CN113591347A - 一种高边坡施工过程中动态监测方法及预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及边坡监测技术领域，提供一种高边坡施工过程中动态监测方法及预警系统，所述监测方法的步骤为：利用三维地质建模软件建立高边坡的三维高程模型，并导出有限元软件可识别的数据接口文件；用有限元程序对高边坡的稳定性进行模拟分析；构件边界条件，自重应力场并根据强度折减法和极限平衡法分析得到高边坡潜在滑移面，建立高边坡监测范围及水平位移监测网；在高边坡监测范围及水平位移监测网内设置仪器进行动态检测；本发明所采的高边坡自动监测系统采用物联网感知技术自动化实时监测边坡参数，减少了人工成本与危险作业因素，同时利用多种类型传感器多参数采集边坡的各类岩土力学参数，提高了滑坡风险预报的及时性、可靠性及稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及边坡监测技术领域，尤其涉及一种高边坡施工过程自动化监测技术与数据处理预警系统。
背景技术
随着我国经济的发展，涌现出的基建需求带来了大量的边坡工程项目。在边坡治理施工过程中垮塌、滑坡等事故往往带来工程经济损失和人员伤亡。造成事故原因既有人为因素也有自然原因；人为因素如边坡开挖时石方爆破用药量较大导致垮塌；边坡开挖后没有相应的防护措施，导致边坡裸露在空气中，由于长时间大面积受自然因素的作用，边坡发生物理变化，失稳垮塌。自然因素如施工期间降雨丰富；边坡土质结构松软，开挖后土体丧失平衡力，引起滑移、倾覆；边坡地基岩性为页岩或夹层土质为膨胀土，降雨后此类土质遇水膨胀，引起垮塌；边坡地下水丰富，长期浸泡引起基脚塌方。例如中国专利文献CN111412890A公开了一种高边坡边坡监测方法，通过在项目施工区域范围内建立监测点；再在项目施工区域范围不同高度布置3个以上水准基准点，形成垂直位移监测网，以施工平面坐标系统为基准，在项目施工区域范围要布置3个以上平面基准点，形成平面位移监测网；采用标称精度的精密全站仪，按精密三角高程测量进行观测，通过对各点的周期性观测，得到各变形观测点的沉降变化；边坡监测一般采用全站仪或者量尺进行人工测量，人工操作存在误差大或者监测频率低等问题会导致边坡灾害的预警滞后，存在一定的安全隐患。边坡动态监测是实现信息化数字化施工、避免事故发生的一种有效手段，是完善和发展设计理论、设计方法和提高施工水平的重要方法。通过对边坡工程的自动化监测可以为边坡工程的施工及时提供反馈信息，对提高施工安全、施工效率和质量有较好效益。
发明内容
本发明提供一种高边坡施工过程中动态监测方法及预警系统，能对边坡施工过程实时自动化监测，全面了解边坡的状况，以期解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种高边坡施工过程中动态监测方法及预警系统，所述监测方法的步骤为：
(1)利用三维地质建模软件建立高边坡的三维高程模型，并导出有限元软件可识别的数据接口文件；
(2)用有限元程序对高边坡的稳定性进行模拟分析；
(3)构件边界条件，自重应力场并根据强度折减法和极限平衡法分析得到高边坡潜在滑移面，建立高边坡监测范围及水平位移监测网；
(4)在高边坡监测范围及水平位移监测网内设置仪器进行动态检测。
优选的，构件边界条件，自重应力场是有限元计算公式中初始条件设置，由实际边坡地质条件确定，作用是为了有限元计算可以收敛。
优选的，所述三维地质建模软件可以为CAD软件或GOCAD软件。
优选的，所述有限元软件可以为ABAQUS软件。
优选的，所述强度折减法理论对粘聚力和内摩擦角进行折减运算。
优选的，三维有限元强度折减法及破坏准则公式如下：
其中，
为内摩擦角c为粘聚力，
为折减后的内摩擦角c′为折减后的粘聚力，K取值为0.5-1.0。
进一步地，步骤(2)中，所述模拟分析包括对初始地应力场分析和施工过程荷载作用下的变形、应力以及塑性状态的分析。
进一步地，步骤(4)中，所述水平位移监测网在高边坡顶位置布置至少一个GNSS测量仪位移基准点，并设置初始高程坐标参数，GNSS测量仪实时采集基准点水平位移数据。
进一步地，步骤(4)中，所述水平位移检测网靠近高边坡坡顶的一端至少布置三组测斜管，所述测斜管沿着滑坡体插入高边坡的滑移面，根据测量土体深度在测斜管内部布置一组测斜仪，所述测斜仪均连接数据采集器，实时自动获取边坡深度水平位移数据。
进一步地，步骤(4)中，所述高边坡监测范围内布置雨量仪、渗流量监测仪和孔隙水压监测仪，所述雨量仪、渗流量监测仪和孔隙水压监测仪均连接数据采集器，实时自动获取降雨量、渗流量和孔隙水压数据等水力学参数。
优选的，所述雨量仪底座由混凝土保护墩进行固定，所述的渗流量监测仪通过钻孔进行埋设。
优选的，所述水平监控网内设有传感器监测点位和报警装置，所述传感器安装在混凝土保护墩上，所述混凝土保护墩设置在坚硬的岩层上或将混凝土保护墩与钢制构件连接并插入坚硬土层中。
进一步地，高边坡潜在滑移面垂直投影范围内建立水平位移监测网所述水平位移监控网的各基点水平间距设置为20m，所述水平位移监控网的各基点的由高边坡顶向坡尾方向布置。
进一步地，一种高边坡施工过程中动态监测预警系统，预警系统包括数据源监测单元、云平台处理单元和报警单元，所述数据源监测单元内设有数据采集器和通信模块，所述数据采集器自动采集GNSS测量仪、测斜仪、雨量仪、渗流量监测仪和孔隙水压监测仪的数据，所述数据采集器通过信模块将数据传输给所述云平台处理单元，所述云平台处理单元包括接收模块、存储模块、数据降噪/分析模块、预警模块和发送模块，所述接收模块接收所述数据采集器内的数据发送给所述存储模块进行数据存储，所述存储模块将数据传输到数据降噪/分析模块，所述数据降噪/分析模块将分析结果发送到预警模块，所述预警模块根据降噪/分析模块分析后的数据自动预警，所述预警模块连接所述发送模块，所述发送模块触发报警单元，所述报警单元包括现场报警器和移动终端，所述现场报警器和移动终端同时触发。
进一步地，所述三级预警机制的第一级预警值为，单个传感器超过规定的正常范围80％控制；
所述的三级预警机制的第二级预警值为，单个传感器超过正常范围控制；
所述的三级预警机制的第三级预警值为，两个及两个以上的传感器同时出现报警；
所述的第三级预警指令会触发报警机制，所述的报警指令会通过GPRS网络传输至现场报警器，提示现场人员疏散。
进一步地，所述预警模块预警的内容包括监测的实际坐标和高程与初始坐标和高程的偏差超出规定范围或监测的深层水平位移和水力学参数超出规定正常范围时发送异常情况信息。
进一步地，所述数据采集器由太阳能电池板供电，数据源监测单元通过GPRS网络将数据传输至云平台处理单元。
优选的，应定期对测量基准点、监测点、监测元器件的工作状况、保护情况进行巡查检查，保证监测精度。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所采的高边坡自动监测系统采用物联网感知技术自动化实时监测边坡参数，减少了人工成本与危险作业因素，同时利用多种类型传感器多参数采集边坡的各类岩土力学参数，提高了滑坡风险预报的及时性、可靠性及稳定性。
(2)本发明减少传统人工检测过程中的误差和人力使用量，同时现场仪器设备可以在恶劣的作业环境下实时采集数据，并具备数据处理和自动报警功能，表层位移、深层水平位移、水力学等不同类型的检测传感器的布置方案、多源数据三级自动预警系统进一步提高边坡灾害防治的准确性与可靠性。
附图说明
图1是本发明的监测方法流程图。
图2是本发明的为固定式测斜仪布置图。
图3是本发明的GNSS、孔隙水压力计、报警器布置图。
图4是本发明的结构流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。
如图1所示，本发明提供一种高边坡施工过程中动态监测方法及预警系统，其特征在于，所述监测方法的步骤为：
S1，利用三维地质建模软件建立高边坡的三维高程模型，并导出有限元软件可识别的数据接口文件；
优选的，所述三维地质建模软件可以为CAD软件或GOCAD软件。
优选的，所述有限元软件可以为ABAQUS软件。
S2，用有限元程序对高边坡的稳定性进行模拟分析；
所述模拟分析包括对初始地应力场分析和施工过程荷载作用下的变形、应力以及塑性状态的分析。
S3，构件边界条件，自重应力场并根据强度折减法和极限平衡法分析得到高边坡潜在滑移面3，建立高边坡监测范围及水平位移监测网1；
S4，在高边坡监测范围及水平位移监测网1内设置仪器进行动态检测。
在一些优选方案中，高边坡潜在滑移面3垂直投影范围内建立水平位移监测网所述水平位移监控网的各基点水平间距设置为20m，所述水平位移监控网的各基点的由高边坡顶向坡尾方向布置。
如图2-3所示，所述水平位移监测网1在高边坡顶位置布置至少一个GNSS测量仪位移基准点，并设置初始高程坐标参数，GNSS测量仪8实时采集基准点水平位移数据。
所述水平位移检测网靠近高边坡坡顶的一端至少布置三组测斜管，所述测斜管7沿着滑坡体插入高边坡潜在滑移面3，根据测量土体深度在测斜管7内部布置一组测斜仪6，所述测斜仪6均连接数据采集器，实时自动获取边坡深度水平位移数据。
图2中标号2表示高边坡基体，标号4表示高边坡坡体，高边坡基体2的上表面形成具有一定形状的高边坡潜在滑移面3，在高边坡发生滑移的时候，高边坡坡体4整体或者部分可能会沿着高边坡潜在滑移面3发生滑移。
所述高边坡监测范围内布置雨量仪11、渗流量监测仪12和孔隙水压监测仪，所述雨量仪11、渗流量监测仪12和孔隙水压监测仪均连接数据采集器，实时自动获取降雨量、渗流量和孔隙水压数据等水力学参数。
优选的，所述雨量仪底座由混凝土保护墩9进行固定，所述的渗流量监测仪通过钻孔进行埋设。
优选的，所述水平监控网内设有传感器监测点位和报警装置，所述传感器安装在混凝土保护墩9上，所述混凝土保护墩9设置在坚硬的岩层上或将混凝土保护墩9与钢制构件连接并插入坚硬土层中。
如图4所示，预警系统包括数据源监测单元、云平台处理单元和报警单元，所述数据源监测单元内设有数据采集器和通信模块，所述数据采集器自动采集GNSS测量仪、测斜仪、雨量仪、渗流量监测仪和孔隙水压监测仪的数据，所述数据采集器通过信模块将数据传输给所述云平台处理单元，所述云平台处理单元包括接收模块、存储模块、数据降噪/分析模块、预警模块和发送模块，所述接收模块接收所述数据采集器内的数据发送给所述存储模块进行数据存储，所述存储模块将数据传输到数据降噪/分析模块，所述数据降噪/分析模块将分析结果发送到预警模块，所述预警模块根据降噪/分析模块分析后的数据自动预警，所述预警模块连接所述发送模块，所述发送模块触发报警单元，所述报警单元包括现场报警器和移动终端，所述现场报警器和移动终端同时触发。
在一些优选方案中，所述三级预警机制的第一级预警值为，单个传感器超过规定的正常范围80％控制；
所述的三级预警机制的第二级预警值为，单个传感器超过正常范围控制；
所述的三级预警机制的第三级预警值为，两个及两个以上的传感器同时出现报警；
所述的第三级预警指令会触发报警机制，所述的报警指令会通过GPRS网络传输至现场报警器10，提示现场人员疏散。
在一些优选方案中，所述预警模块预警的内容包括监测的实际坐标和高程与初始坐标和高程的偏差超出规定范围或监测的深层水平位移和水力学参数超出规定正常范围时发送异常情况信息。
在一些优选方案中，所述数据采集器由太阳能电池板5供电，数据源监测单元通过GPRS网络将数据传输至云平台处理单元。
优选的，应定期对测量基准点、监测点、监测元器件的工作状况、保护情况进行巡查检查，保证监测精度。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
Claims (10)
1.一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，所述监测方法的步骤为：
(1)利用三维地质建模软件建立高边坡的三维高程模型，并导出有限元软件可识别的数据接口文件；
(2)用有限元程序对高边坡的稳定性进行模拟分析；
(3)构建边界条件，自重应力场并根据强度折减法和极限平衡法分析得到高边坡潜在滑移面，建立高边坡监测范围及水平位移监测网；
(4)在高边坡监测范围及水平位移监测网内设置仪器进行动态检测。
2.根据权利要求1所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述模拟分析包括对初始地应力场分析和施工过程荷载作用下的变形、应力以及塑性状态的分析。
3.根据权利要求1所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，步骤(4)中，所述水平位移监测网在高边坡顶位置布置至少一个GNSS测量仪位移基准点，并设置初始高程坐标参数。
4.根据权利要求1所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，步骤(4)中，所述水平位移检测网靠近高边坡坡顶的一端至少布置三组测斜管，所述测斜管沿着滑坡体插入高边坡的滑移面，根据测量土体深度在测斜管内部布置一组测斜仪。
5.根据权利要求1所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，步骤(4)中，所述高边坡监测范围内布置雨量仪、渗流量监测仪和孔隙水压监测仪。
6.根据权利要求1所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，所述水平位移监控网的各基点水平间距设置为20m，所述水平位移监控网的各基点的由高边坡顶向坡尾方向布置。
7.一种高边坡施工过程中动态监测预警系统，所述预警系统能够实现权利要求1-6所述的动态监测方法，其特征在于，所述预警系统包括数据源监测单元、云平台处理单元和报警单元，所述数据源监测单元内设有数据采集器和通信模块，所述数据采集器自动采集GNSS测量仪、测斜仪、雨量仪、渗流量监测仪和孔隙水压监测仪的数据，所述数据采集器通过信模块将数据传输给所述云平台处理单元，所述云平台处理单元包括接收模块、存储模块、数据降噪/分析模块、预警模块和发送模块，所述接收模块接收所述数据采集器内的数据发送给所述存储模块进行数据存储，所述存储模块将数据传输到数据降噪/分析模块，所述数据降噪/分析模块将分析结果发送到预警模块，所述预警模块根据降噪/分析模块分析后的数据自动预警，所述预警模块连接所述发送模块，所述发送模块触发报警单元，所述报警单元包括现场报警器和移动终端，所述现场报警器和移动终端同时触发。
8.根据权利要求7所述的预警系统，其特征在于，所述三级预警机制的第一级预警值为，单个传感器超过规定的正常范围80％控制；
所述的三级预警机制的第二级预警值为，单个传感器超过正常范围控制；
所述的三级预警机制的第三级预警值为，两个及两个以上的传感器同时出现报警；
所述的第三级预警指令会触发报警机制，所述的报警指令会通过GPRS网络传输至现场报警器，提示现场人员疏散。
9.根据权利要求7所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，所述预警模块预警的内容包括监测的实际坐标和高程与初始坐标和高程的偏差超出规定范围或监测的深层水平位移和水力学参数超出规定正常范围时发送异常情况信息。
10.根据权利要求7所述的一种高边坡施工过程中动态监测方法，其特征在于，所述数据采集器由太阳能电池板供电，数据源监测单元通过GPRS网络将数据传输至云平台处理单元。
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