠埋设板截面呈“凹”形。

上述技术方案的步骤5）还可包括如下操作：开始试验前，在滑坡物理模型表面布置标志物作为标志点，通过三维激光扫描仪监测得到的滑坡表面三维空间坐标信息，提取表征标志点的空间点云数据，采用该标志点云的空间坐标加权平均值作为标志点中心的坐标值，用于在试验过程中精确地求出各时段滑坡表面监测点的位置，实现对滑坡表面特征点位移的实时跟踪定位。

本发明与国内外同类型监测方法相比具有如下有益效果和技术优势：

（1）采用了红外热像仪采集滑坡物理模型侧边不同时段的红外辐射能量分布图，通过热图像上不同颜色所反映出的滑坡侧面各位置温度特征，可以较准确地确定滑动面所在位置和滑坡演化过程中温度场的变化规律，通过对热图像的数据进行采集，精确测定出了所需研究部位的温度变化趋势；

（2）采用了高速摄像机高频率地记录滑坡演化过程动态图像，详细记录了滑坡物理模型的破坏过程，细致地反应了滑坡物理模型的裂纹扩展和滑体变形过程，为精细研究滑坡演化过程中同步变形迹象的观察提供了新的途径；

（3）采用的三维激光扫描仪通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值（X，Y，Z）的信息，且不受滑坡涉水段的限制，利用空间点云数据能够快速建立复杂的、不规则的可视化滑坡模型，能够精细地定性和定量分析滑坡变形破坏过程中反映出来的位移变化规律；

（4）在滑坡物理模型侧面沿纵深方向埋设了钢珠列阵，标识了滑坡物理模型破坏过程中滑坡体内部的变形特征，揭示了均质滑坡演化过程中滑动面所在位置和滑体沿深度方向的变形规律；

（5）进一步地，通过本发明方法中设计的土压力盒埋设装置进行土压力盒安装，可在滑坡物理模型的不同部位精确地埋设微型土压力盒及其采集线，实现了滑坡体内部不同位置土压力的准确测量。

附图说明

图1为本发明监测方法的原理框图。

图2为土压力盒埋设装置的结构示意图。

图3为图2装置平放后的A-A剖视放大图。

图4为钢珠埋设装置的结构示意图。

图5为图4装置平放后的B-B剖视放大图。

图中：1—土压力盒，2—土压力盒卡环，3—采集线卡槽，4—连接杆，5—橡胶条，6—橡胶条卡具，7—钢珠埋设板，8—钢珠埋设孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，利用本发明方法进行滑坡演化过程物理模型多场信息监测的一个典型过程如下。

1）制作滑坡物理模型。即在试验框架内按照设计坡形要求和配比分段堆砌滑坡物理模型。

2）在步骤1）中，每达到设计的土压力盒1布设位置时，利用土压力盒埋设装置沿铅直方向安装一列土压力盒1，具体操作包括：

2.1）土压力盒埋设装置的安装：根据设计好的土压力盒1埋设参数（包括埋设的深度、相邻土压力盒1间距、采集线卡槽3长度等）制作土压力盒埋设装置的各部件；将各土压力盒卡环2分别通过电焊与采集线卡槽3连接，各土压力盒1分别设置于土压力盒卡环2内并用一对橡胶条5固定，再在每一土压力盒卡环2底面安装橡胶条卡具6以定位橡胶条5，全部土压力盒1的数据采集线均位于采集线卡槽3内并汇集后一起引出，连接杆4端部螺杆与相邻土压力盒卡环2上的开孔螺旋固定，如图2、图3所示；

2.2）土压力盒1在滑坡物理模型中的安装：将土压力盒埋设装置连同装配好的土压力盒1沿水平方向压入土体中，此时挤压方向为垂直于土压力盒1受压面的方向。密实挤压后，土压力盒1与内部土体完全接触。在压入土体时，以橡胶条卡具6外表面与土体表面平齐为准。然后通过橡胶条卡具6拔出橡胶条5，再将土压力盒埋设装置抽出，则土压力盒1与土压力盒卡环2及采集线卡槽3脱离，仅留下预设的土压力盒1和数据采集线埋设于滑坡体内。按照相同的方法分段布设剩余的土压力盒1。

3）在滑坡物理模型侧面利用钢珠埋设装置埋设至少一列钢珠，每列钢珠的方向均垂直于滑坡物理模型底面，具体操作包括：

3.1）调整钢珠埋设板7，使钢珠埋设孔8的布设方向垂直于滑坡物理模型底面，再将钢珠埋设板7水平压入滑坡物理模型侧面，直至钢珠埋设孔8所在表面与滑坡物理模型完全水平接触；

3.2）通过钢珠埋设孔8将钢珠对应挤入孔洞土体中，以钢珠刚好完全没入滑坡物理模型并能确定钢珠的中心位置为限，然后抽出钢珠埋设板7，再填补因挤压钢珠埋设装置在滑坡物理模型表面留下的缝隙。

4）在滑坡物理模型的正前方安装高速摄像机并进行调试，确定图形采集范围、采集精度和速度。本实施例的采集范围为滑坡物理模型中滑体的上表面。滑坡物理模型试验中滑坡的破坏过程往往具有突发性和短时性的特点，普通的测量方法或摄影技术很难捕捉到完整的破坏过程，而高速摄像机的记录速度可达到每秒1000~10000帧，满足完整记录滑坡演化破坏过程的要求。考虑到图像采集的精度与数据的储存，本实施例中拍摄图像的分辨率为1920×1080，拍摄速率设定为200帧/秒。

5）在滑坡物理模型侧面安装红外热像仪并进行调试，确定图像采集范围和采集精度。本实施例的采集范围为滑坡物理模型侧表面，测试精度为0.02℃。由于滑坡演化过程中的变形破坏现象（如岩体错断、滑移，裂隙扩展）等会产生能量的聚集和释放，在此过程中往往以温度场的变化表现出来，因此采用红外热成像技术能监测到滑坡体变形破坏过程中细微温度的变化。

6）分别在滑坡物理模型的正面和侧面各安装一台三维激光扫描仪并进行调试，确定扫描范围和扫描精度。本实施例的扫描范围分别为滑坡物理模型滑体上表面和滑坡物理模型侧面，扫描精度为1mm，扫描后滑坡物理模型表面由众多数据点组成，可以快速建立滑坡物理模型的三维影像模型，连续反映出滑坡细微的局部变形。叠加显示不同时间获得的点云数据，可实现不同演化阶段滑坡变形特征的对比。利用密集数据点，通过三维地质建模软件建立光滑、连续曲面构成的滑坡模型，可从另一角度直观展示了滑坡表面的变形特征。此外，在滑坡物理模型表面布置图钉等标志物作为标志点，通过三维激光扫描仪监测得到的滑坡表面三维空间坐标信息，提取表征标志点的空间点云数据，采用该标志点云的空间坐标加权平均值作为标志点中心的坐标值，用于在试验过程中精确地求出各时段滑坡表面监测点的位置，可实现对滑坡表面特征点位移的实时跟踪。结合上述高速摄像机采集的图像，并应用粒子跟踪测速计算模块可对高速摄像机拍摄的图像进行后处理：首先，将滑坡物理模型区外的像素填充为黑色，自动屏蔽研究区域外的图像，减少计算误差；其次，追踪上述坡表的标志点进行位移量、位移速率、累计位移矢量计算；最后，利用三维激光扫描仪监测的在不同时刻的标志点位移量，对图像中计算出来的标志点的位移进行校核。

7）开始试验，同时，通过三维激光扫描仪和高速摄像机采集滑坡物理模型的位移场数据，通过埋设的钢珠阵列采集滑体质点的绝对位移，并根据滑体质点位移情况判断滑动面位置；通过土压力盒1采集滑坡物理模型的应力场数据；通过红外热像仪采集滑坡物理模型的温度场数据。

8）试验结束，拆除三维激光扫描仪、高速摄像机和红外热像仪，清除试验框架侧壁的钢珠。

9）清理滑坡物理模型并取出土压力盒1。

10）整理数据。

本发明的核心在于同时采用了红外热成像技术、三维激光扫描技术和高速摄像技术，并通过钢珠阵列的布设，实现了滑坡演化过程中物理模型位移场、应力场、温度场多场信息的精确测量。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：利用本发明设计的土压力盒埋设装置进行土压力盒1埋设可实现土压力盒1埋设位置的精确控制，并使其数据采集线不发生缠绕和拉扯，是一种优选的方案，但是采用其他常规方法布置也是可行的；本发明设计的钢珠埋设装置结构简单，却能够精确控制钢珠列垂直于滑坡物理模型底面，但并不限于采用该装置进行钢珠埋设；三维激光扫描仪、高速摄像机、红外热像仪的设置参数可以根据待测的滑坡物理模型进行适当调整等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）采用现有方法在试验框架内制作滑坡物理模型；

2）在步骤1）中，每达到设计的土压力盒（1）布设位置时，就沿铅直方向安装一列土压力盒（1），然后继续制作直至滑坡物理模型完成；

3）在滑坡物理模型侧面埋设至少一列钢珠，每列钢珠的排列方向均垂直于滑坡物理模型底面；

4）在滑坡物理模型的正前方安装高速摄像机并进行调试，确定图形采集范围、采集精度和速度；在滑坡物理模型侧面安装红外热像仪并进行调试，确定图像采集范围和采集精度；分别在滑坡物理模型的正面和侧面各安装一台三维激光扫描仪并进行调试，确定扫描范围和扫描精度；

5）开始试验，同时，通过三维激光扫描仪和高速摄像机采集滑坡物理模型的位移场数据，通过埋设的钢珠阵列采集滑体质点的绝对位移，并根据滑体质点位移情况判断滑动面位置；通过土压力盒（1）采集滑坡物理模型的应力场数据；通过红外热像仪采集滑坡物理模型的温度场数据；

6）试验结束，拆除三维激光扫描仪、高速摄像机和红外热像仪，清除试验框架侧壁的钢珠；

7）清理滑坡物理模型并取出土压力盒（1）。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述步骤2）中，采用土压力盒埋设装置安装土压力盒（1）；所述土压力盒埋设装置包括若干土压力盒卡环（2）、若干连接杆（4）和采集线卡槽（3）；每一土压力盒卡环（2）的侧面设有开口，用于同采集线卡槽（3）连通以引出采集线；全部土压力盒卡环（2）沿直线排列，且相邻土压力盒卡环（2）之间通过连接杆（4）连接；土压力盒卡环（2）的内径大于土压力盒（1），其内设有橡胶条（5），用于固定土压力盒（1）。

3.根据权利要求2所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述土压力盒埋设装置的每一土压力盒卡环（2）底面还设有橡胶条卡具（6），用于橡胶条（5）的定位。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述步骤3）中，采用钢珠埋设装置埋设每列钢珠；所述钢珠埋设装置包括呈长条状的钢珠埋设板（7），钢珠埋设板（7）上沿直线开有一列钢珠埋设孔（8）；所述钢珠埋设孔（8）的孔径与所埋设的钢珠直径对应，用于穿过钢珠。

5.根据权利要求4所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述钢珠埋设装置的钢珠埋设板（7）截面呈“凹”形。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述步骤5）还包括如下操作：开始试验前，在滑坡物理模型表面布置标志物作为标志点，通过三维激光扫描仪监测得到的滑坡表面三维空间坐标信息，提取表征标志点的空间点云数据，采用该标志点云的空间坐标加权平均值作为标志点中心的坐标值，用于在试验过程中精确地求出各时段滑坡表面监测点的位置，实现对滑坡表面特征点位移的实时跟踪定位。

7.根据权利要求4所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述步骤5）还包括如下操作：开始试验前，在滑坡物理模型表面布置标志物作为标志点，通过三维激光扫描仪监测得到的滑坡表面三维空间坐标信息，提取表征标志点的空间点云数据，采用该标志点云的空间坐标加权平均值作为标志点中心的坐标值，用于在试验过程中精确地求出各时段滑坡表面监测点的位置，实现对滑坡表面特征点位移的实时跟踪定位。

8.根据权利要求5所述的一种滑坡演化过程物理模型试验多场信息监测方法，其特征在于：所述步骤5）还包括如下操作：开始试验前，在滑坡物理模型表面布置标志物作为标志点，通过三维激光扫描仪监测得到的滑坡表面三维空间坐标信息，提取表征标志点的空间点云数据，采用该标志点云的空间坐标加权平均值作为标志点中心的坐标值，用于在试验过程中精确地求出各时段滑坡表面监测点的位置，实现对滑坡表面特征点位移的实时跟踪定位。

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