CN108280969B - 一种高边坡表面变形监测预警系统及其预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高边坡表面变形监测预警系统及其预警方法，该包括系统基准点系统，用于作为高边坡表面变形的参照系统；变形监测系统，用于监测各个测量点的高边坡表面变形的情况，采集实时变形监测数据，并将实时变形监测数据发送至数据采集传输系统；数据采集传输系统，用于将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统；数据分析系统，用于接收、处理实时变形监测数据，对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号。本发明可实时监测施工期及运营期的高边坡坡面变形情况，测量精度高，结果准确可靠，大大提高了监测工作的效率和可靠度。
Description
技术领域
本发明属于铁路工程边坡变形监测的技术领域，具体涉及一种高边坡表面变形监测预警系统及其预警方法。
背景技术
路堑高边坡设计、施工主要采用分级开挖分级防护，由于岩土体结构的复杂性，往往出现开挖下一级边坡时，上部边坡变形开裂，加大了边坡处理难度，因此为了及时掌握施工期和运营期路堑高边坡稳定性和变形情况，需对路堑高边坡坡面变形进行监测，通过监测数据综合分析边坡稳定状态、变形发展趋势，为线路安全运营提供预警保障。
目前对于施工期和运营期的路堑高边坡的坡面监测主要方式有三种：一是通过在边坡坡面及平台边缘处布置观测桩，采用人工水准测量方式采集数据进行分析，这种方法测量精度高，所得结果准确可靠，但由于人工测量的周期性，对于边坡位移变形无法及时反映，且人工测量工作量巨大，效率低；二是通过GPS观测量点代替观测桩，采用自动化监测采集数据，可对边坡变形进行实时监测预警，但此法测量受仪器精度及质量控制，且安装埋设元器件成本高，无法大规模采用；三是通过在边坡坡面及平台布置测斜管，通过测斜管测量路堑边坡不同深部的位移，再由深至浅累加得到坡面位移，此法得到的坡面位移值由于是下部各点累加所得，且由于现有设备及技术因素，埋深测斜管时无法紧密贴合孔壁，从而造成采集到的最终数据精度较低。
现有技术中，公开号为CN104821066A的中国发明专利公开了一种边坡监测预警系统，包括：设于边坡体上的通讯模块、测斜仪、渗压计、土壤湿度计以及时域反射仪；所述测斜仪、渗压计、土壤湿度计以及时域反射仪分别连接至通讯模块；以及显示器，其与所述通讯模块无线连接。该边坡监测预警系统通过测斜仪、渗压计、土壤湿度计以及时域反射仪对边坡体进行全方位的监测，并将数据通过通讯模块传输至显示器上进行显示，虽然，该方法能够达对边坡信息进行实时反馈预警的目的，实际上，所有边坡失稳滑坡的最重要特征为坡面相对位移的变化，尤其是对常常发生牵连式滑坡的路堑边坡，而上述方法无法实现对坡面相对位移的变化的监测，因此无法实现高边坡表面变形监测预警。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种高边坡表面变形监测预警系统及其预警方法。
本发明采用的技术方案是：一种高边坡表面变形监测预警系统，包括
基准点系统，用于作为高边坡表面变形的参照系统；
变形监测系统，用于监测各个测量点的高边坡表面变形的情况，采集实时变形监测数据，并将实时变形监测数据发送至数据采集传输系统；
数据采集传输系统，用于将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统；
数据分析系统，用于接收、处理实时变形监测数据，对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号。
进一步地，所述基准点系统包括基准点，所述基准点设置在不受边坡施工变形或边坡失稳变形影响的稳定区域，所述稳定区域位于挖方边坡坡顶10m以外或者填方边坡坡脚10m之外。
进一步地，所述变形监测系统包括多个位置固定杆和多个连接杆，每个所述连接杆的中部为可伸缩部位；多个所述位置固定杆间隔预埋在每一级边坡及平台边缘，相邻两个所述位置固定杆的顶部之间通过连接杆连接。
进一步地，所述变形监测系统还包括多个位移计和多个倾角测量计；每个连接杆中部的可伸缩部位设置有1个位移计，每个位置固定杆的顶部设置有1个用于测量其两侧连接杆之间倾角的倾角测量计。
进一步地，每个所述位移计和每个所述倾角测量计的外部均设置有保护套。
进一步地，所述数据采集传输系统包括数据采集模块，用于采集基准点、位移计和倾角测量计的测量数据；信号发射装置，用于将采集的测量数据发送至数据分析系统；太阳能蓄电池，用于向数据采集传输模块供电。
进一步地，所述数据采集传输系统通过GPRS、GSM、CDMA、3G、4G公共网络中任意一种方式将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统。
本发明还提供了一种采用上述的高边坡表面变形监测预警系统的预警方法，包括如下步骤：
1)在不受边坡施工变形或边坡失稳变形影响的稳定区域，安装基准点系统和数据采集传输系统；
2)逐级开挖路堑边坡，在每一级边坡上安装埋设相应的变形监测系统，安装埋设完成后进行边坡防护施工；
3)将埋设的变形监测系统接入数据采集传输系统，校核初始数据，对边坡变形进行实时监测，将得到实时变形监测数据发送至数据分析系统；
4)数据分析系统对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号。
进一步地，所述测量点的位移量的计算公式如下：
Fn＝((xn'-xn)2+(yn'-yn)2)0.5；(n＝1，2，3……)
其中，Fn为第n个测量点的位移量，(xn,yn)为第n个测量点初始点的坐标，(xn',yn')为第n个测量点的实时坐标。
本发明的有益效果是：
其一，本发明的监测预警系统应用于高边坡坡面变形监测，采用一体化系统可实时监测施工期及运营期的高边坡坡面变形情况，测量精度高，结果准确可靠，大大提高了监测工作的效率和可靠度；当变形较大时能及时发出预警信号，保证了施工期与运营期的线路安全。
其二，本发明采用的一体化系统，能在保证不降低测量点精度的前提下，大量减少了GPS测量点数量，从而节约了大量的设备及维护成本。
其三，本发明不仅提高了高边坡施工期及运营期坡面变形位移监测的频率和精确度，还可大量减少高边坡监测人工工作量及设备安装维护费用，达到技术合理、费用经济的目的，具有广阔的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的高边坡表面变形监测预警系统的结构示意图；
图2为本发明的高边坡表面变形监测预警系统的控制电路示意图；
图中：1-基准点系统；1.1-基准点；2-变形监测系统；2.1-固定杆；2.2-连接杆；2.3-位移计；2.4-倾角测量计；2.5-保护套；3-数据采集传输系统；3.1-数据采集模块；3.2-信号发射装置；3.3-太阳能蓄电池；4-数据分析系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明包括基准点系统1、变形监测系统2、数据采集传输系统3、数据分析系统4，基准点系统1用于作为高边坡表面变形的参照系统；变形监测系统2用于监测各个测量点的高边坡表面变形的情况，采集实时变形监测数据，并将实时变形监测数据发送至数据采集传输系统；数据采集传输系统3用于将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统；数据分析系统4，用于接收、处理实时变形监测数据，对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号。
基准点系统1包括基准点1.1，基准点1.1设置在不受边坡施工变形或边坡失稳变形影响的稳定区域，稳定区域位于挖方边坡坡顶10m以外或者填方边坡坡脚10m之外。
变形监测系统2包括多个位置固定杆2.1和多个连接杆2.2，每个连接杆2.2的中部为可伸缩部位；多个位置固定杆2.1间隔预埋在每一级边坡及平台边缘，相邻两个位置固定杆2.1的顶部之间通过连接杆2.2连接。变形监测系统2还包括多个位移计2.3和多个倾角测量计2.4；每个连接杆2.2中部的可伸缩部位设置有1个位移计2.3，每个位置固定杆2.1的顶部设置有1个用于测量其两侧连接杆2.2之间倾角的倾角测量计2.4。每个位移计2.3和每个倾角测量计2.4的外部均设置有保护套2.5。
数据采集传输系统3包括数据采集模块3.1，用于采集基准点、位移计和倾角测量计的测量数据；信号发射装置3.2，用于将采集的测量数据发送至数据分析系统；太阳能蓄电池3.3，用于向数据采集传输模块供电。数据采集传输系统3通过GPRS、GSM、CDMA、3G、4G公共网络中任意一种方式将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统。
本发明采用上述的高边坡表面变形监测预警系统的预警方法，包括如下步骤：
1)在不受边坡施工变形或边坡失稳变形影响的稳定区域，安装基准点系统1和数据采集传输系统3；
2)逐级开挖路堑边坡，在每一级边坡上安装埋设相应的变形监测系统2，根据路堑边坡开挖的施工进度在边坡岩土体表层逐级埋设相关元器件，包括位移计、倾角测量计、连接杆、保护套、位置固定杆，首先在边坡及平台边缘埋设位置固定杆，可根据实际边坡高度和平台宽度对位置固定杆进行适当加密，位置固定杆采用混凝土浇筑，保证固定杆与边坡观测量点的相对固定，然后在相邻的位置固定杆直接采用连接杆连接，连接杆中部为可伸缩部分，在伸缩处安装位移计，在每个位置固定杆处安装倾角测量计，测量其两侧的连接杆之间的倾角，最后对位移计及倾角测力计安装保护套，安装埋设完成后进行边坡防护施工；
3)将埋设的变形监测系统2接入数据采集传输系统3，校核初始数据，对边坡变形进行实时监测，将得到实时变形监测数据发送至数据分析系统4，若边坡较高，可根据实际情况每隔3～4级边坡在边坡平台上增设一处数据采集模块和太阳能蓄电池；
4)数据分析系统4对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号。
测量点的位移量的计算公式如下：
Fn＝((xn'-xn)2+(yn'-yn)2)0.5；(n＝1，2，3……)
其中，Fn为第n个测量点的位移量，(xn,yn)为第n个测量点初始点的坐标，(xn',yn')为第n个测量点的实时坐标。
首先建立直角坐标系，每安装一处测量点，需对改点的初始值进行记录，设基准点的坐标(x0，y0)为A0，采用GPS测得，其余各点依次为A1、A2……An；相邻测量点之间的长度可通过位移计测得，依次记为L1、L2……Ln；相邻两连接杆之间夹角可通过倾角测量计测得，依次记为a1、a2……an；各个测量点的连接杆与水平线的初始夹角，依次计为a11、a22……ann；则除A0点坐标外，其余各点的计算公式如下：
A1(x1，y1)＝(x0+L1，y0)；a11＝180-a1；
A2(x2，y2)＝(x1+L2*cosa11，y1+L2*sina11)；a22＝90-(a1+a2-270)
＝180-a2+a11；
A3(x3，y3)＝(x2+L3*cosa22,y2+L3*sina22)；a33＝90-(a1+a2+a3-450)
＝180-a3+a22；
A4(x4，y4)＝(x3+L4*cosa33,y3+L4*sina33)；a44＝180-a4+a33；
An(xn，xn)＝(xn-1+Ln*cosan-1n-1，yn-1+Ln*sinan-1n-1)；ann＝180-an+an-1n-1；
(n＝1，2，3……)。
监测期间通过计算A1’、A2’……An’各点的坐标值，并与相应的初始值进行对比，从而计算出各点的位置值，并与安全预警值进行对比。各点间的距离记为dL1、dL2……dLn；两连接杆之间的夹角记为a1’、a2’……an’；各个测量点的连接杆与水平线在监测期间的初始夹角，依次计为a11’、a22’……ann’，各点的计算公式为：
A1’(x1',y1')＝(x0+L1,y0)；a11’＝180-a1’；
A2’(x2',y2')＝(x1'+(L2+dL2)*cosa11',y1'+(L2+dL2)*sina11')；
a22’＝90-(a1'+a2'-270)＝180-a2'+a11'；
A3’(x3',y3')＝(x2'+(L3+dL3)*cosa22',y2'+(L3+dL3)*sina22')；
a33’＝90-(a1'+a2'+a3'-450)＝180-a3'+a22'；
A4’(x4',y4')＝(x3'+(L4+dL4)*cosa33',y3'+(L4+dL4)*sina33')；
a44'＝180-a4'+a33'；
An’(xn',yn')＝(xn-1'+(Ln+dLn)*cosan-1n-1',yn-1'+(Ln+dLn)*sinan-1n-1')；
ann'＝180-an'+an-1n-1'；
则每个测量点的位移量为：Fn＝((xn'-xn)2+(yn'-yn)2)0.5；(n＝1，2，3……)。
数据分析系统对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值Fn≥50mm时，发出预警信号。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高边坡表面变形监测预警系统，其特征在于：包括
基准点系统(1)，用于作为高边坡表面变形的参照系统；
变形监测系统(2)，用于监测各个测量点的高边坡表面变形的情况，采集实时变形监测数据，并将实时变形监测数据发送至数据采集传输系统；
数据采集传输系统(3)，用于将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统；
数据分析系统(4)，用于接收、处理实时变形监测数据，对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号；
所述基准点系统(1)包括基准点(1.1)，所述基准点(1.1)设置在不受边坡施工变形或边坡失稳变形影响的稳定区域，所述稳定区域位于挖方边坡坡顶10m以外或者填方边坡坡脚10m之外；
所述变形监测系统(2)包括多个位置固定杆(2.1)和多个连接杆(2.2)，每个所述连接杆(2.2)的中部为可伸缩部位；多个所述位置固定杆(2.1)间隔预埋在每一级边坡及平台边缘，相邻两个所述位置固定杆(2.1)的顶部之间通过连接杆(2.2)连接；所述位置固定杆(2.1)采用混凝土浇筑；
所述变形监测系统(2)还包括多个位移计(2.3)和多个倾角测量计(2.4)；每个连接杆(2.2)中部的可伸缩部位设置有1个位移计(2.3)，每个位置固定杆(2.1)的顶部设置有1个用于测量其两侧连接杆(2.2)之间倾角的倾角测量计(2.4)。
2.根据权利要求1所述的高边坡表面变形监测预警系统，其特征在于：每个所述位移计(2.3)和每个所述倾角测量计(2.4)的外部均设置有保护套(2.5)。
3.根据权利要求2所述的高边坡表面变形监测预警系统，其特征在于：所述数据采集传输系统(3)包括数据采集模块(3.1)，用于采集基准点、位移计和倾角测量计的测量数据；信号发射装置(3.2)，用于将采集的测量数据发送至数据分析系统；太阳能蓄电池(3.3)，用于向数据采集传输模块供电。
4.根据权利要求1所述的高边坡表面变形监测预警系统，其特征在于：所述数据采集传输系统(3)通过GPRS、GSM、CDMA、3G、4G公共网络中任意一种方式将接收到的实时变形监测数据发送至数据分析系统。
5.一种采用权利要求1～4任一项所述的高边坡表面变形监测预警系统的预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在不受边坡施工变形或边坡失稳变形影响的稳定区域，安装基准点系统(1)和数据采集传输系统(3)；
2)逐级开挖路堑边坡，在每一级边坡上安装埋设相应的变形监测系统(2)，安装埋设完成后进行边坡防护施工；
3)将埋设的变形监测系统(2)接入数据采集传输系统(3)，校核初始数据，对边坡变形进行实时监测，将得到实时变形监测数据发送至数据分析系统(4)；
4)数据分析系统(4)对高边坡表面变形情况进行分析处理得到测量点的位移量，当位移量超过设定阈值时，发出预警信号。
6.根据权利要求5所述的高边坡表面变形监测预警系统的预警方法，其特征在于：所述测量点的位移量的计算公式如下：
Fn＝((xn'-xn)2+(yn'-yn)2)0.5；(n＝1，2，3……)
其中，Fn为第n个测量点的位移量，(xn,yn)为第n个测量点初始点的坐标，(xn',yn')为第n个测量点的实时坐标。
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