CN103438933B - 边坡表面位移与浅层测斜一体化设备 - Google Patents

Abstract

边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，涉及边坡监测预警技术领域，包括有位移传感器、角度偏移传感器和采集传输模块，采集传输模块接收位移传感器和角度偏移传感器采集到的数据，并将数据发送至远端监控中心。本发明可以通过监测预警系统实现边坡变形信息的实时感知，若坡体范围内出现对边坡不利的影响因素，则位移传感器和角度偏移传感器自动触发，加快数据采集，传感器24小时不间断工作，避免遗漏最大变形信息，通过对预警数据的自动监控，可以及时发送预警信息。

Description

边坡表面位移与浅层测斜一体化设备

技术领域

本发明涉及边坡监测预警技术领域，特别是一种集成了边坡表面位移测量与浅层测斜的一体化设备。

背景技术

在边坡变形的自动化监测中，最常用的是对边坡体上裂缝的监测，其使用的方法是在裂缝一端安装监测设备，即带拉绳的位移传感器，并将传感器的拉出部分固定在裂缝另外一端，在裂缝产生变化时拉绳式位移传感器会被拉出，传感器的读取数值就会随之变化，监测设备就可获得最新的裂缝参数。当前针对边坡的自动化监测除表面裂缝监测外只有深部位移监测，并没有针对浅层的测斜系统。

当前的边坡监测中应用最多的仍然是人工监测，普通监测人员找到裂缝位置利用卷尺测量变形情况，这种方法测量精度低、误差大、实时性很低；其次就是专业监测人员的定期监测，这种同样存在实时性很低、恶劣天气情况无法获取数据等问题；而针对边坡的自动化监测系统中较多使用地表裂缝监测，但通常都只能监测一条较为明显的裂缝，对于没有明显裂缝的边坡就难以监测，而且这种监测的数据仅仅为边坡裂缝的一维数据，无法反映整个边坡的变形；针对边坡深部的监测又主要是监测边坡内部，表面与内部的变形并没有很好的关联。

发明内容

本发明的目的就是提供一种边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，它可以同时采集边坡的测点位移值和角度偏移值，便于边坡监测预警。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有位移传感器、角度偏移传感器和采集传输模块，采集传输模块接收位移传感器和角度偏移传感器采集到的数据，并将数据发送至远端监控中心。

进一步，所述设备还包括有设备箱、基座和埋在边坡内的设备固定杆，基座安装在设备固定杆的顶端，设备箱安装在基座的顶面，角度偏移传感器安装在设备固定杆内，位移传感器和采集传输模块安装在设备箱内。

进一步，所述设备固定杆的长度为0.7～1m。

进一步，所述基座的顶面为斜面，该斜面与边坡坡面斜度相对应。

进一步，所述设备箱上设置有数据线通孔和位移传感器的测距拉线通孔。

进一步，在基座上设置有拉线固定板，在拉线固定板上设置有用于固定测距拉线的通孔。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明可以通过监测预警系统实现边坡变形信息的实时感知，若坡体范围内出现对边坡不利的影响因素，则位移传感器和角度偏移传感器自动触发，加快数据采集，传感器24小时不间断工作，避免遗漏最大变形信息，通过对预警数据的自动监控，可以及时发送预警信息；

现场准确监控边坡变形指标，包括串联式多点位移计和单点浅层测斜仪，属于宏观变形指标，能准确量测。根据量测的宏观变形指标，通过对边坡变形失稳机制的分析，运用岩土力学理论，推导出边坡稳定性的计算公式。根据边坡稳定性系数指标，对边坡的危险性状态进行判断，使边坡的危险性分级具有固定的指标和标准，不似现有位移-时间方法中，不同的边坡具有不同的预警位移值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的工作状态示意图；

图2为实施例中边坡以及表面位移设备位置示意图；

图3为实施例中求取其旋转中心的示意图；

图4为实施例中旋转中心的位置示意图；

图5为实施例中重心O的位置示意图；

图6为实施例中边坡潜在滑动面的示意图；

图7为实施例中已变形区域土条划分示意图；

图8为实施例中土条变量计算示意图；

图9为实施例中未变形区域示意图；

图10为实施例中P1P4与水平面的夹角正切值示意图；

图11为预警指标的函数图形；

图12为表面位移设备的结构示意图。

图中：3.角度偏移传感器；4.位移传感器；5.设备箱；6.基座；7.设备固定杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，包括有位移传感器3、角度偏移传感器3和采集传输模块，采集传输模块接收位移传感器4和角度偏移传感器3采集到的数据，并将数据发送至远端监控中心。

所述设备还包括有设备箱5、基座6和埋在边坡内的设备固定杆7，基座6安装在设备固定杆7的顶端，设备箱5安装在基座6的顶面，角度偏移传感器3安装在设备固定杆7内，位移传感器4和采集传输模块安装在设备箱5内。

所述设备固定杆7的长度为0.7～1m。

所述基座6的顶面为斜面，该斜面与边坡坡面斜度相对应。

所述设备箱5上设置有数据线通孔和位移传感器的测距拉线通孔。

在基座6上设置有拉线固定板，在拉线固定板上设置有用于固定测距拉线的通孔。

工作时，将多个边坡表面位移与浅层测斜一体化设备以垂直路面的角度并且彼此相间隔的插入边坡内，设备固定杆7深入边坡内，设备箱位于边坡表面。设备固定杆7深入边坡内，可以准确监测整个边坡的数据变化，避免因边坡表面变化而产生干扰数据。收位移传感器4和角度偏移传感器3实时采集边坡表面位移信息和角度偏移信息，并将采集到的数据发送至近端基站，通过基站发送至远端监控中心，进行数据处理和边坡预警。

以一个实施例说明边坡监测预警的具体方法：

1、读取坡面点坐标，并绘制坡面线。坡段数不是定数，坐标值的大小也不确定，图形的显示范围依据边坡坐标范围动态变化；

2、读取测点坐标，并标出测点位置,P1、P2、P3、P4、P5、P6，如图2所示；

3、提取每一测点的位移值（Δx，Δy）和角度偏移值（Δα）；

4、根据每一测点的测量值，求取其旋转中心O1、O2、O3、O4、O5、O6，如图3所示；

其具体方法为：

根据测点位移值，做测点的位移图，图3所示，测点P1从A11点位移到A12点；连接A11、A12，做线段A11-A12的中垂线；在中垂线上找一点O1，使角度∠A11-O1-A12等于测点P1角度偏移值（Δα1）的一半。则O1就是测点P1的旋转中心，如图4所示；

5、依次连接O1、O2、O3、O4、O5、O6，构成一多边形，求取多边形的重心O，如图5所示；

6、以重心O为圆心，OP1为半径，做圆弧，交坡面下部为E点，如图6所示，则圆弧P1E即为边坡的潜在滑动面；

7、以发生变形的最底部测点为界，此处为P4，确定出已变形区域，上部边界为顶部测点P1，下部边界为底部变形测点P4；

8、对已变形区域进行等间距划分土条，土条数目为10，如图7所示。也可按照在测点间划分土条的方法，例如P1～P2间划分为3个土条，两种划分方法均可；计算各土条的如下参数：面积A_i、底边长l_i，l_i为底边圆弧简化为线段，土条上部也可简化为一条线段、底边坡角α_i，如图8所示，以土条10为例。并计算下部外边界P4点处的长度H。

9、以已变形区域的底部边界为上边界，此处为P4，滑体底部E点为下边界，确定出未变形区域，如图9所示。对未变形区域进行土条划分，土条数目为10，并计算其面积A_i、底边长l_i，底边圆弧简化为线段，土条上部也可简化为一条线段、底边坡角α_i。

10、计算已变形区域上下边界点连线与水平面的夹角的正切值，此处为P1P4连线与水平面的夹角的正切值，如图10所示：

tan(a)=(y_P1-y_pk)/(x_P1-x_Pk)

取坡角a正切值tan(a)的一半的反正切值作为滑面内摩擦角φ：

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{\tan \left(a\right)}{2}\right)$

结合步骤已变形区域的土条参数，按下式计算滑面粘聚力c：

$c=\frac{\mathrm{\Σ}(W_i\sin {\mathrm{\α}}_i-\frac{W_i\tan {\mathrm{\φ}}_i}{m_{\mathrm{\αi}}})}{\mathrm{\Σ}\frac{l_i\cos {\mathrm{\α}}_i}{m_{\mathrm{\αi}}}};$ m_αi=cosα_i+sinα_itanφ_i；

11、在已变形区域下部边界的长度H的基础上，按照抗剪强度等效原则，计算综合内摩擦角 ${\mathrm{\φ}}_2=\arctan (\frac{c}{\mathrm{\γH}}+\tan \mathrm{\φ});$

结合未变形区域，连接连接未变形区域上边界测点Pk与下边界点E，计算该连线与水平面的夹角β；

计算坡脚的土压力强度并按坡脚修正：其中γ=20；

计算边界合力：

稳定性的计算公式为：

$F_s=\frac{\mathrm{\Σ}\frac{1}{m_{\mathrm{\αi}}}(c_i{l}_i\cos {\mathrm{\α}}_i+W_i\tan {\mathrm{\φ}}_i)}{\mathrm{\Σ}{W}_i\sin {\mathrm{\α}}_i};$ $m_{\mathrm{\αi}}=\cos {\mathrm{\α}}_i+\frac{\sin {\mathrm{\α}}_i\tan {\mathrm{\φ}}_i}{F_s}.$

从边坡安全预警研究现状来看，尚无真正推广普及的边坡灾害预警判据，目前国内外已经使用的预警判据大致可分为单因子临界判据和综合判据两类。单因子判据指一个变量所表示的边坡临界变化标志，如稳定性系数、可靠概率、声发射参数、变形速率、位移加速度、矢量角以及分维值等；综合判据则主要指多个变量所表示的边坡临界变化标志，如将临界变形现象、降雨量和稳定性系数综合判断等。

从对公路工程的危害性来说，边坡安全性不仅与潜在失稳块体的安全系数有关，也与潜在失稳块体的体积有关。比如对小方量的垮塌,安全系数小于1.0，并不会对公路工程造成巨大的危害，但对于较大方量的潜在失稳块体，即使尚没有整体失稳,安全系数大于1.0，只要出现了变形迹象，即需要特别关注。本发明提出如下的考虑潜在失稳块体稳定性和体积的预警指标定义：

$\mathrm{\ξ}=\frac{F_s}{{\left(\mathrm{lgV}\right)}^{0.05}}$

其中：F_s为边坡的安全系数，V为单宽潜在失稳块体的体积，预警指标ξ的函数图形如图11所示。

据此，对应于边坡安全等级，按四级划分：安全F_s-F_sd>0、基本安全-0.1<F_s-F_sd<0、欠安全-0.2<F_s-F_sd<-0.1和不安全F_s-F_sd<-0.2。F_sd为边坡设计安全系数。将边坡的预警等级设为四级：绿色ξ>1.3、黄色1.2<ξ<1.3、橙色1.1<ξ<1.2和红色ξ<1.1。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，其特征在于：所述设备包括有位移传感器、角度偏移传感器和采集传输模块，采集传输模块接收位移传感器和角度偏移传感器采集到的数据，并将数据发送至远端监控中心；

所述设备还包括有设备箱、基座和埋在边坡内的设备固定杆，基座安装在设备固定杆的顶端，设备箱安装在基座的顶面，角度偏移传感器安装在设备固定杆内，位移传感器和采集传输模块安装在设备箱内。

2.如权利要求1所述的边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，其特征在于：所述设备固定杆的长度为0.7～1m。

3.如权利要求1所述的边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，其特征在于：所述基座的顶面为斜面，该斜面与边坡坡面斜度相对应。

4.如权利要求1所述的边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，其特征在于：所述设备箱上设置有数据线通孔和位移传感器的测距拉线通孔。

5.如权利要求4所述的边坡表面位移与浅层测斜一体化设备，其特征在于:在基座上设置有拉线固定板，在拉线固定板上设置有用于固定测距拉线的通孔。