CN108842745A - 一种高陡岩质边坡监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高陡岩质边坡监测系统及其监测方法，雷达监测单元包括雷达系统及其控制软件系统，雷达系统安装在导轨系统上；次声波监测单元包括电容式次声传感器、线性模拟放大器、滤波装置和模数转化器，3只电容式次声传感器分别连接到线性模拟放大器，线性模拟放大器通过滤波装置连接到模数转化器；控制软件系统和模数转化器分别连接到预警平台。本发明通过雷达监测高陡岩质边坡的坡面变形，次声波监测高陡岩质边坡的内部岩石破裂，从表面和内部全面精确地、全天候地、非接触式地监测高陡岩质边坡稳定，提高了监测的准确性、高可靠性和预警的及时性，为交通设施的运营安全和生命线保障工程提供了坚实的基础和可靠的方法。

Description

一种高陡岩质边坡监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及高陡岩质边坡稳定性监测技术领域，特别是一种高陡岩质边坡监测系统及其监测方法。

背景技术

边坡工程是岩土工程领域中的一个主要分支，在采矿、水利、交通等领域均涉及边坡稳定性问题。边坡由于自身结构作用及外界因素而诱发滑坡，给人类造成了巨大的生命财产损失，因此边坡稳定性问题一直是人类研究地质灾害的重要研究方向。边坡稳定性问题受到多种因素的共同作用，如地形地貌、地质构造、地下水、气象水文、地震及人类活动等，边坡稳定性通常表现出动态的、非确定性的基本特征，这些为边坡稳定性研究增加了极大的难度。随着我国西部大开发战略的实施，西部地区气候环境恶劣、地质条件复杂，各项建设工程中出现了越来越多的高陡岩质边坡，对于发生崩塌、落石、滑坡等都将严重威胁建设工程的运营安全和人员生命安全。高陡岩质边坡的整治难度大、工程造价高，人员难以攀爬和埋置传感器，且深部位移监测难以突破实现全天候、智能化的瓶颈，高陡岩质边坡的整治和预测问题仍然是一个十分严峻的课题。

对于这种不易整治、无法采用埋置传感器等接触式监测方法的危险型高陡岩质边坡，采用远程非接触式的监测方法已成为科学管理边坡的发展趋势。为了及时发现高陡岩质边坡失稳引发的灾害，深入开展高陡岩质边坡稳定性的监测预警研究，对高陡岩质边坡诱发的地质灾害及时预警，提前做好应对措施，能够保证交通设施的运营安全和极大程度的减少人员的生命经济损失，具有重要的应用价值和社会意义。

目前，边坡变形监测方法主要有：大地测量法、近景拍摄法、GPS法、激光法等。上述监测方法均存在一定的局限性，如大地测量法需要在被测物体表面布置测量点，通过对测量点的监测实现对被测物体的变形监测。近景拍摄法需要在近距离拍摄目标物体，将获取的影像经过处理分析得到变形信息。因此大地测量法和近景拍摄法难以在高陡岩质边坡变形监测中实施，且这些方法无法全面快速地得到待测坡面的变形情况，并对高陡岩质边坡存在的安全隐患及时作出预警。GPS法的精度易受监测地区地形条件的影响，在高边坡内GPS接受信号较差。激光的测距和监测范围较小，雨雪天气对监测精度影响较大，难以实现全天候的监测。

由此可见，高陡岩质边坡稳定性监测方法都是单一地监测边坡表面或边坡内部，而且难以在高陡岩质边坡表面布置测量点和内部埋置传感器，目前没有采用非接触式的监测方法从高陡岩质边坡表面和内部同时判断边坡稳定性。高陡岩质边坡失稳是先从内部岩石破裂开始，再逐渐反映到坡面变形。因此，提前诊知高陡岩质边坡内部的岩石变形破坏，初步判断灾害的潜在位置，从而缩小监测区域，更加全面准确地监测高陡岩质边坡的稳定性，及早作出预警，对减少生命财产损失赢得了宝贵的时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种高陡岩质边坡监测系统及其监测方法，主要应用于高陡岩质边坡稳定性监测，通过雷达监测高陡岩质边坡的坡面变形，次声波监测高陡岩质边坡的内部岩石破裂，从表面和内部全面精确地、全天候地、非接触式地监测高陡岩质边坡稳定，提高了监测的准确性、高可靠性和预警的及时性，为交通设施的运营安全和生命线保障工程提供了坚实的基础和可靠的方法。雷达能够对高陡岩质边坡实现远距离、全覆盖、全天候、高精度的坡面变形监测，具有一定的地表穿透性，在所有天气条件下均能正常工作。次声波不易衰减、不易被水和空气吸收，传播距离远，研究表明岩石在破裂过程中存在明显发射次声波现象，因此次声波可以远距离、全天候的监测高陡岩质边坡内部岩石破裂时发射的次声波信号。通过雷达和次声波相结合的监测方法，对高陡岩质边坡的坡面变形和内部岩石断裂破坏进行全面有效地监测，提高监测结果的准确性和可靠性，节省了预警时间，并有效地减少了盲报和误报，使之克服现有技术的以上缺点。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种高陡岩质边坡监测系统，包括雷达监测单元、次声波监测单元和预警平台；所述雷达监测单元包括雷达系统及其控制软件系统，还包括导轨系统，雷达系统安装在导轨系统上；所述次声波监测单元包括电容式次声传感器、线性模拟放大器、滤波装置和模数转化器，3只电容式次声传感器分别连接到线性模拟放大器，线性模拟放大器通过滤波装置连接到模数转化器；控制软件系统和模数转化器分别连接到预警平台。

进一步地，所述雷达监测单元为合成孔径雷达。

进一步地，所述监测系统安装在监测车上。

一种高陡岩质边坡监测方法，包括

S1：将高陡岩质边坡监测系统移动到指定监测位置，保持雷达监测单元、次声波监测单元和预警平台处于工作状态；调试雷达的俯仰角度，以保证能够正常扫描整个待测边坡区域；根据高陡岩质边坡的岩石类型，调试滤波装置，保证监测的次声波信号为岩石破裂时所发射；

S2：雷达系统通过在导轨系统上来回移动及调节自身的俯仰角度的过程中发射电磁波，基于差分干涉对待测边坡区域表面进行全覆盖、全天候、高精度的监测；并将在导轨系统不同位置上接收的电磁波信号传输到控制软件系统进行处理，转化成数字信号传输到预警平台；预警平台上绘制边坡图像，对整个待测坡面进行编码，生成区域编码ID；根据雷达相邻两次监测同一区域接收电磁波的相位差，得到该区域的变形和变形速率；

S3：次声波监测单元对高陡岩质边坡内部的次声波信号进行远距离、全天候、全天时的监测和处理，电容式次声传感器将监测的次声波转化成电压信号，电压信号通过线性模拟放大器放大后，再经过滤波装置采用小波阈值去噪方法筛除噪音，之后传输到模数转化器转化为数字信号，数字信号传输到预警平台分析判断高陡岩质边坡内部是否发生岩石破裂；

S4：当次声波监测单元监测到高陡岩质边坡内部岩石破裂的次声波信号，在预警平台通过三站测时差立体定位初步判断岩石破裂点的空间位置；由预警平台向雷达监测单元发出控制命令调整雷达监测角度，根据区域编码ID锁定相应的区域，对待测坡面进行局部精细的变形监测；

S5：预警平台根据雷达监测单元和次声波监测单元的监测数据进行分析，对待测高陡岩质边坡的稳定性进行判断；当次声波监测单元监测到持续的次声波信号和雷达监测单元监测坡面变形值大于预警值，预警平台根据岩石破裂的位置和坡面变形的范围，预报潜在灾害等级，输出预警信号。

本发明的有益效果在于：有效的解决了高陡岩质边坡难以采用接触式监测方法，现有监测方法角度单一、不能客观全面地反映边坡的实际情况，且难以突破全天候监测的瓶颈。监测车的监测位置选取灵活，便于移动，无需建立复杂的监测站，能够快速、远距离地对高陡岩质边坡稳定性进行长期监测。由于远距离监测，即便高陡岩质边坡失稳而发生地质灾害也不会对监测车的安全产生影响。监测车为雷达监测单元和次声波监测单元提供了较好的工作环境，避免长期露天工作，增强了防风抗雨能力。雷达和次声波均是一种非接触式的远距离监测方法，雷达监测范围大、监测周期短，同时可达到亚毫米级的监测精度，能够在任何天气环境下进行全天候的坡面变形监测。次声波不易衰减和被空气、水吸收，能够远距离传播。高陡岩质边坡内部岩石破裂是发生崩塌、滑坡等地质灾害的内因和前兆，必然先是内部岩石破裂，再逐渐反映到坡面变形，进而发生地质灾害。监测次声波信号能够初步判断高陡岩质边坡失稳的位置，作出早期预警。结合雷达和次声波同时对高陡岩质边坡表面和内部同时进行监测，为提前诊知边坡失稳节省了宝贵的时间，及时采取防灾减灾措施，对挽回生命财产安全和保障生命线工程具有重要意义。

附图说明

图1为一种高陡岩质边坡监测系统及其监测方法的示意图；

图2为次声波监测结构示意图；

图3为监测系统各部分结构示意图；

图4为监测方法的流程图。

附图标记说明：

1—雷达系统；2—导轨系统；3—电磁波；4—控制软件系统；5—雷达监测单元；6—电容式次声传感器；7—次声波；8—线性模拟放大器；9—滤波装置； 10—模数转化器；11—次声波监测单元；12—供能单元；13—预警平台；14—监测车；15—交通设施；16—待测坡面；17—预警指示灯；18—太阳能蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

一种高陡岩质边坡监测系统，包括雷达监测单元、次声波监测单元、供能单元、预警平台和预警指示灯。雷达监测单元、次声波监测单元、供能单元和预警平台组成可移动式的监测车，雷达监测单元和次声波监测单元分别与预警平台连接，供能单元为雷达监测单元、次声波监测单元、预警平台及整个装置提供电能。雷达监测单元通过发射/接收电磁波对高陡岩质边坡表面进行全覆盖、全天候、高精度的变形监测，次声波监测单元远距离、全天候监测高陡岩质边坡内部的岩石破裂过程所发射的次声波信号。雷达监测单元和次声波监测单元将监测数据转化为数字信号后分别传输到预警平台，预警平台进行整合分析，将分析结果迅速无线反馈到预警指示灯，若作出危险预警还须发布到互联网上，等待专家解决。

雷达监测单元为合成孔径雷达，主要包括雷达系统、导轨系统、控制软件系统。雷达系统安装在导轨系统上，导轨长约2.5m，导轨固定在监测车上。雷达通过在导轨上来回移动及调节自身的俯仰角度，可以对整个待测坡面进行扫描。控制软件系统主要有两大功能：一是对采集数据进行处理，转化为数字信号；二是对雷达进行控制，调节雷达的俯仰角度和在导轨上的位置，以便对待测边坡局部进行监测。供能单元为雷达监测单元提供电能，控制软件系统与预警平台相连接，控制软件系统处理后的数字信号传输到预警平台，预警平台经过分析发出控制命令反馈到控制软件系统对雷达进行调节。

次声波监测单元包括3只电容式次声传感器、线性模拟放大器、滤波装置、模数转化器，通过电缆依次将电容式次声传感器、线性模拟放大器、滤波装置、模数转化器串联在一起。

供能单元对雷达监测单元、次声波监测单元和预警平台等监测车内用电装置供电，包括交流电充电、太阳能充电两种充电方式，保证监测车保持全天时工作。

一种高陡岩质边坡监测方法，包括以下步骤：

S1：将监测车移动到指定监测位置，在监测区域内交通设施旁布置预警指示灯。打开监测车侧面，保持车上雷达监测单元、次声波监测单元、供能单元和预警平台处于工作状态，调试雷达的俯仰角度，以保证能够正常扫描整个待测边坡区域。根据高陡岩质边坡的岩石类型，调试滤波装置，保证监测的次声波信号为岩石破裂时所发射。

S2：雷达系统通过在导轨系统上来回移动及调节自身的俯仰角度的过程中发射电磁波，基于差分干涉技术对待测边坡区域表面进行全覆盖、全天候、高精度的监测。并将在导轨系统不同位置上接收的电磁波信号传输到控制软件系统进行处理，转化成数字信号传输到预警平台，预警平台上绘制边坡图像，对整个待测坡面进行编码，生成区域ID。根据雷达相邻两次监测同一区域接收电磁波的相位差，进而得到了该区域的变形和变形速率。

S3：次声波监测单元对高陡岩质边坡内部的次声波信号进行远距离、全天候、全天时的监测和处理，电容式次声传感器将监测的次声波这种物理信号转化成电压信号，电压信号通过线性模拟放大器经过放大后，再经过滤波装置采用小波阈值去噪方法筛除噪音，滤波后传输到模数转化器转化为数字信号，该数字信号传输到预警平台经过分析判断高陡岩质边坡内部是否发生岩石破裂。

S4：当次声波监测单元监测到高陡岩质边坡内部岩石破裂的次声波信号，在预警平台通过三站测时差立体定位初步判断岩石破裂点的空间位置。由预警平台向雷达监测单元发出控制命令迅速调整雷达监测角度，根据编码ID锁定相应的区域，对待测坡面进行局部精细的变形监测。

S5：预警平台根据雷达监测单元和次声波监测单元的监测数据进行分析，对待测高陡岩质边坡的稳定性进行判断。一旦次声波监测单元监测到持续的次声波信号和雷达监测单元监测坡面变形值大于预警值，预警平台根据岩石破裂的位置和坡面变形的范围，预报潜在灾害等级，立即将分析结果反馈到预警指示灯和互联网。

本发明的工作过程如下：将监测车14移动到指定监测位置，打开监测车14 的侧面，保持车内各监测设备处于工作状态，在监测区域内交通设施15旁布置预警指示灯17。雷达系统1在导轨系统2上来回移动及调节俯仰角度，以便雷达系统1发射的电磁波3能够对整个待测坡面16进行全覆盖变形扫描。雷达系统1接收的电磁波信息3传输到控制软件系统4，控制软件系统4将电磁波信号 3转化为数字信号传输到预警平台13进行处理分析，预警平台13根据获得的雷达监测数据绘制边坡图像，并对雷达系统1扫描的高陡岩质边坡待测坡面16划分区域ID。雷达系统1相邻两次监测同一区域的相位差，即可得到该区域的变形和变形速率。

电容式次声传感器6监测到高陡岩质边坡内部岩石破裂点S0(x₀,y₀,z₀,t₀)在t₀时刻发出的次声波信号7，被3只电容式次声传感器C1、C2、C3分别在t₁、t₂、 t₃时刻先后监测到，并将次声波信号转化为电压信号，通过线性模拟放大器8对电压信号进行放大，再通过滤波装置9筛除杂质波，经过模数转化器10将电压信号转化为数字信号，传输到预警平台13进行分析，结果为岩石破裂所发射的次声波信号。已知3只电容式次声传感器之间的相互距离l₁₂、l₂₃、l₁₃，通过三站测时差立体定位方法估测破裂点S0的空间位置(x₀,y₀,z₀)，根据绘制的边坡图像和生成的区域ID，进而锁定破裂点S0在待测坡面16上投影点的附近区域，预警平台13向雷达监测单元5的控制软件系统4发出控制命令，使雷达系统1调节在导轨系统2上的位置和俯仰角度，对这些区域进行重点精细的监测。若电容式次声传感器6持续监测到次声波信号，雷达系统1监测的变形大于预警值，则由预警平台13立即向预警指示灯17和互联网发出预警信号，警告交通设施15上的人员、车辆等及时疏散，等待专家解决，及时解除警报，保障生命线工程畅通。若是次声波信号7中止，雷达系统1监测的变形未达到预警值，则雷达监测单元5、次声波监测单元11继续保持原有的监测状态。

雷达监测单元5、次声波监测单元11和预警平台13通过供能单元12提供电能，供能单元可保证24小时不断电，实现全天时监测。预警指示灯17位于交通设施15上，并由太阳能蓄电池18提供电能。

监测车可以达到以下主要技术指标：

a)雷达监测单元

(1)最大监测距离：5km；

(2)监测精度：0.1mm；

(3)监测周期：<10min。

b)次声波监测单元

(1)可测量频率范围：0.0001～100Hz；

(2)3dB带宽：0.015～40Hz；

(3)灵敏度：336mV/Pa@1Hz。

Claims (4)

1.一种高陡岩质边坡监测系统，其特征在于，包括雷达监测单元、次声波监测单元和预警平台；所述雷达监测单元包括雷达系统及其控制软件系统，还包括导轨系统，雷达系统安装在导轨系统上；所述次声波监测单元包括电容式次声传感器、线性模拟放大器、滤波装置和模数转化器，3只电容式次声传感器分别连接到线性模拟放大器，线性模拟放大器通过滤波装置连接到模数转化器；控制软件系统和模数转化器分别连接到预警平台。

2.如权利要求1所述的一种高陡岩质边坡监测系统，其特征在于，所述雷达监测单元为合成孔径雷达。

3.如权利要求1或2所述的一种高陡岩质边坡监测系统，其特征在于，所述监测系统安装在监测车上。

4.一种高陡岩质边坡监测方法，其特征在于，包括

S1：将高陡岩质边坡监测系统移动到指定监测位置，保持雷达监测单元、次声波监测单元和预警平台处于工作状态；调试雷达的俯仰角度，以保证能够正常扫描整个待测边坡区域；根据高陡岩质边坡的岩石类型，调试滤波装置，保证监测的次声波信号为岩石破裂时所发射；

S2：雷达系统通过在导轨系统上来回移动及调节自身的俯仰角度的过程中发射电磁波，基于差分干涉对待测边坡区域表面进行全覆盖、全天候、高精度的监测；并将在导轨系统不同位置上接收的电磁波信号传输到控制软件系统进行处理，转化成数字信号传输到预警平台；预警平台上绘制边坡图像，对整个待测坡面进行编码，生成区域编码ID；根据雷达相邻两次监测同一区域接收电磁波的相位差，得到该区域的变形和变形速率；

S3：次声波监测单元对高陡岩质边坡内部的次声波信号进行远距离、全天候、全天时的监测和处理，电容式次声传感器将监测的次声波转化成电压信号，电压信号通过线性模拟放大器放大后，再经过滤波装置采用小波阈值去噪方法筛除噪音，之后传输到模数转化器转化为数字信号，数字信号传输到预警平台分析判断高陡岩质边坡内部是否发生岩石破裂；

S4：当次声波监测单元监测到高陡岩质边坡内部岩石破裂的次声波信号，在预警平台通过三站测时差立体定位初步判断岩石破裂点的空间位置；由预警平台向雷达监测单元发出控制命令调整雷达监测角度，根据区域编码ID锁定相应的区域，对待测坡面进行局部精细的变形监测；

S5：预警平台根据雷达监测单元和次声波监测单元的监测数据进行分析，对待测高陡岩质边坡的稳定性进行判断；当次声波监测单元监测到持续的次声波信号和雷达监测单元监测坡面变形值大于预警值，预警平台根据岩石破裂的位置和坡面变形的范围，预报潜在灾害等级，输出预警信号。