CN109029278A - 格栅防护边坡表面应力应变的监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种格栅防护边坡表面应力应变的监测装置及监测方法，其中监测装置包括网格线、CCD监测盒子、电源装置、信号调理与中转装置、无线传输装置和数据处理及显示装置；所述网格线预设在格栅表面，所述CCD监测盒子固定在所述格栅上，并位于所述网格线正上方，所述电源装置为所述信号调理与中转装置提供电源；所述CCD监测盒子获取所述网格线的实时图像信号，并发送给信号调理与中转装置，所述信号调理与中转装置对所述图像信号进行消噪、放大、信号标准化处理后，通过无线传输装置发送给数据处理及显示装置进行储存，同时所述数据处理及显示装置对比不同时刻的所述网格线的图像信号，得到所述格栅的变形量并评估边坡稳定性。

Description

格栅防护边坡表面应力应变的监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及边坡工程变形监测技术领域，特别涉及一种格栅防护边坡表面 应力应变的监测装置及监测方法。

背景技术

边坡失稳作为一种地质灾害，在各类工程建设中屡见不鲜，边坡失稳灾害 严重影响着工程设施设计、建设和运营，威胁人民的生命财产安全。边坡工程 稳定性作为岩土工程研究的重要方向之一，边坡不稳定将会影响到工程建设的 可行性、安全性和经济性。为了保证工程建设与运营的安全，对边坡进行长期、 有效、准确的监测，提前预知边坡的状态，为决策评估提供依据，降低边坡失 稳危害，是边坡工程急需解决的问题。

现有的边坡监测手段分为边坡表面变形监测手段、边坡内部变形监测手段 以及地声监测手段等，其中边坡表面变形监测手段较常见，主要对边坡表面不 稳定区域内不同的点进行位置观测，通过不同时间点上位移变化数据可以直观 了解边坡表面的变形发展，判断边坡安全稳定性。坡表面变形监测手段主要有 人工测缝法、近景摄影法以及大地测量法等。

人工测缝法具有投入快、精度高、测程可调以及方法简易直观等优点，但 现场人工测量工作环境恶劣，工作人员安全保障低、工作量大，测量可视程度 要求高且存在较大的人为误差，在恶劣天气时监测难度大等。

近景摄影法(路摄经纬仪)具有监测信息量大、省人力、投入快、安全等 优点，但对设备技术要求较高且精度较低，受气候影响较大，且设备实际应用 时存在量程有限及精度不足等问题。

大地测量法投入快、监测范围大、直观、安全等优点，但存在受地形视通 和气候影响、定位精度不高以及工作量大等不足，也很难长时间连续的对边坡 进行监测。

如今实际边坡工程的支护措施主要包括修建钢筋混凝土支护结构(如修筑 抗滑桩、重力式挡墙、锚杆支护、修筑混凝土格栅等)，用以提高滑坡体的抗滑 力。其中大部分边坡坡面主要以格栅支护为主，格栅支护不仅能保护边坡而且 格栅对后期坡面绿化还原也很有利，符合目前工程建设中对环境保护的要求。

在边坡监测系统技术实际工程应用中，至今仍然没有很好解决的方法。针 对目前边坡表面变形监测方法存在的缺点，结合边坡支护结构对边坡表面变形 进行监测是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种格栅防护 边坡表面应力应变的监测装置及监测方法，直接对边坡格栅支护结构进行监测。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，包括网格线、CCD监测盒子、 电源装置、信号调理与中转装置、无线传输装置和数据处理及显示装置；

所述网格线预设在格栅表面(可通过图像刻画等方式)，所述CCD监测盒子 固定在所述格栅上，并位于所述网格线正上方，所述电源装置为所述信号调理 与中转装置提供电源；

所述CCD监测盒子获取所述网格线的实时图像信号，并发送给信号调理与 中转装置，所述信号调理与中转装置对所述图像信号进行消噪、放大、信号标 准化处理后，通过无线传输装置发送给数据处理及显示装置进行储存，同时所 述数据处理及显示装置对比不同时刻的所述网格线的图像信号，得到所述格栅 的变形量并评估边坡稳定性。

CCD是一种光电装换器件，具有信号输出噪声低，动态范围大，量子效应以 及电荷转移效率高等优点，对信息表达具有高灵敏度和高准确性。CCD的工作原 理，使得该监测装置具有自动扫略功能，稳定性较高，测量精度高，灵敏度好， 能够实现不间断监测，且整套设备价格低，装卸方便。监测过程中不需要人员 野外现场操作，在节省人力物力的同时也解决了人员的安全问题，同时也解决 了恶劣天气边坡安全隐患大却监测难度大的问题。

整套监测设备无需直接埋进边坡土体，仅仅是安装在格栅防护上，通过对 比不同时刻的网格线的图像信号，从微观角度监测混凝土格栅上微小的变形， 监测精度高，可间接获得边坡土压力数据，而且能够为边坡稳定性及施工可行 性提供判断依据，降低了对边坡结构造成局部破坏的可能性，非常利于再施工。

利用无线传输装置将收集的数据信号进行消噪、放大、信号标准化等处理， 并将调整后的信号传输至数据处理及显示装置，实现了数据实时长距离的安全 传输。

优选的，所述CCD监测盒子包括CCD相机、盒内电源、光源和信号提取及 传输设备，所述光源发射光束至所述网格线处，所述CCD相机接收所述网格线 的反射光束，所述信号提取及传输设备将反射光束的光信号转化为电信号并对 电信号进行传输、储存，所述盒内电源则为所述CCD相机、光源和信号提取及 传输设备提供电能。

优选的，所述CCD监测盒子通过固定支架安装在所述格栅上，且所述固定 支架与所述格栅可拆卸式连接，安装拆卸方便、操作简单。

优选的，所述固定支架与所述格栅的预留接头相适配，避免在后期安装CCD 监测盒子时破坏支护体。当格栅上未设有预留接头时，也可通过膨胀螺栓将固 定支架与所述格栅相连接固定。

优选的，所述固定支架上设有连接导轨，所述连接导轨的两端分别链接有 弹簧垫，所述连接导轨中部设有所述CCD监测盒子。在固定支架上设置弹簧垫， 一方面可以防止混凝土受力变形造成支架破坏或者移动，另一方面也使CCD监 测盒子与混凝土格栅可以协同变形，减少测量误差。

优选的，所述电源装置包括太阳能发电装置，绿色环保且可持续性好，为 实现野外不间断监测提供了基础。

本发明还公开了一种格栅防护边坡表面应力应变的监测方法，包括任一所 述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其监测方法为：

步骤一：在坡面上的格栅的表面预设网格线；

步骤二：将CCD监测盒子安装在所述格栅上，并位于所述网格线的正上方；

步骤三：所述CCD监测盒子获取所述网格线的实时图像信号；

步骤四：所述CCD监测盒子将采集到的所述图像信号发送给信号调理与中 转装置；

步骤五：所述信号调理与中转装置对所述图像信号进行消噪、放大、信号 标准化处理；

步骤六：所述信号调理与中转装置将处理后的所述图像信号通过无线传输 装置发送给数据处理及显示装置；

步骤七：所述数据处理及显示装置对比不同时刻的所述网格线的图像信号， 得到所述格栅的变形量，根据所述格栅的变形量，结合混凝土应力应变关系， 对所述边坡的稳定性进行评估。

该监测方法将CCD技术应用在边坡监测上，监测数据准确性好、灵敏度高、 精度好，数据处理及显示装置结合混凝土应力应变关系、相关边坡稳定性计算 理论或方法对边坡稳定性进行判断，可预测并判断边坡是否稳定。该监测方法 所采用的结构安装拆卸简单，监测步骤少，大大减少了边坡监测难度。

优选的，所述步骤五中，所述信号调理与中转装置采用窄带滤波器对接收 到的图像信号进行滤波，结合自适应算法进行码间干扰抑制，实现扩频通信的 优化，利于中转到数据处理及显示装置。

优选的，所述步骤七中，通过边坡安全系数K对所述边坡的稳定性进行评 估，其中所述边坡安全系数K的计算过程为：

根据得到的所述格栅的变形量，结合混凝土应力应变关系，得到所述格栅 所受到的弯矩为：

式中，M_q为格栅所受弯矩，h₀为格栅截面有效高度，A_s为纵向钢筋截面面 积，w为格栅变形量，E_s为钢筋弹性模量，ρ_te为有效配筋率，λ为反映裂缝之 间混凝土协助钢筋抗拉系数，c_s为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉底边的距 离，d_eq为受拉区纵向钢筋的等效直径；

接着，根据简化土压力均布分布原则，推算边坡作用在所述格栅的土压力 为：

式中，q为边坡作用在格栅上的土压力，l为格栅单跨长度；

最后，结合边坡稳定性计算理论，利用边坡安全系数K对边坡稳定性进行 判断，其中边坡安全系数K的非线性函数表达式为：

K＝f(G，c，L，θ，ψ，q)

式中，G为边坡自重，c为坡体黏聚力，L为滑动面长度，θ为滑动面倾角， ψ为内摩擦角。

在进行边坡稳定性评估时，也可根据格栅相对变形增量百分比对中短 期的边坡变形量进行预测。参考《岩土工程监测规范》以及《建筑边坡工程技 术规范》，定义格栅的变形增量为Δw＝w_n-w_n-1(式中，w表示格栅变形量，n 表示第n次采集的数值)，则格栅相对变形增量百分比在计算分 析时，可以根据先前监测获得的一段时间内格栅的累积变形总量均值，以及实 时变形增量的百分比，通过实时百分比趋势对中短期时间内边坡变形量进行预 测，设定不同的增量百分比区间将边坡稳定性划分为稳定、次稳定、蠕动、滑 动、失稳5种状态，根据监测预警模式准则，实时判断监测区域边坡稳定性状态。最后根据相关信息进行风险评估及决策，并通过图像的形式直观地对坡面 状态进行展现。

总的来说，稳定性判断有两种方法：一是根据边坡安全系数K对边坡是否 稳定进行判断；二是根据格栅相对变形增量百分比进行边坡稳定性分析。两 种方法相互校验，不仅能防止预警系统误判，也进一步提高了监测的可靠性。

优选的，所述步骤七中，所述数据处理及显示装置对采集到的实时数据进 行归纳，对预期数据按照算法进行预测，形成一个具有提前预测功能的数据库， 从而可判断边坡还有多长时间会发生失稳，对边坡稳定性分析与边坡防护体安 全性提供可靠预测数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)采用CCD技术对边坡格栅变形进行监测，不仅数据准确可靠且具有测 量精度高灵敏度好的特点。(2)利用CCD技术对边坡进行监测，能全天候实时 对边坡进行监测。(3)监测过程中不需要人员野外现场操作，在节省人力物力 的同时也解决了人员的安全问题，同时也解决了恶劣天气边坡安全隐患大却监 测难度大的问题。(4)监测设备无需直接埋进边坡土体，便可间接获得边坡土 压力数据，而且能够为边坡稳定性及施工可行性提供判断依据，利于再施工。 (5)在混凝土格栅上预留钢接头或打膨胀螺栓进行监测设备固定，安装拆卸方 便、操作简单。(6)现场利用太阳能发电装置为信号处理及传输提供电能，绿 色环保且可持续性好。(7)在刚性支架上设置弹簧垫，使CCD监测装置与混凝 土格栅协同变形，减少测量误差。(8)利用无线传输装置将收集的数据信号进 行消噪、放大、信号标准化等处理并将调整后的信号传输至数据处理及显示装 置，实现了数据实时长距离的安全传输。(9)数据处理及显示装置将监测数据 结合混凝土应力应变关系、相关边坡稳定性计算理论或方法对边坡稳定性进行 判断，可预测并判断边坡是否稳定。

附图说明：

图1是本发明所述的一种格栅防护边坡表面应力应变的监测装置的示意图。

图2是图1中虚线区域A的局部放大图。

图3是本发明所述的CCD监测盒子的示意图。

图中标记：1-边坡，11-坡面，2-格栅，21-网格线，22-预留接头，3-CCD 监测盒子，31-CCD相机，32-盒内电源，33-光源，34-信号提取及传输设备，4- 电源装置，5-信号调理与中转装置，6-无线传输装置，7-数据处理及显示装置， 71-数据库，72-评估及决策模块，8-固定支架，81-连接导轨，82-弹簧垫。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将 此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实 现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-图3所示，一种格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，包括网格 线21、CCD监测盒子3、电源装置4、信号调理与中转装置5、无线传输装置6 和数据处理及显示装置7。

所述CCD监测盒子3获取所述网格线21的实时图像信号，并发送给信号调 理与中转装置5，所述信号调理与中转装置5对所述图像信号进行消噪、放大、 信号标准化处理后，通过无线传输装置6发送给数据处理及显示装置7进行储 存，同时所述数据处理及显示装置7对比不同时刻的所述网格线21的图像信号， 得到所述格栅2的变形量并评估边坡稳定性。

所述网格线21预先刻画在格栅2表面，所述电源装置4包括太阳能发电装 置，所述电源装置4为所述信号调理与中转装置5提供电源。

所述CCD监测盒子3包括CCD相机31、盒内电源32、光源33和信号提取 及传输设备34，所述光源33发射光束至所述网格线21处，所述CCD相机31接 收所述网格线21的反射光束，所述信号提取及传输设备34将反射光束的光信 号转化为电信号并对电信号进行传输、储存，所述盒内电源32则为所述CCD相 机31、光源33和信号提取及传输设备34提供电能。

所述CCD监测盒子3通过固定支架8安装在所述格栅2上，并位于所述网 格线21正上方，且所述固定支架8与所述格栅2的预留接头22相适配。所述 固定支架8上设有连接导轨81，所述连接导轨81的两端分别链接有弹簧垫82， 所述连接导轨81中部设有所述CCD监测盒子3。

整套监测设备无需直接埋进边坡1的土体，仅仅是安装在坡面11的格栅2 上，通过对比不同时刻的网格线21的图像信号，便可间接获得边坡1土压力数 据，而且能够为边坡1稳定性及施工可行性提供判断依据，降低了对边坡1结 构造成局部破坏的可能性，非常利于再施工。另一方面，在固定支架9上设置 弹簧垫82，使CCD监测装置与混凝土格栅2协同变形，减少测量误差。

在进行边坡1变形监测时，可在边坡格栅2上安装若干个CCD监测盒子3， 具体的安装个数和间距间隔，可根据所需的测量精度确定。CCD监测盒子3的安 装位置和安装间距的简单变化，并不对本方案的实施起到实质性的决定作用。

实施例2

一种格栅防护边坡表面应力应变的监测方法，其监测方法为：

步骤一：在坡面11上的格栅2的表面预设网格线21；

步骤二：将CCD监测盒子3安装在所述格栅2上，并位于所述网格线21的 正上方；

步骤三：所述CCD监测盒子3获取所述网格线21的实时图像信号；

步骤四：所述CCD监测盒子3将采集到的所述图像信号发送给信号调理与 中转装置5；

步骤五：所述信号调理与中转装置5对所述图像信号进行消噪、放大、信 号标准化处理，具体的，采用窄带滤波器对接收到的图像信号进行滤波，结合 自适应算法进行码间干扰抑制，实现扩频通信的优化；

步骤六：所述信号调理与中转装置5将处理后的所述图像信号通过无线传 输装置6发送给数据处理及显示装置7；

步骤七：所述数据处理及显示装置7对比不同时刻的所述网格线21的图像 信号，得到所述格栅2的变形量，根据所述格栅2的变形量，结合混凝土应力 应变关系，对所述边坡1的稳定性进行评估；

具体的，所述数据处理及显示装置7的评估及决策模块72，根据得到的所 述格栅2的变形量，结合混凝土应力应变关系，得到所述格栅2所受到的弯矩 为：

式中，M_q为格栅所受弯矩，h₀为格栅截面有效高度，A_s为纵向钢筋截面面 积，w为格栅变形量，E_s为钢筋弹性模量，ρ_te为有效配筋率，λ为反映裂缝之 间混凝土协助钢筋抗拉系数，c_s为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉底边的距 离，d_eq为受拉区纵向钢筋的等效直径；

接着，根据简化土压力均布分布原则，推算边坡1作用在所述格栅2的土 压力为：

式中，q为边坡作用在格栅上的土压力，l为格栅单跨长度；

最后，结合边坡稳定性计算理论，利用边坡安全系数K对边坡稳定性进行 判断，其中边坡安全系数K的非线性函数表达式为：

K＝f(G，c，L，θ，ψ，q)

式中，G为边坡自重，c为坡体黏聚力，L为滑动面长度，θ为滑动面倾角， ψ为内摩擦角。

在进行边坡稳定性评估时，也可根据格栅相对变形增量百分比对中短 期的边坡变形量进行预测。参考《岩土工程监测规范》以及《建筑边坡工程技 术规范》，定义格栅的变形增量为Δw＝w_n-w_n-1(式中，w表示格栅变形量，n 表示第n次采集的数值)，则格栅相对变形增量百分比在计算分 析时，可以根据先前监测获得的一段时间内格栅的累积变形总量均值，以及实 时变形增量的百分比，通过实时百分比趋势对中短期时间内边坡变形量进行预 测，设定不同的增量百分比区间将边坡稳定性划分为稳定、次稳定、蠕动、滑 动、失稳5种状态，根据监测预警模式准则，实时判断监测区域边坡稳定性状态。最后根据相关信息进行风险评估及决策，并通过图像的形式直观地对坡面 状态进行展现。

总的来说，稳定性判断有两种方法：一是根据边坡安全系数K对边坡是否 稳定进行判断；二是根据格栅相对变形增量百分比进行边坡稳定性分析。两 种方法相互校验，不仅能防止预警系统误判，也进一步提高了监测的可靠性。

最后，所述数据处理及显示装置7还对采集到的实时数据进行归纳，对预 期数据按照算法进行预测，形成一个具有提前预测功能的数据库71，从而可判 断边坡还有多长时间会发生失稳，对边坡稳定性分析与边坡防护体安全性提供 可靠预测数据。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管 本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局 限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱 离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。

Claims (10)

1.一种格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其特征在于，包括网格线(21)、CCD监测盒子(3)、电源装置(4)、信号调理与中转装置(5)、无线传输装置(6)和数据处理及显示装置(7)；

所述网格线(21)预设在格栅(2)表面，所述CCD监测盒子(3)固定在所述格栅(2)上，并位于所述网格线(21)正上方，所述电源装置(4)为所述信号调理与中转装置(5)提供电源；

所述CCD监测盒子(3)获取所述网格线(21)的实时图像信号，并发送给信号调理与中转装置(5)，所述信号调理与中转装置(5)对所述图像信号进行消噪、放大、信号标准化处理后，通过无线传输装置(6)发送给数据处理及显示装置(7)进行储存，同时所述数据处理及显示装置(7)对比不同时刻的所述网格线(21)的图像信号，得到所述格栅(2)的变形量并评估边坡稳定性。

2.根据权利要求1所述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其特征在于，所述CCD监测盒子(3)包括CCD相机(31)、盒内电源(32)、光源(33)和信号提取及传输设备(34)，所述光源(33)发射光束至所述网格线(21)处，所述CCD相机(31)接收所述网格线(21)的反射光束，所述信号提取及传输设备(34)将反射光束的光信号转化为电信号并对电信号进行传输、储存，所述盒内电源(32)则为所述CCD相机(31)、光源(33)和信号提取及传输设备(34)提供电能。

3.根据权利要求1所述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其特征在于，所述CCD监测盒子(3)通过固定支架(8)安装在所述格栅(2)上，且所述固定支架(8)与所述格栅(2)可拆卸式连接。

4.根据权利要求3所述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其特征在于，所述固定支架(8)与所述格栅(2)的预留接头(22)相适配。

5.根据权利要求3所述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其特征在于，所述固定支架(8)上设有连接导轨(81)，所述连接导轨(81)的两端分别链接有弹簧垫(82)，所述连接导轨(81)中部设有所述CCD监测盒子(3)。

6.根据权利要求1-5任一所述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其特征在于，所述电源装置(4)包括太阳能发电装置。

7.一种格栅防护边坡表面应力应变的监测方法，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的格栅防护边坡表面应力应变的监测装置，其监测方法为：

步骤一：在坡面(11)上的格栅(2)的表面预设网格线(21)；

步骤二：将CCD监测盒子(3)安装在所述格栅(2)上，并位于所述网格线(21)的正上方；

步骤三：所述CCD监测盒子(3)获取所述网格线(21)的实时图像信号；

步骤四：所述CCD监测盒子(3)将采集到的所述图像信号发送给信号调理与中转装置(5)；

步骤五：所述信号调理与中转装置(5)对所述图像信号进行消噪、放大、信号标准化处理；

步骤六：所述信号调理与中转装置(5)将处理后的所述图像信号通过无线传输装置(6)发送给数据处理及显示装置(7)；

步骤七：所述数据处理及显示装置(7)对比不同时刻的所述网格线(21)的图像信号，得到所述格栅(2)的变形量，根据所述格栅(2)的变形量，结合混凝土应力应变关系，对所述边坡(1)的稳定性进行评估。

8.根据权利要求7所述的一种格栅防护边坡表面应力应变的监测方法，其特征在于，所述步骤五中，所述信号调理与中转装置(5)采用窄带滤波器对接收到的图像信号进行滤波，结合自适应算法进行码间干扰抑制，实现扩频通信的优化。

9.根据权利要求7所述的一种格栅防护边坡表面应力应变的监测方法，其特征在于，所述步骤七中，通过边坡安全系数K对所述边坡(1)的稳定性进行评估，其中所述边坡安全系数K的计算过程为：

根据得到的所述格栅(2)的变形量，结合混凝土应力应变关系，得到所述格栅(2)所受到的弯矩为：

式中，M_q为格栅所受弯矩，h₀为格栅截面有效高度，A_s为纵向钢筋截面面积，w为格栅变形量，E_s为钢筋弹性模量，ρ_te为有效配筋率，λ为反映裂缝之间混凝土协助钢筋抗拉系数，c_s为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉底边的距离，d_eq为受拉区纵向钢筋的等效直径；

接着，根据简化土压力均布分布原则，推算边坡(1)作用在所述格栅(2)的土压力为：

式中，q为边坡作用在格栅上的土压力，l为格栅单跨长度；

最后，结合边坡稳定性计算理论，利用边坡安全系数K对边坡稳定性进行判断，其中边坡安全系数K的非线性函数表达式为：

K＝f(G，c，L，θ，ψ，q)

式中，G为边坡自重，c为坡体黏聚力，L为滑动面长度，θ为滑动面倾角，ψ为内摩擦角。

10.根据权利要求7-9任一所述的一种格栅防护边坡表面应力应变的监测方法，其特征在于，所述步骤七中，所述数据处理及显示装置(7)对采集到的实时数据进行归纳，对预期数据按照算法进行预测，形成一个具有提前预测功能的数据库(71)。