CN115198815B - 基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统及施工方法 - Google Patents

基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统，该系统包括压电自传感土工电缆、信号采集模块、无线通信模块以及数据分析模块；所述压电自传感土工电缆铺设在边坡内部，所述信号采集模块包括电压采集模块与阻抗采集模块，所述电压采集模块和阻抗采集模块分别连接到压电自传感土工电缆的正负极上，所述信号采集模块与无线通信模块电连接，所述无线通信模块与数据分析模块通信连接。本发明作为一种全寿命周期分布式的边坡监测系统，利用压电自传感土工电缆监测精度高、传感距离长、防电磁干扰防腐蚀等优点，对边坡剪切带和滑裂面进行精准识别，有利于揭示水‑热‑力耦合作用下土体内部变形、破坏、失稳的演化过程与机制。

Description

基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统及 施工方法
技术领域
本发明涉及边坡内部变形检测技术，特别涉及基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统及施工方法。
背景技术
边坡建设及运维过程中的智能化监测受到人们的广泛关注，在渗流场、温度场及动应力场等多场耦合作用下，边坡容易出现内部变形而发生渐进性破坏，最终导致路堤塌陷、流态化滑坡及崩塌等工程事故。因此，有必要对边坡变形开展全寿命周期的实时精细化监测预警，有效地保障边坡使用安全。
边坡监测技术包括表面监测技术和内部监测技术，表面变形监测技术包括全球导航卫星系统、地面激光扫描技术和合成孔径雷达干涉测量技术等，发展较为成熟。然而大量证据表明，只有土体内部损伤发展到一定程度时，外部变形指标才会有明显的变化，因此单一的边坡表面变形监测会导致预警不及时且没有充足的时间去分析和判断。研究人员又尝试使用声发射、粒子图像测速、X射线断层摄影等技术来测量土体应变，然而这些技术的土壤渗透范围有限，使得它们停留在实验室试验阶段。
内部变形监测以点式测量手段为主，如应变片、测斜仪、光纤光栅传感器等，无法对土体进行全面监测，且存在安装效应显著、应变测量范围小、存活率低等问题。基于布里渊散射的分布式光纤技术(如BOTDA、BOTDR、BOFDA等)光纤应变测量范围仅为2％，且解调仪价格昂贵导致目前无法实现大面积应用；基于时域反射技术(TDR)的同轴电缆可确定边坡滑动面的位置，但无法确定滑坡移动的方向，难以准确测量边坡的位移量。因此，开发一种边坡全寿命周期内部变形分布式监测预警技术具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统，并将施工方法进行流程规范化，可实现路堤及边坡内部变形的灾变定位、前兆识别及多级预警功能，为边坡地质灾害监测预警和风险评估提供一种全新的解决方案。
技术方案：本发明的一种基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统，包括压电自传感土工电缆、信号采集模块、无线通信模块以及数据分析模块；所述压电自传感土工电缆铺设在边坡内部，所述信号采集模块包括电压采集模块与阻抗采集模块，所述电压采集模块和阻抗采集模块分别连接到压电自传感土工电缆的正负极上，所述信号采集模块与无线通信模块电连接，所述无线通信模块与数据分析模块通信连接；
当边坡内部发生损伤时，在剪切带处的压电自传感土工电缆会受到拉伸、拉拔及剪切作用，电缆的电压和阻抗发生变化，信号采集模块将采集到的电压和阻抗信号通过无线传输模块传输到数据分析模块，数据分析模块对接收的信号进行分析，判断边坡内部出现的失效模式，实现边坡内部变形的实时监测。
进一步，所述压电自传感土工电缆为同轴线缆，从内至外分别为聚偏二氟乙烯压电薄膜、正极导电芯、负极铜编织层和绝缘聚乙烯护套。
进一步，所述电压采集模块采集压电自传感土工电缆的信号为开路电压，计算开路电压的峰值电压和有效值电压，并将峰值电压和有效值电压通过无线传输模块传输给数据分析模块。
进一步，所述阻抗采集模块采集压电自传感土工电缆的信号为阻抗，将阻抗进行计算得到归一化阻抗，将归一化阻抗值通过无线传输模块传输给数据分析模块。
进一步，所述数据分析模块通过接收到的峰值电压、有效值电压和归一化阻抗值，对边坡内部变形的失效模式进行判断，并进行相应的预警。
进一步，所述边坡内部变形的失效模式包括拉伸失效模式、拉拔失效模式、单调剪切失效模式及循环剪切失效模式。
进一步，所述无线传输模块分别与太阳能板、风力发电机和道路压电能量采集器进行连接。
本发明的一种实施基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统中电缆的施工方法，包括以下步骤：采用改进型水平定向钻机在边坡的坡面打孔，打孔完成后，将钻头退出并换上空心钢导管，在顶部牵引锥头连接压电自传感土工电缆，将压电自传感土工电缆微倾斜布设在孔内，压电自传感土工电缆导入完成后，抽出空心钢导管，并向孔道注入砂浆回填密实。
进一步，所述改进型水平定向钻机的钻头为微型化钻头。
进一步，所述改进型水平定向钻机的尾部设置有泥浆固化剂喷射装置。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明作为一种全寿命周期分布式的边坡监测系统，采用的压电自传感土工电缆具有监测精度高、传感距离长、防电磁干扰防腐蚀的优势，可对边坡剪切带和滑裂面进行精准识别，对边坡土体位移和位移速率进行量化计算，有利于揭示水-热-力耦合作用下土体内部变形、破坏、失稳的演化过程与机制；
2、本发明作为一种低成本的边坡监测系统，压电自传感土工电缆本身成本小于30元/米，阻抗即电压采集仪由示波器和阻抗分析仪原理集成，且由于测试频率和采样率要求较低，成本小于3万元/台，有望解决分布式监测成本居高不下的难题；
3、本发明作为一种自驱动自传感的监测系统，压电自传感土工电缆功耗较低，可以采用太阳能、车辆振动压电能以及电磁发电风能等自然环境能量回收的方式，对远程无线长期监测系统进行供电，有望解决供电难、布线难、传输难的问题；
4、本发明作为一种无损的边坡内部电缆施工方法，压电自传感土工电缆直径仅为2.7mm，采用钻头微型化的水平定向钻机钻孔，对边坡土体扰动小，孔道注入砂浆回填密实，增强压电自传感土工电缆与土体的耦合变形。
附图说明
图1为分布式压电自传感土工电缆边坡监测示意图；
图2为压电自传感土工电缆结构示意图；
图3为拉伸应变-归一化阻抗曲线；
图4为拉拔力-归一化阻抗曲线；
图5为剪切位移-剪切应力-归一化阻抗曲线；
图6为循环剪切时间-电压曲线；
图7为失效模式判断及预警流程示意图；
图8为改进型水平定向钻机对电缆施工示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
本实施例所述的一种基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统，包括压电自传感土工电缆、信号采集模块、无线通信模块以及数据分析模块。压电自传感土工电缆铺设在边坡内部，信号采集模块包括电压采集模块与阻抗采集模块，电压采集模块和阻抗采集模块分别连接到压电自传感土工电缆的正负极上，信号采集模块与无线通信模块电连接，无线通信模块与数据分析模块通信连接。
如图1所示，当边坡1内部土体发生损伤时，形成连续的滑裂面2，在剪切带处的压电自传感土工电缆3会受到拉伸作用4、拉拔作用5及剪切作用6，同时监测到阻抗及电压采集点7信号的变化，该信号通过GPRS基站8传输至软件管理平台9进行算法分析。如图2所示，压电自传感土工电缆SPGC为同轴线缆，从内至外分别为聚偏二氟乙烯压电薄膜14、正极导电芯15、负极铜编织层16和绝缘聚乙烯护套17。正极导电芯15由根镀锡铜丝阻抗组成，单根直径为0.09mm，负极铜编织层16由50根铜丝组成，单根直径为0.04mm。压电电荷常数d33为20，电容C为1400pF/m，介电损耗D为0.08，使用温度T范围为-20至70℃，拉伸强度σT为53.6MPa，断裂伸长率δ为45.46％。聚偏二氟乙烯压电薄膜14的厚度仅为30μm，电缆直径为2.7mm。压电自传感土工电缆为多段连接测试的分布式传感器，压电自传感土工电缆中每一个通道对应边坡不同位置，通过监测不同通道的电压和阻抗变化对土体灾变进行准确定位，同时具有防电磁干扰、防化学腐蚀及机械损伤的功能。
电压采集模块采集压电自传感土工电缆的信号为开路电压，计算开路电压的峰值电压和有效值电压，并将峰值电压和有效值电压通过无线传输模块传输给数据分析模块，采集电压时采样率大于100S/s。
阻抗采集模块采集压电自传感土工电缆的信号为阻抗，将阻抗进行计算得到归一化阻抗，将归一化阻抗值通过无线传输模块传输给数据分析模块，采集阻抗时的采样频率为1kHz，采样率大于10S/s。
数据分析模块通过接收到的峰值电压、有效值电压和归一化阻抗值，对边坡内部变形的失效模式进行判断，并进行相应的预警。边坡内部变形的失效模式包括拉伸失效模式、拉拔失效模式、单调剪切失效模式及循环剪切失效模式。
无线传输模块分别与太阳能板11、风力发电机12和道路压电能量采集器13进行连接，协同为无线传输模块进行供电。无线传输模块可采用GPRS基站方式以实现数据的无线传输。
在边坡监测之前，根据多次试验分别建立拉伸作用、拉拔作用及剪切作用与阻抗的关系，拟合对应的计算模型，分别为：
(1)拉伸应变-归一化阻抗计算模型表达式如下，对应曲线如图3所示：
式中，kZ为归一化阻抗，Zs为试验初始阻抗值，Z0为受力后阻抗值，εT为拉伸应变；d1为归一化阻抗曲线拐点处对应的拉伸应变大小，a1、b1、c1、a2、b2为拉伸阻抗系数，这些系数的取值在单一拉伸作用下仅与压电自传感土工电缆材料特性相关；
(2)拉拔力-归一化阻抗计算模型表达式如下，对应曲线如图4所示：
式中，Dd为拉伸应变；a3、b3为拉拔阻抗系数，这两个系数的取值在单一拉拔作用下与SPGC及黏土材料特性、压电自传感土工电缆-黏土界面所受到的应力场和位移速率场相关；
(3)剪切应变-归一化阻抗计算模型表达式如下，对应曲线如图5所示：
式中，Ds为剪切位移；a4、b4、a5、b5为单调剪切阻抗系数，d2为归一化阻抗下降速率拐点处对应的剪切位移大小，这些系数的取值与SPGC及黏土材料特性、SPGC-黏土界面所受到的应力场和位移速率场相关。
图6是循环剪切失效模式下的剪切位移-电压曲线，这表明压电自传感土工电缆3可以作为一种分布式的压电式地震检波器，在监测边坡内部变形的同时对震区地声信息起到重要的观测作用。
当边坡内部发生损伤时，会形成连续的滑裂面，在剪切带处的压电自传感土工电缆会受到拉伸作用、拉拔作用及剪切作用，电缆的电压和阻抗发生变化，信号采集模块将采集到的电压和阻抗信号通过无线传输模块传输到数据分析模块，数据分析模块对接收的信号进行分析，判断边坡内部出现的失效模式，实现边坡内部变形的实时监测。为边坡灾变准确判断，在监测同时通过高清摄像头10拍摄照片，基于数字摄影技术分析边坡表面变形，结合表面变形对边坡内部变形进行判断。
如图7所示，当边坡内部发生损伤时，信号采集模块采集到的归一化阻抗下降并出现电压变化，根据电缆中设置的不同通道定位边坡内部发生灾变的位置，确定剪切是否发生剪切带形成滑裂面，若形成滑裂面则直接进行预警；然后，根据阻抗曲线形状特征判断边坡内部出现的失效模式：
(1)如果为拉伸失效模式，根据拉伸应变-归一化阻抗计算模型计算应力应变，并结合电压二级预警确定边坡内部是否发生拉伸破坏，若电压和应力应变超过预先设置的阈值，则进行预警，否则继续判断失效模式；
(2)如果为拉拔失效模式，根据拉拔力-归一化阻抗计算模型计算拉拔力，判断拉拔力和归一化阻抗是否成二次函数减小，并结合电压是否超过预先设置的阈值，判断边坡内部是否发生拉拔破坏，若是则进行预警，否则继续判断失效模式；
(3)如果为单调剪切失效模式，根据剪切应变-归一化阻抗计算模型计算剪切位移，通过下降阻抗是否出现转折点判断电缆是否发生剪切硬化或者软化进行残余剪切阶段，并结合剪切位移是否超过阈值进行判断，若是则进行预警，否则继续判断失效模式；
(4)如果为循环剪切失效模式，依据是否产生循环电压信号以及是否逐渐减小判断电缆是否松弛，若是则进行预警，否则继续判断失效模式。
本发明所述的一种实施基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统中电缆的施工方法，包括以下步骤：采用改进型水平定向钻机18在边坡的坡面打孔，打孔完成后，将钻头退出并换上空心钢导管，在顶部牵引锥头21连接压电自传感土工电缆，将压电自传感土工电缆微倾斜布设在孔内，压电自传感土工电缆导入完成后，抽出空心钢导管20，并向孔道注入砂浆回填密实。改进型水平定向钻机18的钻头为微型化钻头19，改进型水平定向钻机18的尾部设置有泥浆固化剂喷射装置，如图8所示。

Claims (8)

1.基于压电自传感土工电缆的边坡内部变形分布式监测系统，其特征在于，该系统包括压电自传感土工电缆、信号采集模块、无线通信模块以及数据分析模块；所述压电自传感土工电缆铺设在边坡内部，所述信号采集模块包括电压采集模块与阻抗采集模块，所述电压采集模块和阻抗采集模块分别连接到压电自传感土工电缆的正负极上，所述信号采集模块与无线通信模块电连接，所述无线通信模块与数据分析模块通信连接；
当边坡内部发生损伤时，在剪切带处的压电自传感土工电缆会受到拉伸、拉拔及剪切作用，电缆的电压和阻抗发生变化，信号采集模块将采集到的电压和阻抗信号通过无线传输模块传输到数据分析模块，数据分析模块对接收的信号进行分析，判断边坡内部出现的失效模式，实现边坡内部变形的实时监测；
所述数据分析模块通过接收到的峰值电压、有效值电压和归一化阻抗值，对边坡内部变形的失效模式进行判断，并进行相应的预警；
所述边坡内部变形的失效模式包括拉伸失效模式、拉拔失效模式、单调剪切失效模式及循环剪切失效模式；
根据多次试验分别建立拉伸作用、拉拔作用及剪切作用与阻抗的关系，拟合对应的计算模型，分别为：
(1)拉伸应变-归一化阻抗计算模型表达式如下：
式中，kZ为归一化阻抗，Zs为试验初始阻抗值，Z0为受力后阻抗值，εT为拉伸应变；d1为归一化阻抗曲线拐点处对应的拉伸应变大小，a1、b1、c1、a2、b2为拉伸阻抗系数；
(2)拉拔力-归一化阻抗计算模型表达式如下：
式中，Dd为拉伸应变；a3、b3为拉拔阻抗系数；
(3)剪切应变-归一化阻抗计算模型表达式如下：
式中，Ds为剪切位移；a4、b4、a5、b5为单调剪切阻抗系数，d2为归一化阻抗下降速率拐点处对应的剪切位移大小；
根据阻抗曲线形状特征判断边坡内部出现的失效模式：
(11)如果为拉伸失效模式，根据拉伸应变-归一化阻抗计算模型计算应力应变，并结合电压二级预警确定边坡内部是否发生拉伸破坏，若电压和应力应变超过预先设置的阈值，则进行预警，否则继续判断失效模式；
(12)如果为拉拔失效模式，根据拉拔力-归一化阻抗计算模型计算拉拔力，判断拉拔力和归一化阻抗是否成二次函数减小，并结合电压是否超过预先设置的阈值，判断边坡内部是否发生拉拔破坏，若是则进行预警，否则继续判断失效模式；
(13)如果为单调剪切失效模式，根据剪切应变-归一化阻抗计算模型计算剪切位移，通过下降阻抗是否出现转折点判断电缆是否发生剪切硬化或者软化进行残余剪切阶段，并结合剪切位移是否超过阈值进行判断，若是则进行预警，否则继续判断失效模式；
(14)如果为循环剪切失效模式，依据是否产生循环电压信号以及是否逐渐减小判断电缆是否松弛，若是则进行预警，否则继续判断失效模式。
2.根据权利要求1所述的边坡内部变形分布式监测系统，其特征在于，所述压电自传感土工电缆为同轴线缆，从内至外分别为聚偏二氟乙烯压电薄膜、正极导电芯、负极铜编织层和绝缘聚乙烯护套。
3.根据权利要求1所述的边坡内部变形分布式监测系统，其特征在于，所述电压采集模块采集压电自传感土工电缆的信号为开路电压，计算开路电压的峰值电压和有效值电压，并将峰值电压和有效值电压通过无线传输模块传输给数据分析模块。
4.根据权利要求1所述的边坡内部变形分布式监测系统，其特征在于，所述阻抗采集模块采集压电自传感土工电缆的信号为阻抗，将阻抗进行计算得到归一化阻抗，将归一化阻抗值通过无线传输模块传输给数据分析模块。
5.根据权利要求1所述的边坡内部变形分布式监测系统，其特征在于，所述无线传输模块分别与太阳能板、风力发电机和道路压电能量采集器进行连接。
6.一种实施权利要求1至5中任一项所述的边坡内部变形分布式监测系统中电缆的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：采用改进型水平定向钻机在边坡的坡面打孔，打孔完成后，将钻头退出并换上空心钢导管，在顶部牵引锥头连接压电自传感土工电缆，将压电自传感土工电缆微倾斜布设在孔内，压电自传感土工电缆导入完成后，抽出空心钢导管，并向孔道注入砂浆回填密实。
7.根据权利要求6所述的电缆的施工方法，其特征在于，所述改进型水平定向钻机的钻头为微型化钻头。
8.根据权利要求6所述的电缆的施工方法，其特征在于，所述改进型水平定向钻机的尾部设置有泥浆固化剂喷射装置。
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