CN110320279A - 基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法，包括：将滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度；在箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体；在目标滑体中插入第一管状构件，并在第一管状构件远离目标滑体的一端安装第一声发射传感器；按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对目标滑体进行推动；通过压力传感器获取推进机构施加给目标滑体的推力，以及通过位移传感器获取推进机构推动目标滑体时产生的位移，并通过第一声发射传感器获取目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号。通过提出室内土质滑坡声发射测量的实验方案，可以进行各种变形过程的推移式滑坡的机理研究，可以模拟和近似还原自然环境中实际发生的滑坡灾害的运动过程和破坏形式。

Description

基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法

技术领域

本发明涉及滑坡监测技术领域，尤其涉及一种基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法。

背景技术

滑坡是频繁发生的自然灾害之一，分布广泛，危害巨大，每年都在我国造成严重的人员伤亡和经济损失。图1为推移式滑坡的示意图，α为滑面倾角，θ为滑体后缘与滑面夹角，L为滑体底面长度。推移式滑坡是广泛存在的滑坡模式之一，推移式滑坡是上部岩层滑动挤压下部产生变形，滑动速度较快，滑体表面波状起伏，多见于有堆积物分布的斜坡地段。

滑坡监测是避免伤亡和损失的有力手段，识别、分析危险情况后，及时发出预警，通知民众疏散，保护重大基础设施。目前，比较常见的滑坡监测技术有：大地测量方法、岩土技术方法、地球物理方法、遥感监测等。然而，现有的滑坡监测技术，只能获取到大地表面变形，而且比较容易受到气象条件、植被覆盖等因素的影响，数据处理难度较大，成本往往也比较高。因此，如何更好地为滑坡现场的监测预警提供支撑成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法，包括：

将滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度，其中，所述滑坡实验装置还包括第一管状构件、推进机构、第一声发射传感器、设置在所述推进机构上的压力传感器、设置在所述推进机构上的位移传感器；

在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体；

在所述目标滑体中插入第一管状构件，并在所述第一管状构件远离所述目标滑体的一端安装所述第一声发射传感器；

按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动；

通过所述压力传感器获取所述推进机构施加给所述目标滑体的推力，以及通过所述位移传感器获取所述推进机构推动所述目标滑体时产生的位移，并通过所述第一声发射传感器获取所述目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号。

进一步地，所述按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动包括：

在初始变形阶段，采用第一速度随时间变化公式控制所述推进机构对所述目标滑体进行推动；

在等速变形阶段，采用第二速度随时间变化公式控制所述推进机构对所述目标滑体进行推动；

在加速变形阶段，采用第三速度随时间变化公式控制所述推进机构对所述目标滑体进行推动。

进一步地，在所述按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动之前，还包括：

获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线；

对初始变形阶段的位移随时间变化曲线采用幂函数进行拟合得到所述第一速度随时间变化公式；

对等速变形阶段的位移随时间变化曲线采用直线拟合得到所述第二速度随时间变化公式；

对加速变形阶段的位移随时间变化曲线采用指数函数拟合得到所述第三速度随时间变化公式。

进一步地，所述获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线包括：

获取自然界中的渐变型滑坡的现场监测资料；

根据所述现场监测资料获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线。

进一步地，所述在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体包括：

采用分层填土方式在所述箱体中铺设土体以堆积成预设形状的初始滑坡，其中，每层的填土高度相同，且每层所填土被压实后再填下一层的土；

采用刮刀制作出所述初始滑坡的斜坡面；

将所述初始滑坡放置预设天数，形成所述目标滑体。

进一步地，在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体之前，还包括：

在所述目标滑体的底部区域填土以形成目标滑床。

进一步地，所述滑坡实验装置还包括第二管状构件、第二声发射传感器，其中，所述第二管状构件和所述第一管状构件的材质不同，所述第二管状构件和所述第一管状的规格相同，所述方法还包括：

将所述第二管状构件插入到所述目标滑体中，并在所述第二管状构件的顶端安装所述第二声音传感器，其中，所述第二管状构件的底端和所述第一管状构件的底端位于同一预设深度，所述第一声音传感器和所述第二声音传感器位于同一高度；

通过所述第二声音传感器获取第二声发射信号。进一步地，所述方法还包括：

对所述推力、所述位移、所述第一声发射信号进行分析，建立所述目标滑体在滑坡过程中的声学参数、力学参数、运动学参数之间的对应关系。

进一步地，所述方法还包括：

对所述第一声发射信号、所述第二声发射信号进行分析，获取所述目标滑体的滑面所处深度。

进一步地，所述方法还包括：

采用拍照装置获取所述目标滑体在滑坡过程中的演化图片。

本发明实施例提供的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法，通过将滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度；在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体；在所述目标滑体中插入第一管状构件，并在所述第一管状构件远离所述目标滑体的一端安装所述第一声发射传感器；按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动；通过所述压力传感器获取所述推进机构施加给所述目标滑体的推力，以及通过所述位移传感器获取所述推进机构推动所述目标滑体时产生的位移，并通过所述第一声发射传感器获取所述目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号。通过提出室内土质滑坡声发射测量的实验方案，可以进行各种变形过程的推移式滑坡的机理研究，可以模拟和近似还原自然环境中实际发生的滑坡灾害的运动过程和破坏形式；采用有源波导的声发射测量技术，有效克服土质滑坡声音信号的衰减和环境噪声问题；声学-力学-运动学集成在一起可以量化滑坡的整体行为，进行声学参数与力学、位移参数之间定量关系的实验验证和规律探索。力学参数和位移、速度、加速度等运动学参数同步变化，振铃计数与速度、推力呈线性关系，振铃计数积分和位移的线性关系很强，声学参数可以量化边坡变形；可通过PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)编程控制千斤顶的推进时间和速度，加载出经典的土体滑坡变形三阶段“位移-时间”曲线，在较短时间内实现滑坡的全过程模拟，研究坡体变形破坏过程与声发射信号的对应关系，确定最有效的声音信号参数，更好的反映滑坡内部的变形破坏特征，有望实现超前预警。根据大量实验的结果，确定临滑时声发射参数的预警阈值，指导工程实践；实验结果证明，对于渐变型滑坡而言，在加速变形之前，加速度一直在0附近震荡，进入加速变形后，加速度发生跳跃式增加，超过某一阈值时，出现持续性的大幅波动，滑坡进入危险期。加速度是一个很好的临滑识别指标，事先设定阈值可以实现滑坡在线监测和自动预警。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为推移式滑坡的示意图；

图2为滑坡实验装置的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法的流程图；

图4为渐变型滑坡的位移随时间变化曲线的示意图；

图5为实验加载过程中推力随时间变化曲线、位移随时间变化曲线；

图6为实验过程中的振铃计数随时间变化曲线；

图7为实验过程中的声发射信号的能量随时间变化曲线；

图8为振铃计数和推进速度的关系图；

图9为推力和加速度的关系图；

图10为位移、振铃计数积分、能量积分的关系图；

图11为位移、振铃计数的关系图；

图12为根据本发明又一个实施例的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法的流程图。

附图标记：

箱体：1；底板:2；升降机构：3；支撑部:4；推进机构:5；粗钢板：6；斜撑：7；第一管状构件：8；第二管状构件：9；测斜管：10；压力传感器：11；位移传感器：12；第一声发射传感器：13；第二声发射传感器：14；目标滑体：15；地面：16。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法。

为了使得更加清楚的描述本发明实施例的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法，下面对滑坡实验装置进行描述。

图2为滑坡实验装置的结构示意图。如图2所示，滑坡实验装置，包括：箱体1、升降机构3、推进机构5、压力传感器11、位移传感器12、第一声发射传感器13、用于插入到目标滑体15中的第一管状构件8。

其中，所述箱体1包括底板2，所述底板2用于堆积土体以形成所述预设形状的目标滑体。

所述升降机构3设置在靠近所述箱体的前端处，所述升降机构3的上端与所述底板2下方铰接，所述升降机构3用于调整所述箱体1与地面16的倾斜角度；

所述推进机构5设置在靠近所述箱体1的前端处且与所述箱体1间隔预设距离，所述推进机构5用于对所述目标滑体15施加平行于箱体底面的推力；

所述压力传感器11设置在所述推进机构5的推进端，用于检测所述推进机构5施加给所述目标滑体15的推力；

所述位移传感器设置在所述推进机构5上，用于检测所述推进机构5推动所述目标滑体15时产生的位移；

所述第一声发射传感器13设置在所述第一管状构件8上远离所述目标滑体15的一端，用于检测所述目标滑体15在滑坡过程中的第一声发射信号。

本实施例中，滑坡实验装置的箱体1的结构形式具体不限，由于在做滑坡实验时，需要在箱体1的底板2上堆积土体以形成做滑坡实验用的目标滑体15。箱体1可以采用钢结构，强度高，确保实验过程的安全性。

可选地，箱体1包括底板2和设置在底板2上的立体框架组成。在制作箱体1时，选取符合需求的钢板作为底板2，在该底板2的四角焊接四根钢柱以形成设置底板2上的立体框架，进而制作出长4米、宽1.5米、高0.4米的矩形箱体。

为了便于观察实验过程，可在立体框架的左右两侧分别设置有透明件，透明件例如为钢化玻璃。钢化玻璃可以采用粘接的方式安装到立体框架的左右两侧，但并不以此为限。

进一步地，为了便于箱体1固定到地面16上，滑坡实验装置还包括支撑部4，支撑部4设置在靠近所述箱体1的后端处，所述支撑部4的上端与所述底板2下方铰接。可选地，支撑部4为铰支座。

可选地，为了保证箱体1的平衡性，所述支撑部4为两个，两个所述支撑部4分别设置在所述箱体1的左右两侧。进一步地，以箱体1的横向轴线为对称中心，两个所述支撑部4对称设置在所述箱体1的左右两侧。

本实施例中，升降机构3可以是现有的任一具有升降功能的升降设备，升降机构3例如为丝杆升降机。通过升降机构3的上下移动可以使滑坡实验装置的箱体1与地面16的倾斜角度可以在0～20°的范围内灵活调节。

可选地，为了保证箱体1的平衡性，升降机构3为两个，两个所述升降机构3分别设置在所述箱体1的左右两侧。具体地，以箱体1的横向轴线为对称中心，两个所述升降机构3对称设置在箱体1的左右两侧。在每次进行滑坡实验之前，通过控制升降机构3的上下移动可以滑坡实验装置的箱体1与地面16的倾斜角度可以在0～20°的范围内灵活调节。

需要指出的是，使用两个丝杆升降机支撑并同步升降，不存在液压升降机的泄压问题，滑坡实验装置更加稳定。

以两台丝杆升降机为例，在每次进行滑坡实验之前，根据目标滑体15的倾斜角度调整丝杆升降机的高度，以使滑坡实验装置的箱体1与地面16的倾斜角度调整到预设的倾斜角度。在调整丝杆升降机的高度时，可以先粗调后微调，以保证滑坡实验装置的箱体1与地面16的倾斜角度的精准，预设的倾斜角度例如为0°、5°、10°、15°、20°。

本实施例中，推进机构5可以是现有的任一能施加推力的推进设备。推进机构5与箱体1间隔的预设距离根据实际情形进行设定，预设距离例如为1厘米。在安装推进机构5时，可以在相同的前方垂直安装一块粗钢板6，前后用斜撑7固定，构成反力架，推进机构5以螺栓或者焊接方式垂直固定在钢板上，保证推力始终与目标滑体15的滑坡面平行。推进机构5自身可伸长量例如为100cm，实现目标滑体15的长距离可控推行，模拟推移式滑坡过程。

可选地，推进机构5包括驱动组件和板状结构，所述驱动组件用于驱动所述板状结构与所述目标滑体15贴合，并对所述目标滑体15施加平行于箱体底面的推力。其中，板状结构可以通过焊接的方式焊接到推进机构的推进端，板状结构例如为预设尺寸的钢板，预设尺寸根据实际情形设定，预设尺寸的板状结构可以自由地出入箱体1。其中，驱动组件可以是现有的任一能施加推力的驱动设备，驱动组件例如为千斤顶。

需要指出的是，驱动组件还可以是现有的千斤顶与控制器的组合，通过在控制器中加载PLC程序，控制器可以控制现有的千斤顶根据PLC程序所对应的时间-位移曲线自动进行力学加载，能够有效研究滑坡演化机制与变形破坏机理，实验过程更加智能可控，千斤顶推力作用点位置可调整，推移速度可以自主设定并自动进行推动。可以通过PLC编程控制千斤顶的推进时间和推进速度，加载出经典的土体滑坡变形三阶段“时间-位移”曲线，在较短时间内实现滑坡的全过程模拟，研究坡体变形破坏过程与声发射信号的对应关系，确定最有效的声学参数，更好的反映滑坡内部的变形破坏特征，有望实现超前预警。根据大量实验的结果，确定临滑时声学参数的预警阈值，指导工程实践。

本实施例中，第一管状构件8可以是任意的金属管，金属管例如钢管、铜管、铝管。第一管状构件8底端所处的深度为预设的深度，预设的深度根据实际情形进行设定，预设的深度例如为自目标滑体15底部的滑动面竖直向下的20厘米处。

本实施例中，在推进机构5推动目标滑体15的过程中，通过压力传感器11获取推进机构5施加给目标滑体15的推力，通过位移传感器获取所述推进机构5推动目标滑体15时产生的位移，通过第一声发射传感器13获取目标滑体15在变形过程中的声发射数据。

进一步地，滑坡实验装置还包括：第二声发射传感器14、用于插入到目标滑体15中的第二管状构件9；所述第二声发射传感器14设置在所述第二管状构件9上远离所述目标滑体15的一端，用于检测所述目标滑体15在滑坡过程中的第二声发射信号。

本实施例中，所述第一管状构件8和所述第二管状构件9的材质不同，所述第二管状构件9和所述第一管状构件8的规格相同。第一管状构件8例如为外径40毫米、内径30毫米、长1米的铝管，第二管状构件9例如为外径40mm、内径30mm、长1米的铜管。

根据声波在不同介质中的传播速度不同，基于第一声发射传感器13采集到的第一声发射信号和第二声发射传感器14采集到的第二声发射信号的后续分析，可以定位出声源的深度。

进一步地，滑坡实验装置还包括：用于插入到目标滑体15中的测斜管10；所述第一管状构件8和/或所述第二管状构件9在所述测斜管10中。

为了避免声发射能量在土体中的高衰减，在进行滑坡实验之前，先在目标滑体15内打孔，孔内插入一根测斜管10，在将第一管状构件8和/或所述第二管状构件9作为波导放置到测斜管10中，并在第一管状构件8和/或第二管状构件9与测斜管10之间填充诸如硅砂等回填颗粒，形成有源波导，增加声音强度。采用有源波导的声发射测量技术，有效克服土质滑坡声音信号的衰减和环境噪声问题，有利于进行声学参数与力学、运动学参数之间定量关系的实验验证和规律探索。

图3为根据本发明一个实施例的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法的流程图。如图3所示，该基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法可以包括以下步骤：

S101、将滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度。

本实施例中，在每次进行滑坡实验之前，通过控制升降机构的上下移动可以滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度可以在0～20°的范围内灵活调节。其中，当升降机构为两个时，控制两个升降机构同时联动升降。

以升降机构为丝杆升降机为例，在每次进行滑坡实验之前，根据目标滑体的倾斜角度调整丝杆升降机的高度，以使滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度。在调整丝杆升降机的高度时，可以先粗调后微调，以保证滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度的精准。

S102、在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体。

本实施例中，在箱体中制作目标滑体的制作方法如下：

S1021、采用分层填土方式在所述箱体中铺设土体以堆积成预设形状的初始滑坡。

具体地，每层的填土高度相同，且每层所填土被压实后再填下一层的土。

例如，需要制作长1米、宽0.5米、高0.5米的目标滑体，设定每层填土的高度为10厘米，每填完一次土之后进行压实，压实后再填下一层的土。

S1022、采用刮刀制作出所述初始滑坡的斜坡面。

S1023、将所述初始滑坡静置预设天数，形成所述目标滑体。

本实施例中，预设天数根据实际情形进行设定，预设天数例如为1天。在静置期间注意保湿，使初始滑坡自然落实成型为目标滑体。

进一步地，为了更加接近真实地质构造，首先在目标滑体的底部填土形成一个目标滑床，目标滑体与目标滑床的连接的滑坡面处采取连续填土压实的方法，使得目标滑床和目标滑体形成一个整体，更加接近真实地质构造。

S103、在所述目标滑体中插入第一管状构件，并在所述第一管状构件远离所述目标滑体的一端安装所述第一声发射传感器。

本实施例中，第一声发射传感器用于检测目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号，第一声发射传感器安装在第一管状构件的顶端。其中，第一声发射信号具有声音的多种特性参数，例如峰值到达时间、幅度、振铃计数、持续时间、相对能量、绝对能量、信号强度、上升计数、有效值RMS、平均值ASL等声学参数。

基于声发射信号检测滑坡的优势在于：①声发射信号是土壤颗粒相互作用的直接结果，清楚显示砂土内部的变化机制，直接检测灾害前的岩土内部形变,有实现超前预警的潜力。②声发射信号活动伴随着岩体失稳的整个过程，可以根据声音信号跟踪斜坡运动发生、发展的全过程，提供缺陷随载荷等外变量而变化的实时或连续信息，险情来临前有足够时间发出早期预警。③基于声发射信号检测滑坡的特点是稳定、方便、灵敏、误差小、高时间分辨率，也更为廉价，在大变形(>400mm)时仍能工作。④声发射信号中的振铃计数与滑移速率成正比，积分即可得到滑动位移，再根据滑坡运动分类标准，直接指导预警工作。

本实施例中，为了避免声发射能量在土体中的高衰减，在进行滑坡实验之前，先在目标滑体内打孔，孔内插入一根测斜管，在将第一管状构件作为波导放置到测斜管中，并在第一管状构件与测斜管之间填充诸如硅砂等回填颗粒，形成有源波导，增加声音强度。其中，第一管状构件可以是任意的金属管，金属管例如钢管、铜管、铝管。具体地，声发射传感器固定在第一管状构件的顶部，第一管状构件底端所处的深度为预设的深度，预设的深度根据实际情形进行设定，预设的深度例如为自目标滑体底部的滑动面竖直向下的20厘米处。

本实施例中，第一声发射信号主要来自颗粒物和第一管状构件之间的摩擦，只要考虑回填颗粒的声学特性，不必过多关注不同滑体的岩土结构和性质。第一声发射信号通过各种机制产生，包括第一管状构件的直接冲压(即弯曲)，在回填颗粒和第一管状构件之间的界面处剪切，回填材料内部的压缩和剪切。

随着目标滑体的变形，第一管状构件周围的回填颗粒因被挤压和摩擦而发出声发射信号，该声发射信在第一管状构件中传播衰减较小。有源波导的优点在于，回填物与波导密切接触，产生的声发射信号在到达传感器之前衰减较少，同时测斜管可以起到隔离作用，减少岩土体对实验结果的干扰，限制颗粒物的无效运动，使得颗粒物和第一管状构件之间的接触更加充分。

S104、按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动。

本实施例中，通过控制推进机构在不同时间的推进速度，实现目标滑体长距离地可控推行，模拟推移式滑坡过程。具体地，随着推进机构的推移，目标滑体发生剪切破坏和内部压缩变形，滑动面由局部开裂到贯通面逐渐形成，最终目标滑体发生整体位移。

推进机构配套的传感器实现压力和位移的实时在线测量，推进机构还可以根据软件编程设定好的时间-位移曲线自动加载，能够有效研究滑坡演化机制与变形破坏机理，实验过程更加智能可控。推进机构可以根据软件编程设定好的时间-位移曲线自动加载，能够有效研究滑坡演化机制与变形破坏机理，实验过程更加智能可控。

例如，推进机构的驱动组件可以是现有的千斤顶与现有的控制器的组合，通过在控制器中加载PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)程序，控制器可以控制现有的千斤顶根据PLC程序所对应的时间-位移曲线自动进行力学加载，能够有效研究滑坡演化机制与变形破坏机理，实验过程更加智能可控，千斤顶推力作用点位置可调整，推移速度可以自主设定并自动进行推动。可以通过PLC编程控制千斤顶的推进时间和推进速度，加载出经典的土体滑坡变形三阶段“时间-位移”曲线，在较短时间内实现滑坡的全过程模拟，研究坡体变形破坏过程与声发射信号的对应关系，确定最有效的声学参数，更好的反映滑坡内部的变形破坏特征，有望实现超前预警。根据大量实验的结果，确定临滑时声学参数的预警阈值，指导工程实践。

进一步地，步骤S104的具体实现方式包括以下步骤：

S1041、在初始变形阶段，采用第一速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动。

S1042、在等速变形阶段，采用第二速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动。

S1043、在加速变形阶段，采用第三速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动。

本实施例中，第一速度随时间变化公式、第二速度随时间变化公式、第三速度随时间变化公式均是通过采用相应的函数对自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线进行拟和得到的。其中，可以通过获取自然界中的渐变型滑坡的现场监测资料，并根据现场监测资料获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线的，当然也可以获取现成绘制好的自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线的，但并不以此为限。

图4为渐变型滑坡的位移随时间变化曲线的示意图。在图4中，位移随时间变化曲线的横坐标为时间t，纵坐标为累计位移s，渐变型滑坡的演变过程大致分为三个阶段：初始变形阶段(对应于0～t1阶段)、等速变形阶段(对应于t1～t2阶段)、加速变形阶段(对应于t2～t3阶段)。

本实施例中，对初始变形阶段的位移随时间变化曲线采用幂函数进行拟合得到所述第一速度随时间变化公式。

具体地，第一速度随时间变化公式对应的函数公式为：V＝K1*t^-X1，其中，K1为常数，X1为常数，V为速度，t为时间,在拟合的过程中，通过改变K1和X1的数值，使与第一速度随时间变化公式对应的曲线的变化趋势与自然界中渐变型滑坡的初始变形阶段的位移随时间变化曲线大致相同。

本实施例中，对等速变形阶段的位移随时间变化曲线采用直线进行拟合得到所述第二速度随时间变化公式。具体地，第二速度随时间变化公式对应的函数公式为：V＝K2*X2，其中，K2为常数，X2为常数，V为速度，在拟合的过程中，通过改变K2和X2的数值，使与第二速度随时间变化公式对应的曲线的变化趋势与自然界中渐变型滑坡的等速变形阶段的位移随时间变化曲线大致相同。

本实施例中，对加速变形阶段的位移随时间变化曲线采用指数函数进行拟合得到所述第三速度随时间变化公式。具体地，第三速度随时间变化公式对应的函数公式为：V＝K3*X3^t，其中，K3为常数，X3为常数，V为速度，t为时间,在拟合的过程中，通过改变K3和X3的数值，使与第三速度随时间变化公式对应的曲线的变化趋势与自然界中渐变型滑坡的加速变形阶段的位移随时间变化曲线大致相同。

在实际应用中，可以通过编写PLC程序分别表达出第一速度随时间变化公式、第二速度随时间变化公式、第三速度随时间变化公式，并将对应的PLC程序加载到PLC信号处理系统，PLC信号处理系统输出相应的控制信号给推进机构，推进机构在接收到相应的控制信号后，推进机构的推进速度跟随相应的速度随时间变化公式变化。

以推进机构的驱动组件为千斤顶为例，PLC信号处理系统输出相应的控制信号给变频电机，控制油泵的供油强度，进而改变千斤顶的推进速度，推进速度例如在0.2mm/s到5mm/s之间变化。

S105、通过所述压力传感器获取所述推进机构施加给所述目标滑体的推力，以及通过所述位移传感器获取所述推进机构推动所述目标滑体时产生的位移，并通过所述第一声发射传感器获取所述目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号。

本实施例中，在获取到推力、位移、第一声发射信号等数据后，推力、位移、第一声发射信号等数据进行分析，建立所述目标滑体在滑坡过程中的声学参数、力学参数、运动学参数之间的对应关系。需要说明的是，根据推进机构上的位移传感器采集到的位移，也是目标滑体在滑动过程中的产生的位移，根据不同时间所采集到的位移，不难计算出目标滑体的滑动速度和滑动加速度。

以推进装置的驱动组件为千斤顶为例，在实验加载过程，千斤顶的推进速度为：减速50s，匀速50s，加速40s。

图5为实验加载过程中推力随时间变化曲线、位移随时间变化曲线。图5中，推力随时间变化曲线为L1,位移随时间变化曲线为L2。由图5可知，滑坡实验装置模拟出渐变型滑坡的三阶段((初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段)的位移演变，符合设计要求。

图6为实验过程中的振铃计数随时间变化曲线。其中，第一声发射传感器13采集的声发射信号的振铃计数随时间变化曲线为L3，第二声发射传感器14采集的声发射信号的振铃计数随时间变化曲线为L4。第一声发射传感器13和第二声发射传感器14同时采集声发射信号，通过现有的信号分析工具，可得到第一声发射传感器13采集的声发射信号的振铃计数随时间变化曲线L3、第二声发射传感器14采集的声发射信号的振铃计数随时间变化曲线L4。

图7为实验过程中的声发射信号的能量随时间变化曲线。其中，第一声发射传感器13采集的声发射信号的能量随时间变化曲线为L5，第二声发射传感器14采集的声发射信号的能量随时间变化曲线为L6。第一声发射传感器13和第二声发射传感器14同时采集声发射信号，通过现有的信号分析工具，可得到第一声发射传感器13采集的声发射信号的能量随时间变化曲线L5、第二声发射传感器14采集的声发射信号的能量随时间变化曲线L6。

以第一声发射传感器13安装在铝管的顶端、第二声发射传感器14安装在铜管的顶端为例，由于声音在铝管中的传播速度是5000m/s，在铜管中是3750m/s，通过图4和图5可知，声波在铜管中首次达到峰值的时间和整个特征参数曲线稍微落后于铝管，符合预期，进而可以实现滑面定位。

结合图5、图6、图7可知，100s左右，位移和推力急剧上升，第一声发射传感器13采集的声发射信号的振铃计数、能量和第二声发射传感器14采集的声发射信号的振铃计数的、能量随之迅速增加，表明声学参数与力学参数、动力学参数的变化趋势是一致的。

通过对压力传感器11采集的推进机构5施加给目标滑体15的推力，通过位移传感器采集的推进机构5推动所述目标滑体15时产生的位移，通过第一声发射传感器13或第二声发射传感器14采集的目标滑体15在滑坡过程中的声发射信号的后续分析，可以得出振铃计数和滑动速度的关系、推力和滑动加速度的关系、位移、振铃计数积分、能量积分的关系等。需要说明的是，根据推进机构上的位移传感器采集到的位移，也是目标滑体在滑动过程中的产生的位移，根据不同时间所采集到的位移，不难计算出目标滑体的滑动速度和滑动加速度。

图8为振铃计数和滑动速度的关系图。其中，滑动速度随时间变化曲线为L7，第一声发射传感器13或第二声发射传感器14采集的声发射信号的振铃计数随时间变化曲线为L8。

图9为推力和滑动加速度的关系图。其中，推力随时间变化曲线为L9，滑动加速度随时间变化公式为L10。

图10为位移、振铃计数积分、能量积分的关系图。其中，位移随时间变化曲线为L11，能量积分随时间变化的曲线为L12，振铃计数积分随时间变化曲线为L13。

图11为位移、振铃计数的关系图。其中，各个离散的点为测量数据，曲线L15为对测量数据进行拟合得到的振铃计数随位移变化曲线。

由图8可知，振铃计数和滑动速度整体呈正相关，滑移进入加速阶段，振铃计数和滑动速度同时突然上升，说明振铃计数可以作为较好的滑坡预警参数。

由图9可知，推力和滑动加速度同步变化，在加速变形之前，滑动加速度一直在0附近震荡，100s时，加速度急剧上升，标志滑动破环阶段的来临，滑动加速度也可以作为较好的滑坡预警参数。

由图10可知，振铃计数积分、能量积分和位移的变化趋势一致，曲线十分接近。图10表明振铃计数积分、能量积分与位移的线性关系较好，可以用一次函数量化声学参数和运动参数之间的关系，进而可以用振铃计数积分、能量积分用来追踪位移的变化，监测滑坡的整个过程。

由图11可知，振铃计数与位移的线性关系较好，可以用一次函数量化声学参数和运动参数之间的关系，进而可以用振铃计数来追踪位移的变化，监测滑坡的整个过程。

进一步地，在滑坡实验过程中，还可以通过诸如手机、高清摄像机等拍照装置获取目标滑体在滑坡过程中的演化图片，便于判别不同滑坡阶段的典型破环特征。在应用阶段，可以结合所建立的声学参数、力学参数、运动学参数之间的对应关系和演化图片，可以确定出滑坡监测中的关键参数和预计阈值。

本发明实施例提供的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法，通过将滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度；在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体；在所述目标滑体中插入第一管状构件，并在所述第一管状构件远离所述目标滑体的一端安装所述第一声发射传感器；按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动；通过所述压力传感器获取所述推进机构施加给所述目标滑体的推力，以及通过所述位移传感器获取所述推进机构推动所述目标滑体时产生的位移，并通过所述第一声发射传感器获取所述目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号。通过提出室内土质滑坡声发射测量的实验方案，可以进行各种变形过程的推移式滑坡的机理研究，可以模拟和近似还原自然环境中实际发生的滑坡灾害的运动过程和破坏形式；采用有源波导的声发射测量技术，有效克服土质滑坡声音信号的衰减和环境噪声问题；声学-力学-运动学集成在一起可以量化滑坡的整体行为，进行声学参数与力学参数、运动学参数之间定量关系的实验验证和规律探索。力学参数和位移、速度、加速度等运动学参数同步变化，振铃计数与速度、推力呈线性关系，振铃计数积分和位移的线性关系很强，声学参数可以量化边坡变形；可通过PLC编程控制推荐机构的推进时间和速度，加载出经典的土体滑坡变形三阶段“时间-位移”曲线，在较短时间内实现滑坡的全过程模拟，研究坡体变形破坏过程与声发射信号的对应关系，确定最有效的声学参数，更好的反映滑坡内部的变形破坏特征，有望实现超前预警。根据大量实验的结果，确定临滑时声学参数的预警阈值，指导工程实践；实验结果证明，对于渐变型滑坡而言，在加速变形之前，滑动加速度一直在0附近震荡，进入加速变形后，滑动加速度发生跳跃式增加，超过某一阈值时，出现持续性的大幅波动，滑坡进入危险期。滑动加速度是一个很好的指标，事先设定阈值可以实现滑坡在线监测和自动预警。

图12为根据本发明又一个实施例的基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法的流程图。结合参考图12，在图3所示的实施例的基础上，基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法还包括以下步骤：

S106、将所述第二管状构件插入到所述目标滑体中，并在所述第二管状构件的顶端安装所述第二声音传感器。

本实施例中，所述滑坡实验装置还包括第二管状构件、第二声发射传感器，其中，所述第二管状构件和所述第一管状构件的材质不同，所述第二管状构件和所述第一管状的规格相同。所述第二管状构件的底端和所述第一管状构件的底端位于同一预设深度，所述第一声音传感器和所述第二声音传感器位于同一高度；

为了避免声发射能量在土体中的高衰减，可以将第二管状构件插入埋设在目标滑体的测斜管中。

本实施例中，步骤S106和步骤S103可以同步进行也可以异步进行。

S107、通过所述第二声音传感器获取第二声发射信号。

本实施例中，步骤S107和步骤S105同步进行。

本实施例中，根据声波在不同介质中的传播速度不同，基于第一声发射传感器13采集到的第一声发射信号和第二声发射传感器14采集到的第二声发射信号的后续分析，可以定位出声源的深度。

具体地，在目标滑体中再插入一根管状构件(即第二管状构件9)，在第二管状构件9的顶部安装第二声发射传感器14。当然，为了避免声发射能量在土体中的高衰减，第二管状构件9也插入到测斜管10中。

以第一管状构件8为铝管(外径40毫米、内径30毫米、长1米)，第二管状构件9为的铜管(外径40mm、内径30mm、长1米)为例，声波在铝管和铜管中的传播速度不同，分别为v1和v2；当振幅最大的声波从目标滑体底部的滑面处同时发出，传播完同一段距离，在铜管中的传播过程滞后于铝管，可以根据这一关系列出等式，即t2-t1＝h/v2-h/v1。其中，h是滑动面距离第一声发射传感器13或第二声发射传感器14的深度，即波导管的长度，对于铝管和黄铜管来说是一致的；v1和v2是确定的值；t1是同时从滑面处发出的振幅最大的声波首次到达铝管上端的第一声发射传感器13的时间，t2是振幅最大的声波首次到达铜管上端的第二声发射传感器14的时间，基于上述等式可以计算出滑动面的深度。其中，t1、t2可以通过现有的信号分析处理工具对记录的第一声发射传感器13所采集到的第一声发射信号和第二声发射传感器14所采集到的第二声发射信号进行分析得到，但并不以此为限。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于有源波导声发射技术的滑坡监测方法，其特征在于，包括：

将滑坡实验装置的箱体与地面的倾斜角度调整到预设的倾斜角度，其中，所述滑坡实验装置还包括第一管状构件、推进机构、第一声发射传感器、设置在所述推进机构上的压力传感器和位移传感器；

在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体；

在所述目标滑体中插入第一管状构件，并在所述第一管状构件远离所述目标滑体的一端安装所述第一声发射传感器；

按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动；

通过所述压力传感器获取所述推进机构施加给所述目标滑体的推力，以及通过所述位移传感器获取所述推进机构推动所述目标滑体时产生的位移，并通过所述第一声发射传感器获取所述目标滑体在滑坡过程中的第一声发射信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动包括：

在初始变形阶段，采用第一速度随时间变化公式控制所述推进机构对所述目标滑体进行推动；

在等速变形阶段，采用第二速度随时间变化公式控制所述推进机构对所述目标滑体进行推动；

在加速变形阶段，采用第三速度随时间变化公式控制所述推进机构对所述目标滑体进行推动。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述按照预设的速度随时间变化公式控制推进机构对所述目标滑体进行推动之前，还包括：

获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线；

对初始变形阶段的位移随时间变化曲线采用幂函数进行拟合得到所述第一速度随时间变化公式；

对等速变形阶段的位移随时间变化曲线采用直线拟合得到所述第二速度随时间变化公式；

对加速变形阶段的位移随时间变化曲线采用指数函数拟合得到所述第三速度随时间变化公式。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线包括：

获取自然界中的渐变型滑坡的现场监测资料；

根据所述现场监测资料获取自然界中的渐变型滑坡的位移随时间变化曲线。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体包括：

采用分层填土方式在所述箱体中铺设土体以堆积成预设形状的初始滑坡，其中，每层的填土高度相同，且每层所填土被压实后再填下一层的土；

采用刮刀制作出所述初始滑坡的斜坡面；

将所述初始滑坡静置预设天数，形成所述目标滑体。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述箱体中填土以堆积成预设形状的目标滑体之前，还包括：

在所述目标滑体的底部区域填土以形成目标滑床。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑坡实验装置还包括第二管状构件、第二声发射传感器，其中，所述第二管状构件和所述第一管状构件的材质不同，所述第二管状构件和所述第一管状的规格相同，所述方法还包括：

将所述第二管状构件插入到所述目标滑体中，并在所述第二管状构件的顶端安装所述第二声音传感器，其中，所述第二管状构件的底端和所述第一管状构件的底端位于同一预设深度，所述第一声音传感器和所述第二声音传感器位于同一高度；

通过所述第二声音传感器获取第二声发射信号。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述推力、所述位移、所述第一声发射信号进行分析，建立所述目标滑体在滑坡过程中的声学参数、力学参数、运动学参数之间的对应关系。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述第一声发射信号、所述第二声发射信号进行分析，获取所述目标滑体的滑面所处深度。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

采用拍照装置获取所述目标滑体在滑坡过程中的演化图片。