CN111323153B - 利用光纤光栅传感器实现的泥石流冲击信号判别方法与泥石流爬高运动特征测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用光纤光栅传感器实现的泥石流冲击信号判别方法与泥石流爬高运动特征测量方法。针对现有技术对于泥石流爬高仅能采用内业计算的单一构思，本发明提供一种利用光纤光栅传感器实现的泥石流冲击信号判别方法。该方法利用光纤光栅传感器采集的泥石流冲击信号的能量特征，选取判别参量作为指标，配合标准差检测值对冲击信号加以计算检验，以实现对泥石流冲击信号的准确判别。据此，本发明还提供一种泥石流爬高运动特征测量方法。该方法将对泥石流爬高的测量问题转变为冲击位点确认问题，通过合理布设监测桩测量泥石流爬高冲击运动特征，再结合冲击臂测量方法测量得到泥石流爬高值。
Description
技术领域
本发明涉及一种泥石流运动特征测算方法，特别是涉及一种泥石流冲击信号判别方法以及据此实现的泥石流爬高运动特征的测量方法，属于信号监测分析、泥石流灾害防治技术领域。
背景技术
泥石流行进中若遭遇弯道、障碍物或沟道突然变窄时，发生动能转化为势能，形成爬高现象。爬高冲击剧烈程度下可达十几米高，对沟道岸坡上建筑物和沟道工程均产生强烈破坏。
泥石流爬高运动的监测是泥石流危害监测预警中的重要组成，泥石流爬高的计算也是泥石流防治工程设计的重要参数之一。
现有技术计算泥石流爬高主要是采用各种基于泥石流动能与势能转换的计算式(赵海鑫等，泥石流最大爬高计算的试验研究，《自然灾害学报》2017年2月)，只是不同计算式间有形式上的区别。现有技术对泥石流爬高运动的监测则主要借助传统传感器(例如泥位计)实现。这类手段在工作过程中存在明显缺陷：其一、泥石流沟道内一般需要进行物源的累积，在特定的降水条件激发下，才有可能发生泥石流，展现出低频或高频的爆发特性。当传感器面向的是低频泥石流沟时，常规传感器就会存在因长时间服役而日益老化的缺陷，需要定期的更新传感器甚至整个监测设备，监测成本高；其二、野外监测条件下，常规传感器一般需要较长的电缆传递电压或电流信号，电缆的电阻效应，影响数据的可靠性，进而影响监测数据的可信度；其三、泥石流爆发一般伴随着恶劣的气候天气，常规传感器极易受到外界雷电的干扰，影响信号的稳定传输。
尽管光纤光棚传感器能够克服现有上述缺陷且在泥石流运动研究中已有较多实验应用，但现有技术尚未将其应用到泥石流爬高的研究中，尤其是缺乏利用光纤光棚传感器构建一套能够对泥石流爬高运动特征的多项指标进行监测测量的方案。中国专利一种接触式泥石流监测装置(ZL2015207844148)公开了一种布置在泥石流沟道中的接触式泥石流监测装置，利用光纤光栅传感器监测泥石流冲击运动。中国专利泥石流冲击力测量(ZL2016101221621)方法进一步提供了利用该类监测装置测量泥石流冲击力的配套方案。但是，该监测装置是通过下部区域固定在泥石流沟道底床中，柱状监测桩上部区域露出底床表面并安装光纤光栅传感器用于测量泥石流相关参数数据。当泥石流发生爬高时，会淤埋沟道中的柱状监测桩，从而无法实现对泥石流爬高运动的监测。若简单将柱状监测桩布置在泥石流沟道以外，又容易产生岸边各种环境因素影响降低监测性能致使预报信息不准确的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种利用光纤光栅传感器实现的泥石流爬高运动特征测量方法。
为实现上述目的，本发明首先提供一种利用光纤光栅传感器实现的泥石流冲击信号判别方法，其技术方案如下：
一种利用光纤光栅传感器实现的泥石流冲击信号判别方法，其特征在于：
步骤S1，在泥石流冲击监测区内的同一监测位点布置n,n≥4个应变光纤光栅传感器(1)，采集振动信号；
步骤S2，当所有应变光纤光栅传感器(1)振动信号发生波长偏移时，判断波长偏移部分信号为疑似冲击信号；
步骤S3，分别计算每一应变光纤光栅传感器(1)的疑似冲击信号中的判别参量以及各判别参量的标准差S，所述判别参量是振动信号中与振动能量和/或波形有关的特征参量；
步骤S4，当所有应变光纤光栅传感器(1)的疑似冲击信号均符合
式1时，判别疑似冲击信号为泥石流冲击信号：
|S-SD|≤ε 式1
式中，S－各判别参量的标准差，步骤S3计算确定，
SD—各判别参量的标准差检测值，经泥石流冲击模拟实验计算确定，
ε—判别参量检测容差，根据工程条件确定。
上述泥石流冲击信号判别方法技术目标是，对于应变光纤光栅传感器中采集到的所有振动信号，通过信号分析筛除非泥石流冲击产生的振动信号，从而识别出振动信号中真正由泥石流冲击产生的振动信号。方法的技术原理主要在于：本发明泥石流冲击信号判别方法采用应变光纤光栅传感器测量冲击振动数据，受外部保护的应变光纤光栅传感器(达到领域内应变光纤光栅传感器保护性安装时的常规手段即可)极为稳定，很难受到外部的风、雷电、马达等噪音的干扰。受到的外部冲击荷载经过监测桩的应变传递到光栅之后，应变波动曲线较为均匀，具有较小的离散性，并且这种特征在与振动能量和/或波形有关的特征参量中表现尤其突出。因此，由泥石流冲击产生的振动信号经傅里叶变化后，结果显示出卓越频率特征显著，且其他的冲击信号特征也能够保持相对的平稳，与室内试验获取的冲击信号的特征参数的差异不会特别大。
在优选条件下，本发明甄别筛选出三个有良好判别准确度的判别参量，分别是短时过零率R0、峰值频率Pf、谱线宽度wd。进一步地，本发明还提供三个判别参量的标准差检测值，分别是短时过零率R0标准差检测值SDR＝0.03、峰值频率Pf标准差检测值SDP＝0.33、谱线宽度wd标准差检测值SDW＝1.19。
以本发明泥石流冲击信号判别方法为基础，本发明进一步提供一种利用光纤光栅传感器实现的泥石流爬高运动特征测量方法，其技术方案如下：
一种利用上述利用光纤光栅传感器实现的泥石流冲击信号判别方法实现的泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于：所述步骤S1中，泥石流冲击监测区选址为泥石流爬高监测区，在监测位点设置至少一柱状监测桩，柱状监测桩地面点P与泥石流沟床底部垂直距离hc，n个应变光纤光栅传感器以不同水平高度且等间距b布置在柱状监测桩同一侧面上，柱状监测桩上无应变光纤光栅传感器(1)侧面朝向泥石流来向；所述步骤S4结束后执行步骤S5；
步骤S5，比较采集到泥石流冲击信号的各应变光纤光栅传感器(1)的泥石流冲击信号中心波长偏移特征，根据波长峰值跌坎特征确定泥石流冲击力臂hf，所述泥石流冲击力臂hf是泥石流冲击点距离P点的高度，依式2计算泥石流爬高值H：
H＝hc+hf 式2。
上述泥石流爬高运动特征测量方法基本构思是：将纵向排布有n个应变光纤光栅传感器(1)的柱状监测桩布置在泥石流爬高监测区内，并通过实施本发明泥石流冲击信号判别方法确定传感器采集的振动信号是由泥石流冲击产生，然后比较各应变光纤光栅传感器(1)中心波长偏移特征，将波长峰值出现明显跌坎且距离柱状监测桩基部P点最远的应变光纤光栅传感器(1)外侧的长段为b的区域确定为泥石流冲击区域，这样自柱状监测桩基部P点起至泥石流冲击区域即为泥石流爬高冲击力臂hf，hf与hc之和即为泥石流爬高值H。对hf计算方法更具体的描述参见ZL2016101221621。
上述泥石流爬高运动特征测量方法的优化之一是对泥石流爬高监测区的划定。泥石流爬高监测区应当符合两个条件：条件一是选择在坡度θ＝10°～15°的泥石流沟道段的岸坡上。这是因为泥石流爬高随着沟道迎面坡度的增加而增加，但变化总趋势以沟道迎面坡度约20°为分界线：当沟道迎面坡度小于20°时，泥石流爬高现象敏感程度高，反之则较低。因此，理想的泥石流爬高监测区应该选择在泥石流沟道坡度θ＝10°～15°的沟道岸坡上。条件二是爬高监测区边界不超出历史记录的泥石流爬高后在岸坡上的堆积区最大边界。堆积区边界可以由两个参数界定，分别是沿泥石流沟道方向上的堆积宽度Wdf、垂直泥石流沟道方向上历史堆积物距离岸坡前缘点的间距Ldf。Wdf、Ldf均可通过现场调查泥石流沟道的历史堆积数据确定。由于对泥石流爬高的计算通常是泥石流防治工程设计的需要，其工程地点多是在已发生过泥石流的地点，所以现场调查泥石流沟道的历史堆积数据一般容易获得。但对于一些特殊情况，比如泥石流历史堆积痕迹被破坏，则会出现Wdf、Ldf较难确定，条件二无法满足的情况。为此，本发明进一步提供条件三，用以替代条件二。条件三是以岸坡最前缘为圆心，以L为半径画圆，圆与沟道岸边相相交的范围即是泥石流爬高监测区的范围。L依式3、式4计算：
v＝Q/S 式4
式中，L—泥石流爬高监测区匡算半径，单位m，
v—柱状监测桩所在泥石流沟道横断面的泥石流最大流速，单位m/s，
θ—泥石流沟道坡度，单位°，现场调查确定，
g—重力加速度常数，
Q—百年一遇条件下的泥石流峰值流量，单位m3/s，根据水文手册计算确定，
S－泥石流沟道过流断面面积，单位m2，现场调查确定。
上述泥石流爬高运动特征测量方法的优化之二是除在泥石流爬高监测区内布置柱状监测桩外，在泥石流爬高监测区边界外周边区域可同时布置至少一柱状监测桩作为参照桩。参照桩采集到的振动信号作为泥石流冲击的辅助判断数据，具体是：一般而言，监测桩与参照桩未受到任何外界影响下，应该处于一致的0变形状态；当发生泥石流爬高冲击时，位于爬高监测区以外的参照桩即便受扰动发生应变波动，其判别参量的数据特征会与监测桩不一致。因而，若在测量过程中出现监测桩与参照桩数据同时发生一致的应变波动的情况，则可以初步判断为两桩的应变波动是由某些外部干扰造成(如强风荷载作用)。只有当监测桩出现明显的应变波动，且参照桩未出现波动，或应变波动数据明显不同时，才表明监测桩可能受到了泥石流的爬高冲击，需要进一步启动数据分析过程。
上述泥石流爬高运动特征测量方法的优化之三是对柱状监测桩结构参数加以匡算，以提高对泥石流爬高监测的实用性。柱状监测桩的主要结构参数是柱状监测桩高度h，其匡算方法是利用百年一遇条件下的设计流量与流速匡算监测区处泥石流最大爬高匡算值Hp作为柱状监测桩高度h的最小值。具体是依式4、式5计算Hp：
式中，Hp—泥石流最大爬高匡算值，单位m，
a－修正系数，根据现场条件确定，一般取值1.6。
上述利用光纤光栅传感器实现的泥石流爬高运动特征测量方法，除在步骤S5测量泥石流爬高值H外，还能利用应变光纤光栅传感器采集数据测量泥石流爬高冲击力及其分布与变化特征。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明泥石流冲击信号判别方法能够在泥石流运动监测中对应变光纤光栅传感器采集的振动信号进行分析，识别出其中由泥石流冲击产生的信号，能够显著提高监测结果的有效性与准确性。(2)本发明泥石流爬高运动特征测量方法充分利用光纤光栅传感器应变数据稳定的特征，从泥石流冲击运动的角度解决泥石流爬高测量的问题，突破了现有技术始终利用基于能量转换与平均流速视角测算泥石流爬高的传统思路，是一种新的技术构思。本发明能够测算泥石流爬高运动数据，并能通过选择爬高监测区域、借助参照数据、优化监测桩结构三项手段整体提高测算方法的有效性与经济性。尤其是，泥石流爬高运动特征测量方法充分利用了光纤光栅传感器的优越性，能够实现对泥石流爬高冲击力分布与变化特征的测量，这是现有技术无法实现的。
附图说明
图1泥石流爬高监测现场布置示意图(箭头所示为泥石流运动方向)。
图2是柱状监测桩结构示意图。
图3(a)是1#柱状监测桩的FBG4传感器(记为1#－FBG4)振动应变波动图(PM 8:10′3.4″～8:10′7.4″)。
图3(b)是2#－FBG4振动应变波动图(PM 8:10′3.4″～8:10′7.4″)。
图4(a)～图4(d)分别是2019年6月26日1#柱状监测桩上FBG1～FBG4传感器的监测数据图形(AM 10:13′7.5″～10:13′9.5″)。
图5(a)～图5(d)分别是2019年6月26日2#柱状监测桩上FBG1～FBG4传感器的监测数据图形(AM 10:13′7.5″～10:13′9.5″)。
图6是1#－FBG1～FBG4应变出现拐点示意图
附图中的数字标记分别是：
1应变光纤光栅传感器
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例一
以位于云南省昆明市东川区的蒋家沟泥石流沟道的实地数据为基础，采用本发明泥石流爬高运动特征测量方法测量该次泥石流的爬高运动特征。
1、数据来源
1.1泥石流爬高监测系统布置
图1是泥石流爬高监测现场布置示意图(箭头所示为泥石流运动方向)。
野外现场：完成蒋家沟野外现场调查考察。从蒋家沟泥石流沟道中选择一段坡度θ≈12°的弯道作为监测段。
划定泥石流爬高监测区：蒋家沟两岸几乎无任何植被覆盖，很难寻找出泥石流的历史活动痕迹，因而无法确定Wdf、Ldf，无法依据条件二划定爬高监测区边界。故而采用条件三：确定监测段的过流断面(图1中虚线S)，调查计算出过流断面面积S＝200m2；查阅据云南省水文手册确定蒋家沟百年一遇的峰值流量Q＝2600m3/s。将Q、S、θ代入式3、式4，计算有v＝13m/s、L＝2.8m。据此划定泥石流爬高监测区的范围。
设置监测桩：图2是柱状监测桩结构示意图。在泥石流爬高监测区内选择一处监测位点(主要根据施工便宜性选择)，在监测位点布置1#柱状监测桩(图1中示为1#)。柱状监测桩上以不同水平高度且等间距b＝1.2m布置四个应变光纤光栅传感器1(自上向下编号为FBG1、FBG2、FBG3、FBG4)。柱状监测桩上未贴有应变光纤光栅传感器1的一面朝向泥石流沟道。柱状监测桩地面点P与泥石流沟床底部垂直距离hc＝10m。依式4、式5计算有泥石流最大爬高匡算值Hp＝13.8m。柱状监测桩高度h设定为14m。在监测区边界外周边布置1个柱状监测桩作为参照桩，编号为2#柱状监测桩(图1中示为2#)。2#柱状监测桩结构参数同1#柱状监测桩。
1.2数据采集与监测
将各传感器与上位光纤光栅解调仪及监测中心连接。启动设备，并实时保存传感器应变数据。
2、数据处理
2.1判断疑似冲击信号
第一组：
2019年7月4日晚，1#和2#监测桩数据均出现明显动应变波动。图3(a)是1#柱状监测桩的FBG4传感器(记为1#－FBG4)振动应变波动图(PM 8:10′3.4″～8:10′7.4″)、图3(b)是2#－FBG4振动应变波动图(PM 8:10′3.4″～8:10′7.4″)。由于1#、2#柱状监测桩采集到相一致的应变信号，所以推断该信号并非泥石流冲击造成，不属于疑似冲击信号。后证实此次应变波动是由沟内大风天气所致。
第二组：
2019年6月26日上午10时13分8秒左右，1#和2#监测桩数据均出现明显动应变波动。图4(a)～图4(d)分别是2019年6月26日1#柱状监测桩上FBG1～FBG4传感器的监测数据图形(AM 10:13′7.5″～10:13′9.5″)。图5(a)～图5(d)分别是2019年6月26日2#柱状监测桩上FBG1～FBG4传感器的监测数据图形(AM 10:13′7.5″～10:13′9.5″)。对比图3、图4可知，1#监测桩内的4个FBG传感器均出现了明显的冲击信号(从8.3s开始显示出显著的动应变增高现象，最高的动应变值出现在FBG4传感器，最高达473.13με)，同期2#监测桩内的4个FBG传感器则基本保持平稳，探测的动应变值基本处于0值上下波动。因而可以判断1#柱状监测桩的数据变化属于疑似冲击信号。
2.2计算疑似冲击信号中的判别参量及其标准差
计算疑似冲击信号中的判别参量(短时过零率R0、峰值频率Pf、谱线宽度wd)，如表1。
表1疑似冲击信号特征数据
| 特征类型 | FBG 4 | FBG 3 | FBG 2 | FBG 1 |
| 最大微应变 | 473.13 | 370.78 | 214.62 | 195.26 |
| 短时过零率R<sub>0</sub> | 0.44 | 0.46 | 0.50 | 0.48 |
| 峰值频率P<sub>f</sub> | 33.12 | 32.44 | 33.12 | 33.12 |
| 谱线宽度w<sub>d</sub> | 11.78 | 14.37 | 12.38 | 12.03 |
计算各判别参量的标准差S，结果有：
短时过零率R0的标准差SR＝0.026，峰值频率Pf的标准差SP＝0.34，谱线宽度wd的标准差SW＝1.18。
2.3泥石流冲击信号判别
根据本次测量精度要求设置三个判别参量检测容差均为ε＝0.01。将上述各判别参量标准差代入式1进行判别，结果有：
|SR-SDR|＝|0.026-0.03|≤ε
|SP-SDP|＝|0.34-0.33|≤ε
|SW-SDW|＝|1.18-1.19|≤ε
由此判别该次疑似冲击信号为泥石流冲击信号。
2.4计算泥石流爬高值H
比较泥石流冲击信号的各应变光纤光栅传感器(1)的泥石流冲击信号中心波长偏移特征，根据波长峰值跌坎特征确定泥石流冲击力臂hf。具体参照ZL2016101221621实施例一“步骤S32、确定任意冲击力FX的冲击力臂Lim”过程。根据表1所示FBG1～FBG4应变值，出现应变拐点的位置介于FBG2与FBG3之间(图6是1#－FBG1～FBG4应变出现拐点示意图)。由此，可以判定泥石流爬高冲击位置介于传感器FBG2与FBG3之间。计算有hf＝1.2m～2.4m。将hf、hc代入式2，计算有H＝11.2m～12.4mm。
后经野外考察证实2019年6月26日确有泥石流的发生，上午10时13分左右泥石流运动至本实施例监测位置。对野外监测桩的泥痕表明：泥石流的冲击位置位于传感器FBG2与FBG3之间，证明本计算方法在评估泥石流爬高具有较好的可靠性。
Claims (8)
1.泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于：
步骤S1，在泥石流爬高监测区一监测位点设置至少一柱状监测桩，柱状监测桩地面点P与泥石流沟床底部垂直距离hc，n,n≥4个应变光纤光栅传感器(1)以不同水平高度且等间距b布置在柱状监测桩同一侧面上，柱状监测桩上无应变光纤光栅传感器(1)侧面朝向泥石流来向，应变光纤光栅传感器(1)采集振动信号，匡算泥石流爬高监测区处泥石流最大爬高匡算值Hp作为柱状监测桩高度h的最小值；依式4、式5计算Hp：v＝Q/S 式4
式中，v—柱状监测桩所在泥石流沟道横断面的泥石流最大流速，单位m/s，
Q—百年一遇条件下的泥石流峰值流量，单位m3/s，根据水文手册计算确定，
S－泥石流沟道过流断面面积，单位m2，现场调查确定，
g—重力加速度常数，
a－修正系数，根据现场条件确定或取值1.6；
步骤S2，当所有应变光纤光栅传感器(1)振动信号发生波长偏移时，判断波长偏移部分信号为疑似冲击信号；
步骤S3，分别计算每一应变光纤光栅传感器(1)的疑似冲击信号中的判别参量以及各判别参量的标准差S，所述判别参量是振动信号中与振动能量和/或波形有关的特征参量；
步骤S4，当所有应变光纤光栅传感器(1)的疑似冲击信号均符合式1时，判别疑似冲击信号为泥石流冲击信号：
|S-SD|≤ε 式1
式中，S－各判别参量的标准差，步骤S3计算确定，
SD—各判别参量的标准差检测值，经泥石流冲击模拟实验计算确定，
ε—判别参量检测容差，根据工程条件确定；
步骤S5，比较采集到泥石流冲击信号的各应变光纤光栅传感器(1)的泥石流冲击信号中心波长偏移特征，根据波长峰值跌坎特征确定泥石流冲击力臂hf，所述泥石流冲击力臂hf是泥石流冲击点距离P点的高度，依式2计算泥石流爬高值H：
H＝hc+hf 式2。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述判别参量是短时过零率R0、峰值频率Pf、谱线宽度wd。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：短时过零率R0标准差检测值SDR＝0.03、峰值频率Pf标准差检测值SDP＝0.33、谱线宽度wd标准差检测值SDW＝1.19。
4.根据权利要求1～3任一所述的泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于，所述泥石流爬高监测区的选址同时符合条件一、条件二：
条件一：位于坡度10°～15°的泥石流沟弯道段岸坡上；
条件二：爬高监测区边界不超出历史记录的泥石流爬高后在岸坡上的堆积区最大边界，堆积区最大边界由两个参数界定，分别是沿泥石流沟道方向上的堆积宽度Wdf、垂直泥石流沟道方向上历史堆积物距离岸坡前缘点的间距Ldf。
5.根据权利要求1～3任一所述的泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于，所述泥石流爬高监测区的选址同时符合条件一、条件三：
条件一：位于坡度10°～15°的泥石流沟弯道段岸坡上；
条件三：以岸坡最前缘为圆心，以L为半径画圆，圆与沟道岸边相交的范围即是泥石流爬高监测区的范围，L依式3、式4计算：
v＝Q/S 式4
式中，L—泥石流爬高监测区匡算半径，单位m，
v—柱状监测桩所在泥石流沟道横断面的泥石流最大流速，单位m/s，
θ—泥石流沟道坡度，单位°，现场调查确定，
g—重力加速度常数，
Q—百年一遇条件下的泥石流峰值流量，单位m3/s，根据水文手册计算确定，
S－泥石流沟道过流断面面积，单位m2，现场调查确定。
6.根据权利要求1～3任一所述的泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于，在泥石流爬高监测区边界外周边区域布置至少一柱状监测桩作为参照桩，当泥石流爬高监测区内外的柱状监测桩传感器数据同时发生一致的应变波动时，判断该应变波动非为疑似冲击信号，重回步骤S2监测。
7.根据权利要求4所述的泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于，在泥石流爬高监测区边界外周边区域布置至少一柱状监测桩作为参照桩，当泥石流爬高监测区内外的柱状监测桩传感器数据同时发生一致的应变波动时，判断该应变波动非为疑似冲击信号，重回步骤S2监测。
8.根据权利要求5所述的泥石流爬高运动特征测量方法，其特征在于，在泥石流爬高监测区边界外周边区域布置至少一柱状监测桩作为参照桩，当泥石流爬高监测区内外的柱状监测桩传感器数据同时发生一致的应变波动时，判断该应变波动非为疑似冲击信号，重回步骤S2监测。
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