CN110715628A - 全立面网格化导线式边坡监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全立面网格化导线式边坡监测系统，包括设在坡面上的横向导线和纵向导线，横向导线和纵向导线将坡面划分成网格结构；其特征在于：所述横向导线和纵向导线之间的交叉节点通过节点传力装置连接，所述节点传力装置包括在节点位置处的纵向导线上固定安装有一纵向导线固定件，该纵向导线固定件固定在坡面的固定桩上、并且该纵向导线固定件上开设有可供横向导线自由滑动的横向导线穿线孔(即横向导线预留孔)；在节点位置处的横向导线上固定安装有一横向导线固定件并且其与纵向导线固定件平行设置；在节点的两侧分别设有弹性传力装置和位移计，弹性传力装置的两端以及位移计的两端分别固定连接纵向导线固定件和横向导线固定件。

Description

全立面网格化导线式边坡监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于基础建设中边坡工程领域，尤其是指一种全立面网格化导线式边坡监测系统及监测方法，用于监测边坡的稳定性和实际使用健康状况。

背景技术

我国是一个多山的国家，山区面积占整个国土面积的69％，尤其是我国西部地区及东南沿海区。随着我国社会经济的发展以及实施“西部大开发”战略，公路铁路等建设逐渐由平原向山区发展，山区公路铁路成为我国当前交通运输建设的重要组成部分。山区山川纵横，气候多变，自然地形地貌及地质条件均很复杂，公路铁路沿线的高边坡所占比例很大，因此山区公路铁路建设期中边坡的施工安全和运营安全问题尤为突出。

目前传统的安全监测主要由人工定期采用传统仪器到现场进行测量，其工作量大，受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人为误差，同时，若在雨雪等恶劣天气下无法监测，会出现较长的监测真空期，实时性差以及人工监测的自身安全和人工成本越来越高等问题，其会严重影响工程的安全生产和管理水平。

随着计算机、传感器、网络通信、物联网等技术的发展、采用远程智能安全监测逐渐进入工程建设中，并随着设备成本的降低和技术的提升，其精度高、实时性强等优势更加明显，将取代传统人工监测，已成今后的发展趋势。

高边坡的坡面面积往往比较大，目前坡面上传感器一般采用点状的布置方式，要整个坡面全覆盖监测，所需的传感器数量较多，造价很高，因此，如何有效覆盖整个坡面，而又能优化传感器的布置，寻求一种造价较低、全覆盖、精度较高、可靠性好的边坡实时监测预警方法是当务之急。以合理确定传感器的选型及布置，运用现代物联网技术，防微杜渐，防患于未然，预防工程安全事故和地质灾害的发生，确保工程安全和加固质量。

中国专利CN 208000169 U公开了一种用于边坡滑坡或泥石流预警的网格化监测装置，包括通过固定端固定的若干组相互交叉的钢丝，所述钢丝的交叉点安装有节点装置，所述每根钢丝上均设置有预应力装置和测力计，所述的测力计通过电缆与数据采集装置相连。所述的节点装置包括轴承，所述的轴承下方设有脚蹼，所述的钢丝穿过节点装置的轴承。该专利文献中公开的节点装置是简单的利用轴承及脚蹼固定在边坡表面。这样设置的缺陷在于：⑴、现场实际实施时脚蹼固定在坡面不易稳固，当坡面出现滑移时该节点装置容易与边坡表面脱离；⑵、坡面滑动时，节点不能有效传递坡体的下滑力；⑶、不能有效监测到坡体下滑时的节点位移量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种全立面网格化导线式边坡稳定远程监测系统及监测方法，提高边坡监测覆盖面、可靠度和精确度、降低工程造价，实现边坡稳定性及健康状态的全立面监控。

第一方面，本申请公开了一种全立面网格化导线式边坡监测系统，包括设在坡面上的横向导线和纵向导线，横向导线和纵向导线将坡面划分成网格结构；其特征在于：所述横向导线和纵向导线之间的交叉节点通过节点传力装置连接，所述节点传力装置包括在节点位置处的纵向导线上固定安装有一纵向导线固定件，该纵向导线固定件固定在坡面的固定桩上、并且该纵向导线固定件上开设有可供横向导线自由滑动的横向导线穿线孔(即横向导线预留孔)；在节点位置处的横向导线上固定安装有一横向导线固定件并且其与纵向导线固定件平行设置；在节点的两侧分别设有弹性传力装置和位移计，其中，弹性传力装置的两端以及位移计的两端分别固定连接纵向导线固定件和横向导线固定件。

优选的，位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间上下错位相交。

优选的，位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间呈一定角度设置，其角度根据坡体滑动方向及监测布置设计进行确定。

优选的，所述的弹性传力装置包括弹簧、弹性绳；所述横向导线在坡面转折处通过导轮架在坡面上，使得导线可在导轮上滑动；所述导线上在导轮之间位置都设有拉力传感器和位移传感器；位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间相垂直设置。

优选的，所述横向导线的其中一端通过弹性装置和预紧装置与坡顶基点固定装置或坡脚基点固定装置连接，使得横向导线产生初始拉力；所述纵向导线的其中一端通过弹性装置和预紧装置与边坡左侧基点固定装置或边坡右侧基点固定装置连接，使纵向导线产生初始拉力。优选的，所述预紧装置包括相适配的螺杆和螺母，螺杆一端通过弹性装置、应力计与横向导线/纵向导线固定连接，另一端穿过基点固定装置上的钢板后与螺母螺纹连接，并通过调节螺母进行预紧。

优选的，在坡面的横向导线或者纵向导线上安装有环境传感、锚杆应力计和深部位移计。

优选的，还包括数据采集发送箱，所述数据采集发送箱包括供电系统、数据采集模块、无线网络传输模块；所述数据采集模块实时采集传感器的数据并通过无线方式发送到服务器、监控电脑或智能手机上。

优选的，所述服务器、监控电脑或智能手机上装有自动分析和评估软件，若位移和应力等超过控制标准值，及时报警，并发送信息到有关管理人员的手机上。

另一方面，本申请还公开了利用全立面网格化导线式边坡监测系统进行监测的方法，包括如下步骤：

1)按照所述的监测系统进行安装固定；

2)数据采集箱中的数据采集模块进行实时采集数据，并通过无线网络传输装置将传感器的监测数据实时传输给监控中心服务器、监控电脑或智能手机；

3)服务器、监控电脑或智能手机上装有专用配套的分析及评估软件，对实时监控数据进行自动分析和评估，若位移速率和拉力增量超过控制标准，及时报警，并发送短信到有关管理人员的手机上。

下面对本申请技术方案做进一步说明：

一种全立面网格化导线式边坡监测系统，所述系统由坡面上布设的纵向与横向导线、导线上连接的位移及拉力传感器、数据采集发送箱、室内远程数据接收服务器、数据实时分析及评估后台软件等组成。

根据坡体的地质及形态情况，选用合适的布置方式在坡面上布设纵向和横向导线。横向导线一般沿坡面的横断面方向布设，即坡顶和坡脚之间沿坡面布设导线，在边坡坡顶设置坡顶基点固定装置，并在边坡坡脚设置坡脚基点固定装置，导线一端固定在坡顶基点固定装置上，导线另一端通过弹性装置和预紧装置与坡脚基点固定装置连接，弹性装置和预紧装置使导线拉直产生初始拉力并伏贴在坡面上；

纵向导线一般沿坡面的水平向布设，即在坡面的左侧外缘与右侧外缘之间沿水平向布设，在坡面的左侧外缘和右侧外缘分布设置固定基桩，导线的两端分别连接在左右缘固定基桩上，并通过其中一端的弹性及预紧装置，使导线产生初始拉力，并使导线伏贴在坡面上。

纵向导线与横向导线相交的节点采用节点传力装置进行连接；

所述节点传力装置设置：在节点位置处的纵向导线上固定安装有一纵向导线固定件，该纵向导线固定件固定在坡面的固定桩上、并且该纵向导线固定件上开设有可供横向导线自由滑动的横向导线穿线孔；在节点位置处的横向导线上固定安装有一横向导线固定件并且其与纵向导线固定件平行设置；在节点的两侧分别设有弹性传力装置和位移计，其中，弹性传力装置的两端以及位移计的两端分别固定连接纵向导线固定件和横向导线固定件。优选的，位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间以上下错位相交。

优选的，位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间呈一定角度设置；一般情况下垂直设置。优选的，所述的纵向导线固定件具有可供纵向导线穿过的线槽。优选的，所述弹性传力装置为弹簧或弹性绳。

下面对节点传力装置具体阐述：

在与纵向导线与横向导线相交的节点处下方的坡面岩土中，打设固定桩(即固定锚杆)，布设纵向导线，在纵向导线上布设纵向导线固定件，且纵向导线与纵向导线固定件固定连接，将纵向导线固定件连接固定在固定桩上，通过预留穿线孔，将横向导线穿孔，沿横向布设横向导线，横向导线在预留孔中能自由滑动，在节点上方的横向导线上布设横向导线固定件，所述横向导线固定件与横向导线固定连接，横向导线固定件与纵向导线固定件呈平行状态，在横向导线固定件和纵向导线固定件之间的左侧布设位移计(传感器)，位移计(传感器)的两端分别与横向导线固定件和纵向导线固定件连接，右侧布设弹性传力装置，弹性传力装置分别与横向导线固定件和纵向导线固定件连接。

若山体坡面发生滑移，纵向导线及固定桩会随之产生往下的位移，节点位移计(传感器)能监测到其位移量，同时通过弹性传力装置会拉伸并将力传递给横向导线，横向导线上的拉力传感器就能监测到该节点的变化。

所述纵向导线与横向导线上同时设有位移传感器。具体的，导线上安装了卡扣，位移传感器的测杆与卡扣相连。

所述坡顶基点固定装置，坡顶基点固定装置为设置在坡顶安全区域内的固定不动点上的锚杆或混凝土小桩或立柱。所述横向导线在坡面转折处通过导轮架在坡面上，导线可在导轮上滑动。

所述导线上在导轮之间位置都设有拉力传感器和位移传感器。

根据坡体的加固方式，在纵向导线和横向导线附近的设有锚杆、锚素测力计、水位计、深部位移计等传感器。

在坡面合适位置布设雨量、温度等环境传感器。

导线上安装有用于测量导线拉力的应力传感器、用于测量坡面位移的位移传感器，以及坡面的雨量、温度等环境传感器、坡体的锚杆、锚素应力计、水位计、深部位移计等传感器，通过有线或无线方式与数据采集发送箱进行数据传输。

数据采集发送箱设有太阳能供电装置及蓄电池供电相结合的供电系统、数据采集及无线网络远程传输模块，数据采集箱接收传感器的数据通过无线方式发送到服务器、监控电脑或智能手机上。

优选的，所述弹性装置为弹簧或弹性绳；所述预紧装置包括相适配的螺杆和螺母，螺杆一端与导线固定，另一端穿过坡脚基点固定装置的钢板后与螺母螺纹连接，并通过调节螺母进行预紧。

优选的，所述服务器、监控电脑或智能手机上装有自动分析和评估软件，若位移和应力等超过控制标准值，及时报警，并发送信息到有关管理人员的手机上。

本发明具有以下的特点和有益效果：

1、沿整个坡体立面从坡顶到坡脚布设横向导线，从坡面左侧到坡面右侧之间布设纵向导线，形成网格化监控，坡体全立面覆盖，整个边坡可以实现全局完全掌控，毫无遗漏；

2、布设坡面纵向和横向导线，为导线上不同位置的位移、应力之间建立了逻辑关系；

3、位移传感器和应力传感器的协调使用，实现了双重同步监控，而且可以互相验证和校核，杜绝了常规的边坡监控方法造成的误差，提高了预警可靠度和准确度；

4、结合坡体加固的锚杆、锚索内力、水位、深部位移等测试以及坡面雨量、温度等环境因素的测量，进行多因素综合评估与分析，监测预警更全面、更科学；

5、通过纵横交错导线上布设的高精度位移传感器和应力传感器，能实时监测到坡面的微小变化；

6、根据坡体的地质条件及坡体形态、加固防护形式等情况，进行“一坡一设计”，合理布置坡面纵横导线，科学合理布设传感器；

7、监测系统安装简单，易操作，且安装部位易施工，相较于其他监控方法的监控装置来说，更易于维护和更换，与现有方法相比，有较大的造价优势，采用无线监控系统；

8、数据采集箱接有太阳能供电装置及蓄电池供电相结合的供电系统及无线网络传输模块的做法，实现24小时全天候监控，动态实时传输，自动化分析及预警，减少了人力和物力的投入，避免了人为和气候等因素对监控数据的影响。

9、节点传力装置能有效监测纵向导线区域发生的位移，并将纵向导线的变化有效传递给横向导线，真正形成坡面的网格化监控，全立面覆盖，整个边坡可以实现全局监控；

10、建立了纵向导线与横向导线上不同位置的位移、应力之间逻辑关系，通过该逻辑关系可分析和预测坡体变形的变形量及位置、范围等；

11、通过位移计(传感器)监测到的位移量来计算弹性传力装置的传力大小，以校核横向导线上拉力的变化值。

附图说明

图1是本发明监测方法立面布置示意图；

图2是本发明监测方法横断面布置示意图；

图3是锚杆测力安装示意图；

图4是本申请中的节点传力装置的平面布置示意图；

图5是本申请中的节点传力装置的纵向导线固定件与固定桩的连接示意图；

图6是本申请中的节点传力装置的弹性装置、预紧装置与导线连接示意图。

图中：1—坡顶基桩，2—坡脚基桩，3—右侧基桩，4—左侧基桩，5—横向导线，6—纵向导线，7—节点传力装置(即节点连接扣)，8—弹性紧固装置，9—应力传感器(即图1中的应力计)，10—位移传感器(即图中的位移计)，11—雨量传感器，12—数据采集及发送箱，Ls—稳定安全距离

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步说明：如图1所示，全立面网格化导线式边坡稳定监测系统

1、本发明是根据边坡坡体地质、坡面形态、防护加固形式等情况按“一坡一设计”的原则进行安全风险评价及智能监测方案设计，以确定坡面纵向导线与横向导线网格化的布置形式、传感器的布设位置、边坡顶部稳定安全距离Ls等。

2、在选定横断面(横向导线)的坡顶稳定安全距离Ls之外，选取合适位置，设置坡顶基点，坡顶基点为固定不动点。在坡顶基点处安装一个坡顶基点固定装置，在本实施例中，所述坡顶基点固定装置采用坡顶基桩1，在坡顶基桩1上固定一个基点钢筋，在基桩的基点钢筋上固定好横向导线5的上端，再将横向导线5沿坡面一直往下铺设，铺设过程中，遇上坡面转折处时，在坡面转折处安装导轮，导轮贴近坡面，整体形态要求与坡面基本一致。

3、在边坡坡脚附近选择合适位置，设置坡脚基点，在坡脚基点上设置坡脚基点固定装置2(即图1中的坡脚基桩2)(所述坡脚基点固定装置2可以为锚杆，也可以是砼桩)，在坡脚基点固定装置2处安装好带孔钢板，在本实施例中，横向导线5的下端通过依次串联弹性装置、预紧装置后与坡脚基点固定装置2连接。所述弹性装置为弹簧(也可以采用弹性绳)，所述预紧装置包括相适配的螺杆和螺母；具体的，如图2、6所示，螺杆的安装方向与横向导线5下端方向一致，螺杆的一端通过螺母安装在带孔钢板上，带孔钢板安装在基点钢筋上，所述基点钢筋固定安装在坡脚基点固定装置2(即坡脚固定桩/坡脚基桩)上，坡脚基点固定装置2可根据地质情况采用锚杆或混凝土小桩。螺杆的另一端上安装一根弹簧8，弹簧的另一端连接一高精度应力传感器9，高精度应力传感器9的另一端与横向导线5的下端相连接。螺杆通过螺母在螺杆上的旋进来预紧或调节导线及弹簧的拉力。若因长时间受力导线5发生蠕变而产生松弛，可再旋进螺母进行二次施加预紧。优选的，弹簧的一端部可以通过紧固挂钩与螺杆固定连接。

4、在选定的坡面水平向纵向导线的左右两端，选取坡面外缘合适位置，分别设置左侧和右侧基点，并打设基桩，纵向导线两头分别固定在左侧基桩4和右侧基桩3上，其中纵向导线6的一端连接弹性装置、预紧装置，通过弹性装置及预紧装置，使导线产生初始拉力，并使导线伏贴在坡面上。具体的，所述弹性装置采用弹簧，预紧装置采用相配合的螺杆和螺母，纵向导线6的一端端部与弹簧一端连接，弹簧的另一端固定连接在螺杆的一端部，螺杆的另一端部穿过带孔钢板上的通孔并通过螺母安装在带孔钢板上，所述带孔钢板固定安装在右侧基桩3(或者左侧基桩4)上。如图1所示，纵向导线和横向导线的布设使得在坡面上形成网格化结构。

其中，在布设纵向导线和横向导线时，纵向导线和横向导线的节点处采用节点传力装置连接，所述节点传力装置这样设置：在与纵向导线与横向导线相交的节点处下方的坡面岩土中，打设固定桩(即固定锚杆)，在纵向导线上布设纵向导线固定件，且纵向导线与纵向导线固定件固定连接，将纵向导线固定件连接固定在固定桩上，通过在纵向导线固定件上预留穿线孔(即图5中所述的横向导线预留孔)，将横向导线穿孔，沿横向布设横向导线，横向导线在预留孔中能自由滑动，在节点上方的横向导线上布设横向导线固定件，所述横向导线固定件与横向导线固定连接，横向导线固定件与纵向导线固定件呈平行状态，在横向导线固定件和纵向导线固定件之间的左侧布设位移计(传感器)，位移计(传感器)的两端分别与横向导线固定件和纵向导线固定件连接，右侧布设弹性传力装置，弹性传力装置分别与横向导线固定件和纵向导线固定件连接。

5、根据各级边坡状况沿纵向导线和横向导线选取合适间距，在山体坡面上布设多个位移传感器和拉力传感器(即应力计)，拉力传感器与导线采用串联连接，位移传感器的测杆端与导线采用卡扣连接，另一端固定在坡面岩土中。

6、根据坡面的加固防护方式，在相应的导线附近，布设锚杆、锚索、水位、深部位移等传感器；在合适位置布设雨量、温度等环境传感器。

7、布设的传感器采用接线或无线的方式，连接到数据采集箱，数据采集箱设有太阳能供电装置及蓄电池供电相结合的供电系统、数据采集模块及无线网络传输模块。数据采集箱中的数据采集模块进行实时采集数据，并通过无线网络传输装置将传感器的监测数据实时传输给监控中心服务器、监控电脑或智能手机。

8、服务器、监控电脑或智能手机上装有专用配套的分析及评估软件，对实时监控数据进行自动分析和评估，若位移速率和拉力增量超过控制标准，及时报警，并发送短信到有关管理人员的手机上。

Claims (10)

1.一种全立面网格化导线式边坡监测系统，包括设在坡面上的横向导线和纵向导线，横向导线和纵向导线将坡面划分成网格结构；其特征在于：所述横向导线和纵向导线之间的交叉节点通过节点传力装置连接，所述节点传力装置包括在节点位置处的纵向导线上固定安装有一纵向导线固定件，该纵向导线固定件固定在坡面的固定桩上、并且该纵向导线固定件上开设有可供横向导线自由滑动的横向导线穿线孔；在节点位置处的横向导线上固定安装有一横向导线固定件并且其与纵向导线固定件平行设置；在节点的两侧分别设有弹性传力装置和位移计，其中，弹性传力装置的两端以及位移计的两端分别固定连接纵向导线固定件和横向导线固定件。

2.根据权利要求1所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间上下错位相交。

3.根据权利要求1或2所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间呈一定角度设置，其角度根据坡体滑动方向及监测布置设计进行确定。

4.根据权利要求1或2所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：所述的弹性传力装置包括弹簧、弹性绳；所述横向导线在坡面转折处通过导轮架在坡面上，使得导线可在导轮上滑动；导线上在导轮之间位置都设有应力传感器和位移传感器；位于纵向导线固定件上的横向导线和纵向导线之间相垂直设置。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：所述横向导线的其中一端通过弹性装置和预紧装置与坡顶基点固定装置或坡脚基点固定装置连接，使得横向导线产生初始拉力；所述纵向导线的其中一端通过弹性装置和预紧装置与边坡左侧基点固定装置或边坡右侧基点固定装置连接，使纵向导线产生初始拉力。

6.根据权利要求5所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：其特征在于：所述预紧装置包括相适配的螺杆和螺母，螺杆一端通过弹性装置、应力计与横向导线/纵向导线固定连接，另一端穿过基点固定装置上的钢板后与螺母螺纹连接，并通过调节螺母进行预紧。

7.根据权利要求1或2所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：在坡面的横向导线或者纵向导线上安装有环境传感、锚杆应力计和深部位移计。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：还包括数据采集发送箱，所述数据采集发送箱包括供电系统、数据采集模块、无线网络传输模块；所述数据采集模块实时采集传感器的数据并通过无线方式发送到服务器、监控电脑或智能手机上。

9.根据权利要求8所述的全立面网格化导线式边坡监测系统，其特征在于：所述服务器、监控电脑或智能手机上装有自动分析和评估软件，若位移和应力等超过控制标准值，及时报警，并发送信息到有关管理人员的手机上。

10.权利要求1-9任一一项所述的全立面网格化导线式边坡监测系统进行监测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照权利要求1-9所述的监测系统进行安装固定；

2)数据采集箱中的数据采集模块进行实时采集数据，并通过无线网络传输装置将传感器的监测数据实时传输给监控中心服务器、监控电脑或智能手机；

3)服务器、监控电脑或智能手机上装有专用配套的分析及评估软件，对实时监控数据进行自动分析和评估，若位移速率和拉力增量超过控制标准，及时报警，并发送短信到有关管理人员的手机上。

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