CN109238126A - 边坡大变形监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边坡大变形监测系统及监测方法，在边坡表面选择4个参考点，分别布置测量主基站和测量辅基站。边坡发生失稳滑动及崩塌，甚至形成泥石流时，粘贴式智能石块随之移动，粘贴式智能石块上的智能标签与基站之间的距离会发生改变，则通过测量基站与智能标签之间的信号传输时间，采用超宽带通信理论计算粘贴式智能石块的瞬时三维位置，根据粘贴式智能石块的位移变化评价边坡滑动的大变形发展历程并进行预警。本发明可解决野外环境下边坡大变形监测和预警问题，可监测边坡失稳及失稳后坍塌滑动，可测量边坡失稳坍塌后长距离运动的全过程监测，可为高速公路、铁路等路基边坡预警，具有不需要布线，操作简单、性能稳定等突出优点。

Description

边坡大变形监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及边坡测量技术领域，具体涉及一种边坡大变形监测系统及监测方法。

背景技术

边坡滑动是由局部破坏逐渐扩展贯通形成滑动面的渐进累积发展过程，边坡临近失稳破坏时呈现高度的突变性、随机性和离散性，且失稳滑动后土体和石块坍塌飞落，即边坡破坏时土体和岩体将运动一段距离，会堵塞道路和铁路，掩埋建筑物、农田及河道等，严重影响交通枢纽并危及人民的生命财产安全，因此，边坡的中后期大变形，尤其是边坡失稳滑动、坍塌飞落的大变形监测尤为重要。

目前边坡变形监测方法主要有钻孔测斜仪、滑动测微计、位移计、常规大地测量、合成孔径雷达干涉测量技术、摄影测量方法、电磁波时域反射(Time domainreflectometry，TDR)、光线光栅、GPS等，现有边坡变形监测方法大多需要布置测杆、电缆等，需要精心维护，难以在野外恶劣环境下服役，且监测的量程有限，仅可监测边坡的初期和失稳滑动的中期变形，无法有效监测边坡失稳滑动及其坍塌飞落运动的中后期大变形。因此，研制廉价、布设简单、性能稳定的边坡中后期大变形监测方法及器件势在必行，是解决滑坡预测的主要手段之一，对那些变形较大的特征点或滑动面附近测试点进行初期和中后期的全过程变形连续观测，并进行安全评价及预警，为边坡工程的服役提供安全保障。

综上所述，现有边坡监测方法存在以下缺点：(1)需要布设线缆、测杆等，容易受雨水、滚石等损坏，难以在野外恶劣环境下服役；(2)变形监测的量程有限，仅可监测边坡失稳的早期变形，无法监测边坡失稳坍塌的中后期变形，无法监测边坡中土体和岩石坍塌飞落，导致无法对边坡失稳坍塌运动后堵塞道路掩埋建筑物、农田和河道等进行预警。

发明内容

基于此，有必要针对边坡滑动失稳及坍塌飞落的边坡中后期大变形，监测存在服役环境恶劣、传感器布设困难、现有传感器量程有限等问题，提供一种边坡大变形监测系统及监测方法。

一种边坡大变形监测系统，包括：

测量基站，能够设置于边坡上；及

粘贴式智能石块，能够布置于边坡上，所述粘贴式智能石块与所述测量基站无线通信连接。

在其中一个实施例中，所述粘贴式智能石块为多个，多个所述粘贴式智能石块间隔布置于所述边坡上，所述测量基站包括一个测量主基站和三个测量辅基站，分别布置在四个参考点，所述测量辅基站与所述粘贴式智能石块中的智能标签无线通信连接，所述测量辅基站与所述测量主基站之间进行无线通信连接。

在其中一个实施例中，所述粘贴式智能石块包括智能标签、太阳能电池板和混凝土块，所述智能标签设置于所述混凝土块的孔内，所述太阳能电池板设置于所述混凝土块上，所述太阳能电池板与所述智能标签电连接，所述混凝土块为正方体，所述混凝土块的五个表面均设有所述太阳能电池板，且将所述智能标签的天线显露于外。

在其中一个实施例中，所述智能标签通过环氧树脂粘贴在所述混凝土块的孔内，所述智能标签的天线与所述混凝土块的表面平齐。

在其中一个实施例中，所述智能标签包括超宽带标签和充电电池，所述超宽带标签和所述充电电池设置于所述混凝土块的孔内，所述充电电池与所述太阳能电池板电连接，且所述充电电池与所述超宽带标签电连接。

一种边坡大变形的监测方法，在边坡表面布置多个粘贴式智能石块，在边坡表面选择四个参考点，且该四个参考点不得位于同一个平面内，分别布置一个测量主基站和三个测量辅基站，该监测方法包括以下步骤：

在t₁时刻，粘贴式智能石块上的智能标签向参考点处的测量基站发送一个无线脉冲消息；t₂时刻，对应测量基站收到包含时间t₁的无线脉冲消息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply1)，于t₃时刻向智能标签发送无线脉冲确认消息；智能标签在t₄时刻收到测量基站无线脉冲的确认信息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply2)于t₅时刻发送计算距离的无线脉冲消息；测量基站在t₆时刻收到智能标签的包含时间t₅的无线脉冲消息；其中，t₁、t₄和t₅为智能标签测量的时间，以智能标签的晶振时钟为基准；而t₂、t₃和t₆为测量基站测量的时刻，以测量基站的晶振时钟为基准；

得到智能标签至参考点处的测量基站的单程飞行时间为：

式中，T_round1为粘贴式智能石块上的智能标签向参考点处的测量基站发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply1为测量基站中芯片设定的响应时间，T_round2为参考点处的测量基站向智能标签发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply2为智能标签中芯片设定的响应时间，T_round1＝t₄-t₁，T_reply1＝t₃-t₂，T_reply2＝t₅-t₄，T_round2＝t₆-t₃；

晶振时钟漂移会影响时间测量，假定智能标签和测量基站的晶振时钟漂移分别为e_A和e_B，考虑晶振时钟漂移后，粘贴式智能石块至参考点处测量基站由于延时的实际单程飞行时间和理论飞行时间T的关系为：

考虑晶振时钟漂移，粘贴式智能石块至参考点处测量基站的距离必然存在误差，修正前距离为：

式中，c为光速，取3×10⁸m/s；

考虑晶振动随温度的影响，并考虑环境的干扰，将智能标签至参考点处测量基站的距离进行修正得到真实距离L：

式中，a和b为修正系数，由式(2)和式(3)可知，a小于1；

在布置粘贴式智能石块时，设置四个参考点(x_i，y_i，z_i)，(i＝1，…4)，其中，x_i和y_i位于水平方向，z_i位于铅垂方向；选择其中1个参考点为坐标原点，并根据坐标原点测量各参考点的初始三维位置；

假定粘贴式智能石块的三维坐标为(x,y,z)，在边坡变形过程中，测量粘贴式智能石块至各参考点的距离L_i(i＝1，…4)，则

式(5)为高度非线性的方程组，可通过优化搜索的方式求解(x,y,z)：

O(C)＝min{[(L′₁-L₁)²+(L′₂-L₂)²+(L′₃-L₃)²+(L′₄-L₄)²]/4}^0.5 (6)

式中，L₁，L₂，L₃和L₄为粘贴式智能石块至四个参考点考虑延时修正后的实测距离，L′₁，L′₂，L′₃和L′₄为通过式(5)计算得到粘贴式智能石块至四个参考点的理论距离，且L′₁，L′₂，L′₃和L′₄均含有未知的三维位置(x,y,z)；

测得粘贴式智能石块任意时刻的瞬时三维位置(x,y,z)，并记录此时北京时间t，与布设粘贴式智能石块时的坐标比较，得到粘贴式智能石块的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)及测量的时间间隔Δt，计算粘贴式智能石块运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)；在计算Δt时，将时间的差值换算为秒；

研究粘贴式智能石块运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)和时间t的曲线关系，当该曲线发生突变时，则边坡发生失稳；

通过粘贴式智能石块的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)判断边坡中土体和岩体的运动距离，与边坡坡脚至道路、建筑物、农田和河道的距离S比较，则预警时间t₀为并根据预警时间提前预警。

上述边坡大变形监测系统及监测方法至少具有以下优点：

上述边坡大变形监测系统及监测方法，能够解决野外环境下边坡大变形监测和预警问题，可监测边坡失稳及失稳后的坍塌滑动，可测量边坡失稳坍塌后长距离运动的全过程监测，可为高速公路、铁路等路基边坡预警，不需要布线，且具有操作简单、性能稳定等突出优点。

附图说明

图1为一实施方式中边坡大变形监测系统布置在边坡上的示意图；

图2为图1中粘贴式智能石块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的边坡大变形监测系统10，用于在野外环境下边坡20大变形监测和预警问题。具体地，该边坡大变形监测系统10包括测量基站100和粘贴式智能石块200。

测量基站100能够设置于边坡20上。本实施方式中，测量基站100包括一个测量主基站110和三个测量辅基站120。通过在边坡20表面选择四个参考点，且该四个参考点不得位于同一个平面内，将一个测量主基站110和三个测量辅基站120分别布置在四个参考点处。由于该四个参考点不得位于同一个平面内，图1为铅垂面的剖面图，图1中仅显示了三个参考点处的一个测量主基站110和两个测量辅基站120，另外一个测量辅基站120不在该铅垂面内。

粘贴式智能石块200能够布置于边坡20上，粘贴式智能石块200与测量基站100无线通信连接。本实施方式中，粘贴式智能石块200的数量为多个，多个粘贴式智能石块200间隔布置于边坡20上。测量辅基站120与粘贴式智能石块200无线通信连接，测量辅基站120可直接与测量主基站110之间进行无线通信连接。测量主基站110通过无线方式与计算机30连接。

请一并参阅图2，粘贴式智能石块200包括混凝土块210、太阳能电池板220和智能标签230。其中，混凝土块210为轻质混凝土块，混凝土块210为正方体，尺寸为200mm×200mm×200mm。在混凝土块210上钻孔，智能标签230可设置于混凝土块210的孔内。太阳能电池板220设置于混凝土块210上，太阳能电池板220与智能标签230电连接。太阳能电池板220不得覆盖智能标签230的天线，以使智能标签230的天线能够显露于外。

具体地，智能标签230通过环氧树脂粘贴在混凝土块210的孔内，智能标签230的天线部分朝上，且顶端与混凝土块210的表面平齐。智能标签230包括超宽带标签232和充电电池234，超宽带标签232和充电电池234均设置于混凝土块210的孔内。充电电池234与超宽带标签232电连接，实现超宽带标签232的供电。充电电池234为超小型可充电电池234，方便安装到混凝土块210的孔内。充电电池234与太阳能电池板220电连接，实现充电电池234的持续供电，达到超宽带标签232的全天候工作。混凝土块210的五个表面均设有太阳能电池板220板，可以保证充电电池234电量的充足。

本发明还提供一种边坡20大变形的监测方法。为实现该监测方法，其采用上述边坡大变形监测系统10。该监测方法具体包括如下步骤：

在边坡20表面布置多个粘贴式智能石块200，在边坡20表面选择4个参考点，且该四个参考点不得位于同一个平面内，分别布置1个测量主基站110和3个测量辅基站120。

在t₁时刻，由粘贴式智能石块200上的智能标签230向参考点处的测量基站100发送一个无线脉冲消息；t₂时刻，对应测量基站100收到包含时间t₁的无线脉冲消息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply1)于t₃时刻向智能标签230发送无线脉冲确认消息；智能标签230在t₄时刻收到测量基站100无线脉冲的确认信息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply2)于t₅时刻发送计算距离的无线脉冲消息；测量基站100在t₆时刻收到智能标签230的包含时间t₅的无线脉冲消息。t₁、t₄和t₅为智能标签230测量的时间，以智能标签230的晶振时钟为基准；而t₂、t₃和t₆为测量基站100测量的时刻，以测量基站100的晶振时钟为基准。

可得到智能标签230至参考点处的测量基站100的单程飞行时间为：

式中，T_round1为粘贴式智能石块200上的智能标签230向参考点处的测量基站100发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply1为测量基站100中芯片设定的响应时间，T_round2为参考点处的测量基站100向智能标签230发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply2为智能标签230中芯片设定的响应时间，T_round1＝t₄-t₁，T_reply1＝t₃-t₂，T_reply2＝t₅-t₄，T_round2＝t₆-t₃。

晶振时钟漂移会影响时间测量，假定智能标签230和测量基站100的晶振时钟漂移分别为e_A和e_B，考虑晶振时钟漂移后，粘贴式智能石块200至参考点处测量基站100由于延时的实际单程飞行时间和理论飞行时间T的关系为：

考虑晶振时钟漂移，粘贴式智能石块200至参考点处测量基站100的距离必然存在误差，修正前距离为：

式中，c为光速，取3×10⁸m/s。

考虑晶振动随温度的影响，并考虑环境的干扰，可将智能标签230至参考点处测量基站100的距离进行修正得到真实距离L：

式中，a和b为修正系数，由式(2)和式(3)可知，a小于1，通过测距试验通过线性拟合得到a和b。在本实施方式中，a＝0.98755，b＝-0.18685。

在布置粘贴式智能石块200时，设置四个参考点(x_i，y_i，z_i)，(i＝1，…4)，其中，x_i和y_i位于水平方向，z_i位于铅垂方向；选择其中1个参考点为坐标原点，并根据坐标原点测量各参考点的初始三维位置。

假定粘贴式智能石块200的三维坐标为(x,y,z)，在边坡20变形过程中，测量粘贴式智能石块200至各参考点的距离L_i(i＝1，…4)，则

式(5)为高度非线性的方程组，可通过优化搜索的方式求解(x,y,z)：

O(C)＝min{[(L′₁-L₁)²+(L′₂-L₂)²+(L′₃-L₃)²+(L′₄-L₄)²]/4}^0.5 (6)

式中，L₁，L₂，L₃和L₄为粘贴式智能石块200至四个参考点考虑延时修正后的实测距离，L′₁，L′₂，L′₃和L′₄为通过式(5)计算得到粘贴式智能石块200至四个参考点的理论距离，且L′₁，L′₂，L′₃和L′₄均含有未知的三维位置(x,y,z)。

测得粘贴式智能石块200任意时刻的瞬时三维位置(x,y,z)，并记录此时北京时间t，与布设粘贴式智能石块200时的坐标比较，得到粘贴式智能石块200的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)及测量的时间间隔Δt，计算粘贴式智能石块200运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)；在计算Δt时，将时间的差值换算为秒。

研究粘贴式智能石块200运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)和时间t的曲线关系，当该曲线发生突变时，则边坡20发生失稳。

通过粘贴式智能石块200的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)判断边坡20中土体和岩体的运动距离，与边坡20坡脚至道路、建筑物、农田和河道的距离S比较，则预警时间t₀为根据预警时间提前预警。可以采取措施疏散人群并暂时封闭交通，防止人员伤亡和交通事故。

上述边坡大变形监测系统10及监测方法，在边坡20表面选择4个参考点，分别布置测量主基站110和测量辅基站120。边坡20发生失稳滑动及崩塌，甚至在降雨情况下形成泥石流时，粘贴式智能石块200随之移动，粘贴式智能石块200上的智能标签230与测量基站100之间的距离会发生改变，则通过测量基站100与智能标签230之间的信号传输时间，采用超宽带通信理论计算粘贴式智能石块200的瞬时三维位置，根据粘贴式智能石块200的位移变化评价边坡20滑动的大变形发展历程并进行预警。本发明可解决野外环境下边坡20大变形监测和预警问题，可监测边坡20失稳及失稳后坍塌滑动，可测量边坡20失稳坍塌后长距离运动的全过程监测，可为高速公路、铁路等路基边坡20预警，不需要布线，且具有操作简单、性能稳定等突出优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种边坡大变形监测系统，其特征在于，包括：

测量基站，能够设置于边坡上；及

粘贴式智能石块，能够布置于边坡上，所述粘贴式智能石块与所述测量基站无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述粘贴式智能石块为多个，多个所述粘贴式智能石块间隔布置于所述边坡上，所述测量基站包括一个测量主基站和三个测量辅基站，分别布置在四个参考点，所述测量辅基站与所述粘贴式智能石块中的智能标签无线通信连接，所述测量辅基站与所述测量主基站之间进行无线通信连接。

3.根据权利要求1所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述粘贴式智能石块包括智能标签、太阳能电池板和混凝土块，所述智能标签设置于所述混凝土块的孔内，所述太阳能电池板设置于所述混凝土块上，所述太阳能电池板与所述智能标签电连接，所述混凝土块为正方体，所述混凝土块的五个表面均设有所述太阳能电池板，且将所述智能标签的天线显露于外。

4.根据权利要求3所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述智能标签通过环氧树脂粘贴在所述混凝土块的孔内，所述智能标签的天线与所述混凝土块的表面平齐。

5.根据权利要求4所述的边坡大变形监测系统，其特征在于，所述智能标签包括超宽带标签和充电电池，所述超宽带标签和所述充电电池设置于所述混凝土块的孔内，所述充电电池与所述太阳能电池板电连接，且所述充电电池与所述超宽带标签电连接。

6.一种边坡大变形的监测方法，其特征在于，在边坡表面布置多个粘贴式智能石块，在边坡表面选择四个参考点，且该四个参考点不得位于同一个平面内，分别布置一个测量主基站和三个测量辅基站，该监测方法包括以下步骤：

在t₁时刻，粘贴式智能石块上的智能标签向参考点处的测量基站发送一个无线脉冲消息；t₂时刻，对应测量基站收到包含时间t₁的无线脉冲消息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply1)，于t₃时刻向智能标签发送无线脉冲确认消息；智能标签在t₄时刻收到测量基站无线脉冲的确认信息，并经过一个事先设定的响应时间(T_reply2)于t₅时刻发送计算距离的无线脉冲消息；测量基站在t₆时刻收到智能标签的包含时间t₅的无线脉冲消息；其中，t₁、t₄和t₅为智能标签测量的时间，以智能标签的晶振时钟为基准；而t₂、t₃和t₆为测量基站测量的时刻，以测量基站的晶振时钟为基准；

得到智能标签至参考点处的测量基站的单程飞行时间为：

式中，T_round1为粘贴式智能石块上的智能标签向参考点处的测量基站发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply1为测量基站中芯片设定的响应时间，T_round2为参考点处的测量基站向智能标签发送一个无线脉冲消息并收到确认消息的时间，T_reply2为智能标签中芯片设定的响应时间，T_round1＝t₄-t₁，T_reply1＝t₃-t₂，T_reply2＝t₅-t₄，T_round2＝t₆-t₃；

晶振时钟漂移会影响时间测量，假定智能标签和测量基站的晶振时钟漂移分别为e_A和e_B，考虑晶振时钟漂移后，粘贴式智能石块至参考点处测量基站由于延时的实际单程飞行时间和理论飞行时间T的关系为：

考虑晶振时钟漂移，粘贴式智能石块至参考点处测量基站的距离必然存在误差，修正前距离为：

式中，c为光速，取3×10⁸m/s；

考虑晶振动随温度的影响，并考虑环境的干扰，将智能标签至参考点处测量基站的距离进行修正得到真实距离L：

式中，a和b为修正系数，由式(2)和式(3)可知，a小于1；

在布置粘贴式智能石块时，设置四个参考点(x_i，y_i，z_i)，(i＝1，…4)，其中，x_i和y_i位于水平方向，z_i位于铅垂方向；选择其中1个参考点为坐标原点，并根据坐标原点测量各参考点的初始三维位置；

假定粘贴式智能石块的三维坐标为(x,y,z)，在边坡变形过程中，测量粘贴式智能石块至各参考点的距离L_i(i＝1，…4)，则

式(5)为高度非线性的方程组，可通过优化搜索的方式求解(x,y,z)：

O(C)＝min{[(L′₁-L₁)²+(L′₂-L₂)²+(L′₃-L₃)²+(L′₄-L₄)²]/4}^0.5 (6)

式中，L₁，L₂，L₃和L₄为粘贴式智能石块至四个参考点考虑延时修正后的实测距离，L′₁，L′₂，L′₃和L′₄为通过式(5)计算得到粘贴式智能石块至四个参考点的理论距离，且L′₁，L′₂，L′₃和L′₄均含有未知的三维位置(x,y,z)；

测得粘贴式智能石块任意时刻的瞬时三维位置(x,y,z)，并记录此时北京时间t，与布设粘贴式智能石块时的坐标比较，得到粘贴式智能石块的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)及测量的时间间隔Δt，计算粘贴式智能石块运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)；在计算Δt时，将时间的差值换算为秒；

研究粘贴式智能石块运动的三维速度(Δx/Δt,Δy/Δt,Δz/Δt)和时间t的曲线关系，当该曲线发生突变时，则边坡发生失稳；

通过粘贴式智能石块的三维位移变化(Δx,Δy,Δz)判断边坡中土体和岩体的运动距离，与边坡坡脚至道路、建筑物、农田和河道的距离S比较，则预警时间t₀为并根据预警时间提前预警。