CN104976983A - 一种滑坡的分布监测装置及其监测方法 - Google Patents

一种滑坡的分布监测装置及其监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滑坡的分布式监测装置及监测方法,其中监测装置包括监测片以及监测站点,在所述监测片的上端为与土表固定的锚固端,在所述锚固端上设有与所述监测站点连接的信号传输端,在所述监测片内设置有至少三组的长标距应变传感单元,两组长标距应变传感单元在结合部通过结合部锚栓连接。本发明工艺简单、施工方便,成本低廉,耐久实用,可广泛应用于交通、水电、矿山边坡等大型岩土工程的滑坡监测领域。

Description

一种滑坡的分布监测装置及其监测方法
技术领域
本发明涉及了一种用于岩土工程中健康检测和监测的技术,尤其涉及了一种适合用于滑坡的分布监测装置及监测方法。
背景技术
近年来,我国基础设施建设发展迅速,然而公路、铁路、隧道等一些分布在山区集中地区的交通线路,其地质灾害频发。一旦道路旁的边坡出现坍塌现象,则会影响交通线路的运营安全,也会对人类生命安全和财产构成直接危害。因此,有必要对边坡状态进行实时监测。现有的边坡监测技术主要是通过采集边坡上的测试点处的位移、土压力等参数来分析边坡整体状态的,而缺乏对边坡内部信息的采集。因此,监测人员无法直观地观察边坡的实际状态。此外,在对边坡状态进行分析时,监测人员也无法结合边坡内部信息来综合确定边坡的实时状态。仅凭所述位移、土压力等参数来判断边坡状态,不足以准确评价边坡安全状态。
随着应变测量技术的发展,越来越多的如光纤光栅(FBG)或布里渊散射光(BOTDR/BOTDA)技术等光纤应变传感技术开始应用于岩土工程测量的应用中。常见光纤应变传感器,如光纤光栅其传感栅区大约2cm左右,与常用的钢筋电阻应变片的尺寸相仿。将光纤光栅传感器粘贴在结构表面,尽管其具有精度高的特点,但与应变片一样它只监测了结构某个点的应变,并不能实现分布式全域或局域测量。当随机变形如裂缝产生时,没有与裂缝在同一位置的光纤光栅传感器有可能应变测量值不变甚至下降,无法实施有效的识别。专利CN1901418A公开了一种利用布里渊散射光时域反射监测技术对土质边坡分布式监测的方法。由于光纤传感元件自身柔软的特性,该方法难以解决土层整体滑动时无法确定测量基准点的问题。专利CN 203572503 U提供了一种基于光纤光栅元件、固定基片和膨胀螺栓的边坡稳定性监测装置。由于不锈钢的固定基片不能提供与土体粘结力,传感元件只能反应膨胀螺栓两点的张拉变形,不适合于土体内部变形的测量。专利CN 203642880 U公开了一种利用布设在测斜管两侧的差动式光纤光栅,进而计算曲率变化获得边坡内部变形。但由于差动式光纤光栅需要张拉和压缩两侧的应变差计算曲率,而光纤光栅的传感特性决定了在测量压缩时需要提供大量的预张量。加之测斜管不能提供与土体内部多段的变形,需要对土体滑动面做出精确的预测进而对光纤光栅在测斜管内位置做出合适的设计,才能满足测量要求。目前,在土木工程的结构健康监测中,一种针对光纤光栅和布里渊散射光技术和碳纤维等应变传感技术的长标距传感器封装技术正迅速的得到应用,以解决大型结构的整体与局部分布型应变传感的问题。长标距传感器指测量标距长且测量结果能够反映被测体一定特征区域被测物理量的传感器,其中的标距长度指传感器能够进行有效测量部分的长度。相对于传感标距短且测量结果只能反映被测体局部某点被测物理量的点式传感器,长标距传感器的输出能够反映被测结构一定区域或特征尺度范围内的物理量变化。长标距传感器可按照适当密度分布布设在结构的一定区域,从而达到对各类工程结构的长距离大范围区域的动静态监测。专利CN202033010 U公开了一种用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感器。专利号CN 103438815 A为土建交通领域大型工程结构的长期检测和健康监测提供了一种高耐久长标距光纤光栅传感器。基于长标距传感器高精度和高稳定性的结构动静态应变测量,工程研究人员进一步开发出通过应变分布计算如曲率、变形、模态等结构状态参数,应用于结构损伤定位和易损性分析等结构性能评估技术中。
由于边坡内部变形缺乏稳定的测量手段,基于应变监测对边坡评价的技术理论目前才刚刚起步。针对以上要求,需要有一种可以反应边坡内部信息的高精度和高稳定性的适合大范围监测的技术手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种通过对边坡内部进行定位和滑移计算从而实现实时精确的滑坡的监测方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种滑坡的分布式监测装置,其特征在于:包括监测片以及监测站点,在所述监测片的上端为与土表固定的锚固端,在所述锚固端上设有与所述监测站点连接的信号传输端,在所述监测片内设置有至少三组的长标距应变传感单元,两组长标距应变传感单元在结合部通过结合部锚栓连接。
所述监测片为长条状碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。
所述长标距应变传感单元为长标距光纤传感器件或长标距碳纤维传感器件。
一种分布式监测滑坡的方法,其步骤如下:
步骤一、根据费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法预测边坡最危险滑动面位置;
步骤二、在边坡打入内部植有至少三组长标距应变传感单元的检测片并在土表与监测片锚固,且当所述监测片打入边坡时保证至少有一组长标距应变传感单元位于最危险滑动面下方;
步骤三、获得边坡内不同深度所述监测片测得信号;
步骤四、根据测得的监测片的应变变化分布,结合静态和动态分析不同深度的纵向曲率变化,其分析方法如下:
静态分析方法:根据测得的监测片的应变变化分布,结合监测片固有的弯曲刚度计算不同深度的滑动量,
当监测片底部单元与端部应变差异小于20%时,定义为小滑移量,其滑动量分布由下式确定:
D i = Σ j = 1 n ϵ j · ( n - j + 0.5 ) · l 2 · i y j · n - Σ j = 0 i ϵ j / y i · ( i - j + 0.5 ) · l 2
当监测片底部单元与端部应变差异大于20%时,定义为大滑移量,其滑动量分布由下式确定:
D i = Σ j = 0 i ϵ j / y i · ( i - j + 0.5 ) · l 2
其中,εi表示监测片的第i传感单元的应变值;yi表示监测片的第i传感单元的器,和该单元中和轴高度;
动态分析:当边坡发生环境微动时,收集微小振动下动力学响应,并分析频谱特性、应变模态变化对边坡安全系数的影响。此处提供一种规一化应变模态向量的评价方法,其表达式由监测片各传感单元的应变模态向量的比值确定:
D i = { D 1 i D m i , D 2 i D m i , ... , 1 , ... } T
其中Dmi为选取的参考单位,i为第i阶模态,m表示第m个单元,其表达式由下式确定:
| H m p ϵ i ( w = w i ) | = C p i · D m i
其中为单元m在频响函数的幅值,
Cpi第i阶模态常数,可由监测片安装前标定获得,
p表示时刻p的激励条件;
步骤五、在滑动面贯穿的长标距应变传感单元会出现突变的峰值,并结合各个所述监测片之间的相对坐标,依此拟合边坡内滑动面位置。
本发明能够实现对边坡内各土层对应滑移量的感知,实现对大范围滑坡时高精度定位的要求,适合于纵向和水平方向多点测量的布设,进而达到实现实时在线滑坡监测和边坡稳定性分析的目的。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明安装示意图。
图3是本发明全域监测网络示意图。
图4是本发明静态分析示意图,其中图4a为测得的静态应变分布,4b为计算的滑动分布。
图5是本发明动态分析示意图,其中,5a为动态应变时程,5b为平铺特性,5c为应变莫泰识别滑块。
其中:
1-土表锚固端;2-埋入边坡内监测片,其数量可为n个n=1-n,其内部植入有三组或三组以上的长标距应变传感单元;3-信号传输端;4-监测站点;5-滑动面位置;6-接合部锚栓;7、控制中心。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步阐述。本发明由土表锚固端1和埋入边坡内的长条状监测片2组成。土表锚固端1带有信号传输端3,通过信号传输端3将各个监测片2测得信号分别传输至监测站点4。土表锚固端1必须与土体表面完全锚固;监测片2为长条状具有优越柔性和高耐久性的碳纤维或玻璃或玄武岩等复合材料,其内部植入有三组或三组以上的长标距应变传感单元;长标距应变传感单元可以是长标距光纤传感器件或长标距碳纤维传感器件。
下面结合附图2和3对本发明的技术方案进行详细说明:
首先根据边坡坡角、土体性质和土坡高度等参数通过费伦纽斯最危险滑动面圆心的经验方法预测滑动面位置,当监测片打设入边坡时保证至少有一组长标距应变传感单元位于最危险滑动面下方,当测量开始后,可获得边坡内不同深度监测片的应变变化分布;土表锚固端1带有信号传输端3,通过信号传输端3将各个监测片2测得信号分别传输至监测站点4;各个沿坡面布设的监测站点,再通过有线或者无线的信号传输方式传递到控制中心,由控制中心统一对坡面进行静态和动态的安全分析。
下面结合附图4对本发明的静态分析技术方案进行详细说明:
当边坡内出现滑动时,在滑动面贯穿的长标距应变传感单元会出现突变的峰值(如图4a所示),并结合各个所述监测片之间的相对坐标,依此拟合边坡内滑动面位置;并根据测得的监测片的应变变化分布,结合监测片固有的弯曲刚度计算不同深度的滑动量(如图4b所示)。
下面结合附图5对本发明的动态分析技术方案进行详细说明:
动态分析:当边坡发生地震等环境微动时,结合高精度数据采集设备收集微小振动下动力学响应(如图5a所示),并分析频谱特性(如图5b所示)、应变模态变化(如图5c所示)对边坡安全系数的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种滑坡的分布式监测装置,其特征在于:包括监测片以及监测站点,在所述监测片的上端为与土表固定的锚固端,在所述锚固端上设有与所述监测站点连接的信号传输端,在所述监测片内设置有至少三组的长标距应变传感单元,两组长标距应变传感单元在结合部通过结合部锚栓连接。
2.根据权利要求1所述的分布式监测装置,其特征在于:所述监测片为长条状碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。
3.根据权利要求1或2所述的分布式监测装置,其特征在于:所述长标距应变传感单元为长标距光纤传感器件或长标距碳纤维传感器件。
4.一种采用权利要求1所述分布式监测装置监测滑坡的方法,其步骤如下:
步骤一、根据费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法预测边坡最危险滑动面位置;
步骤二、在边坡打入内部植有至少三组长标距应变传感单元的检测片并在土表与监测片锚固,且当所述监测片打入边坡时保证至少有一组长标距应变传感单元位于最危险滑动面下方;
步骤三、获得边坡内不同深度所述监测片测得信号;
步骤四、根据测得的监测片的应变变化分布,结合静态和动态分析不同深度的纵向曲率变化,其分析方法如下:
静态分析方法:根据测得的监测片的应变变化分布,结合监测片固有的弯曲刚度计算不同深度的滑动量,
当监测片底部单元与端部应变差异小于20%时,定义为小滑移量,其滑动量分布由下式确定:
D i = Σ j = 1 n ϵ j · ( n - j + 0.5 ) · l 2 · i y j · n - Σ j = 0 i ϵ j / y i · ( i - j + 0.5 ) · l 2
当监测片底部单元与端部应变差异大于20%时,定义为大滑移量,其滑动量分布由下式确定:
D i = Σ j = 0 i ϵ j / y i · ( i - j + 0.5 ) · l 2
其中,εi表示监测片的第i传感单元的应变值;yi表示监测片的第i传感单元的器,和该单元中和轴高度;
动态分析:当边坡发生环境微动时,收集微小振动下动力学响应,并分析频谱特性、应变模态变化对边坡安全系数的影响,提供一种规一化应变模态向量的评价方法,其表达式由监测片各传感单元的应变模态向量的比值确定:
D i = { D 1 i D m i , D 2 i D m i , ... , 1 , ... } T
其中Dmi为选取的参考单位,i为第i阶模态,m表示第m个单元,其表达式由下式确定:
| H m p ϵ i ( w = w i ) | = C p i · D m i
其中为单元m在频响函数的幅值,
Cpi第i阶模态常数,可由监测片安装前标定获得,
p表示时刻p的激励条件;
步骤五、在滑动面贯穿的长标距应变传感单元会出现突变的峰值,并结合各个所述监测片之间的相对坐标,依此拟合边坡内滑动面位置。
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