CN211787441U - 一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统 - Google Patents

一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统 Download PDF

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黄翀垚
蹇永明
郭兴会
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Abstract

本实用新型公开了一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,该监测系统针对湿润性黄土高位滑坡的特点,在最高处设置监测基准点,在滑坡体设置观测站,适用于高位滑坡;同时针对高寒山区,雨水多,泥土含水量大的特点,采用雨量计以及土壤温湿度计,监测降水入渗对边坡的影响,进而能够考虑高寒山区冻融影响下,融雪水引发的滑坡;该系统可以监测高位滑坡大型滑坡体以及黄土滑坡后缘拉裂缝变化,适用于复杂地质条件的冻融、融雪水、湿陷性多因素影响下的滑坡预警。

Description

一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统
【技术领域】
本实用新型属于边坡监测技术领域,具体涉及一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统。
【背景技术】
近几十年来,全球气候转暖,常年冻土区和季节冻土区崩塌、滑坡等地质灾害频发,对人类生命财产安全造成严重威胁,已经引起了社会和业内高度关注。对于山区、丘陵以及黄土高原地区,滑坡种类多、分布广、危害大,严重制约着灾害多发地区的国民经济发展,威胁着人民生命财产安全。由于黄土层厚而结构较疏松,孔隙度大,柱状节理发育,易被侵蚀剥离,形成滑坡。
在我国西部山区,由于沟谷纵横、地形高差大、斜坡坡度大、地质条件复杂,为高位滑坡的易发地区。高位滑坡往往具有高位能效应且体积巨大,一旦启动将于极短时间内产生的巨大运动动能,造成重大人员伤亡和财产损失。由于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡机制与普通滑坡不同,在进行滑坡监测时需考虑春季融水、冻融循环的影响,以及如何防治山区地形下的高位滑坡的发生。
目前关于滑坡监测的方法可分为3类:①监测边坡位移变化,当发生较大位移时,发布预警信号;但该方法仅通过位移变化监测滑坡,监测数据单一。②监测滑坡相关因素,如降雨量、入渗量,通过相关因素建立相应的预警等级;但该方法因为地域得出的经验数据进而建立的预警系统,使得大多数的预警系统具有地域局限性;③监测与滑坡相关的多个因素,将监测数据进行后期相关性分析,提出滑坡预测模型,该方法考虑全面,但是对于高寒山区的湿陷性黄土却没有针对的模型,现有的模型未考虑积雪融水引发的滑坡灾害,不适用于高位滑坡以及深层大型滑坡。
【实用新型内容】
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,以解决现有的滑坡预测模型缺乏针对高寒山区的湿陷性黄土的模型。
为达到上述目的,本实用新型采用以下技术方案予以实现:
一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,所述监测系统设置在高位滑坡上,所述高位滑坡包括从上到下依次连接的上部区、滑坡体和下部区,滑坡体相对于水平面倾斜;
所述监测系统包括固定设置在上部区的GNSS基站和雨量计,上部区和滑坡体的连接处设置有GNSS观测站,滑坡体和下部区的连接处设置有GNSS观测站;每一个GNSS观测站旁均设置有一个土壤温湿度计。
本实用新型的进一步改进在于:
优选的,GNSS基站和雨量计固定设置在观测墩上,观测墩上还固定设置有空气温湿度计。
优选的,上部区上固定设置有裂缝计,裂缝计接近上部区和滑坡体的连接处。
优选的,每一个GNSS观测站旁固定设置有一个测斜仪,所述测斜仪埋入在地下。
优选的,最边部的两个测斜仪之间还设置有若干个测斜仪,所有的测斜仪等间距布置。
优选的,土壤温湿度计分别设置在地表以下的0.5m和0.8m处。
优选的,GNSS基站、雨量计、GNSS观测站和土壤温湿度计均通过太阳能供电系统供电。
优选的,所述太阳能供电系统包括太阳能板,太阳能板固定设置在立柱的上端,立柱的下端固定设置在上部区的地表下,所述太阳能板连接有蓄电池。
优选的,所述立柱的下端固定设置在水泥墩中,水泥墩固定设置在上部区的地表下。
优选的,GNSS基站、雨量计、GNSS观测站和土壤温湿度计均连接至数据采集箱。
与现有技术相比,本实用新型具有以下有益效果:
本实用新型公开了一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,该监测系统针对湿润性黄土高位滑坡的特点,在最高处设置监测基准点,在滑坡体设置观测站,适用于高位滑坡;同时针对高寒山区,雨水多,泥土含水量大的特点,采用雨量计以及土壤温湿度计,监测降水入渗对边坡的影响,进而能够考虑高寒山区冻融影响下,融雪水引发的滑坡;该系统可以监测高位滑坡大型滑坡体以及黄土滑坡后缘拉裂缝变化,适用于复杂地质条件的冻融、融雪水、湿陷性多因素影响下的滑坡预警。
进一步的,GNSS基站和雨量计固定设置在观测墩上,便于稳定性的分析,同时观测墩上还设置有空气温湿度计,用于分析当地气候条件。
进一步的,在上部区和滑坡体的连接处设置有裂缝计,便于对主要裂缝进行观测。
进一步的,在GNSS观测站旁设置测斜仪,便于对土壤进行原位监测,考虑滑动面埋置较深的深层滑坡。
进一步的,测线仪等间距布置,能够精准的监测滑坡体斜度的变化。
进一步的,限定土壤温湿度计的插入深度,以准确测量土壤的湿度。
进一步的,整个系统通过太阳能供电系统供电,为一种清洁能源,且适用于室外的环境。
进一步的,所有数据测量装置均与数据采集相连接,便于将数据传回至云平台,进行数据的统计,同时与岩土数值模拟软件结合进行后期数据处理分析,提高预测的可靠性。
【附图说明】
图1为本实用新型的边坡仪器布置示意图;
图2为本实用新型的太阳能供电系统仪器安装示意图;
图3为监测系统流程图。
其中:1-雨量计;2-GNSS基站;3-测斜仪;4-GNSS观测站;5-土壤温湿度计;6-空气温湿度计;7-裂缝计;8-蓄电池;9-地埋箱;10-太阳能板;11-立柱; 12-水泥墩;13-高位滑坡;13-1-上部区;13-2-滑坡体;13-3-下部区;14-观测墩。
【具体实施方式】
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述:
在本实用新型的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制;术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;此外,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型提供一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,能适用于高寒山区等恶劣地质条件,并适用于融雪型滑坡灾害的监测预警。该系统包括雨量计1、GNSS基站2、测斜仪3、GNSS观测站4、土壤温湿度计5、空气温湿度计6、裂缝计7、蓄电池8、地埋箱9、太阳能板10、立柱11和水泥墩 12,以及数据采集箱及数据处理系统,整个系统位于高位滑坡13上。
参见图1为本实用新型对应的湿陷性黄土高位滑坡的结构图,从图上可以看出,对于高位滑坡13,根据其结构可分为依次连接的三部分上部区13-1、滑坡体13-2和下部区13-3,其中上部区13-1和下部区13-3为近似于水平面的平面,设定滑坡体13-2为相对于水平面倾斜的平面。
雨量计1、GNSS基站2、裂缝计7、空气温湿度计6、太阳能板10位于地表以上位置;GNSS基站2和裂缝计7位于上部区13-1的地表面,GNSS基站点2 需经过地质勘探,且建有稳固的观测墩14,便于稳定性分析;观测墩14固定设置在上部区13-1上,观测墩14上固定设置有GNSS基站2、雨量计1和空气温湿度计6,GNSS基站2同时是基准点;裂缝计7固定设置在上部区13-1和滑坡体13-2的交界处,布置于滑坡后缘拉裂缝处,选择主要裂缝进行观测;在GNSS 基站2旁设置有太阳能供电系统10。GNSS基站2附近固定设置有数据采集箱,数据采集箱和数据处理系统连接,数据处理系统包括数据云平台及数值模拟软件。
根据地质资料与实地调查情况,GNSS观测站4在整个湿陷性黄土高位滑坡至少布置两处,应沿滑坡主滑线布设在边坡关键部位上,如坡顶、坡脚等位置,尽可能的表现边坡岩土体的位置变动,即上部区13-1和滑坡体13-2的分裂处,和滑坡体13-2和下部区13-3的分裂处,GNSS观测站4周围障碍物的高度角应小于15°,且远离大功率无线电发射源和高压输电线,以避免周围磁场对GNSS 信号的干扰;测斜仪3为导轮测斜仪,测斜仪3通过测斜孔及测斜管放入地下,测斜孔需深入滑动面以下位置,并按需求安装测斜仪3,测斜仪3的布置方向为竖直方向,测斜仪3的安装位置为接近GNSS观测站4的位置,且测斜仪3根据实际需求为等间距布置,即除了在靠近每一个GNSS观测站4的位置布置一个测斜仪3以外,当最上端和最下端的测斜仪3之间设置有其他的测斜仪3时,所有的测斜仪是等间距布置;每一个GNSS观测站4旁各自设置有一个土壤温湿度计 5,以实时监测边坡体的水分场变化,土壤温湿度计5位于地下0.5m及0.8m处,即同一个地方在地下0.5m和0.8m处各自布置一个土壤温湿度计5,当降水量大时,可是适当增加土壤温湿度计5的埋入深度。
参见图2,太阳能供电系统包括蓄电池8、地埋箱9、太阳能板10、立柱11 和水泥墩12,其中太阳能蓄电池8固定设置在地埋箱9中,地埋箱9密封的置于地下;水泥墩12固定设置在地下,立柱11的下端穿过地表固定设置在水泥墩12 中,立柱11的上部固定设置有太阳能板10,太阳能板10通过电线和蓄电池8 连接,蓄电池8通过电线和该系统中所有的用电设备连接。GNSS监测点4至少布置两处,应沿滑坡主滑线布设在边坡关键部位上,如坡顶、坡脚等位置,尽可能的表现边坡岩土体的位置变动,
GNSS基站2设置于地基稳定的位置,通过GNSS观测站4与GNSS基站2 的位移差,可以获得边坡表面的实时位移变化;雨量计1可以获得边坡位置处的降雨量;土壤温湿度计5可以获得一定深度下的土壤水分含量,即获得降水入渗情况;空气温湿度计6可以获得空气温度及湿度,测斜仪3可以获得边坡深部位移;裂缝计7可以获得裂缝的发育情况;太阳能板10与太阳能电池可以在山区缺少电力供应的情况下为设备供电;上述位移差、降雨量、土壤水分含量、空气温度及湿度、边坡深部位移和裂缝的发育情况均传递至数据采集箱,数据采集箱可以将采集数据集中收集并通过GPRS传输到云平台;数据处理系统采用常用的岩土软件,如ABAQUS、FLAC3D、GEOSTUDIO等,建立边坡模型,对采集数据,如气温、降水量,位移量进行耦合分析,获得边坡安全系数,以此评价边坡的稳定性。
上述高寒山区滑坡监测系统的使用方法:
(1)监测仪器的选址及安装。(参考图1)
根据地质资料与实地调查情况,布置监测点。GNSS观测站4至少布置两处,应沿滑坡主滑线布设在边坡关键部位上,如坡顶、坡脚等位置,尽可能的表现边坡岩土体的位置变动,GNSS观测站4周围障碍物的高度角要小于15°,监测点应远离大功率无线电发射源和高压输电线,以避免周围磁场对GNSS信号的干扰; GNSS基站2需经过地质勘探,且建有稳固的观测墩14,便于稳定性分析。裂缝计7布置于滑坡后缘拉裂缝处,选择主要裂缝进行观测。测斜孔布置于GNSS测点附近,测斜孔应深入滑动面以下,并根据实际需要等间距布置测斜仪3。土壤温湿度计5布置于GNSS测点附近,实时监测边坡体的水分场变化。雨量计1与空气温湿度计6布置于滑坡区域外,岩土体稳定位置。
(2)太阳能供电系统的安装(参考图2)。
在监测位置处浇筑水泥墩12,安装立柱11,架设太阳能板10,安装蓄电池 8。考虑到高寒山区位置偏远,更换电池不易,采用两块电池,一块电池给仪器供电,另一块电池通过太阳能板充电,交替使用,避免当出现日照时间短及其他恶劣情况下电量不足,两块电池可供电1个月左右。当出现极端情况,两块电池没电时,系统会进入休眠状态,电量足够时,会自动开机,这样可以解决电量不足产生的问题。电池放置于地埋箱9中,密封好埋入地表以下。所有线路通过立柱11的中空腔体,其他部分裹上保温棉,并埋入地表以下,可以降低外部环境的影响。
(3)数据处理。参见图3,现场监测仪器数据通过数据采集箱进行收集,在有GPRS信号的地方可直接进行传输,没有信号的区域可采用北斗系统进行传输。数据类型主要包括,边坡的气候条件、位移及含水率。边坡的气候条件由雨量计 1与空气温湿度计6获得,位移由GNSS基站2和GNSS观测站4的相对距离获得,含水率由土壤温湿度计5获得,深部位移由测斜仪3获得,数据传输至云平台后,将其与前期勘查资料结合,利用岩土数值模拟软件对边坡进行多场耦合分析,用极限平衡法安全系数Fs,具体过程为建立边坡模型,在考虑温度及融雪水耦合条件下,采用极限平衡法进行稳定性分析,得出安全系数Fs。对应国家应急救援分级响应体系,设置四个预警等级,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级,对应的预警信号分布为红色预警、橙色预警、黄色预警、蓝色预警。将分析结果提交交通部门,可提前对灾害采取相应措施,减少损失。参见下表为预警等级表。
表1预警等级表
Figure DEST_PATH_GDA0002663192520000081
Figure DEST_PATH_GDA0002663192520000091
相对于现有的监测系统,本实用新型具有以下优点:
(1)针对融雪水入渗的情况,采用雨量计以及土壤水分计,监测降水入渗对边坡的影响;
(2)针对深层滑坡类型,采用测斜仪这类深部位移监测仪器,可以监测深部位移以及滑动面附近位移变化;
(3)在坡顶、坡脚以及边坡主要位置建立GNSS监测站,可有效监测大型滑坡以及高位滑坡的位移变化情况。
(4)针对湿陷性黄土高位滑坡,在自重及环境影响下,坡体向临空方向蠕动,后缘处于拉应力状态,易产生拉裂缝的情况,采用裂缝计,对其进行监测,可实时掌握边坡的状态。
(5)利用岩土数值模拟软件对边坡的监测数据进行后期分析,提出针对高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡这种特殊工况的预警机制。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,所述监测系统设置在高位滑坡(13)上,所述高位滑坡(13)包括从上到下依次连接的上部区(13-1)、滑坡体(13-2)和下部区(13-3),滑坡体(13-2)相对于水平面倾斜;
所述监测系统包括固定设置在上部区(13-1)的GNSS基站(2)和雨量计(1),上部区(13-1)和滑坡体(13-2)的连接处设置有GNSS观测站(4),滑坡体(13-2)和下部区(13-3)的连接处设置有GNSS观测站(4);每一个GNSS观测站(4)旁均设置有一个土壤温湿度计(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,GNSS基站(2)和雨量计(1)固定设置在观测墩(14)上,观测墩(14)上还固定设置有空气温湿度计(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,上部区(13-1)上固定设置有裂缝计(7),裂缝计(7)接近上部区(13-1)和滑坡体(13-2)的连接处。
4.根据权利要求1所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,每一个GNSS观测站(4)旁固定设置有一个测斜仪(3),所述测斜仪(3)埋入在地下。
5.根据权利要求4所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,最边部的两个测斜仪(3)之间还设置有若干个测斜仪(3),所有的测斜仪(3)等间距布置。
6.根据权利要求1所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,土壤温湿度计(5)分别设置在地表以下的0.5m和0.8m处。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,GNSS基站(2)、雨量计(1)、GNSS观测站(4)和土壤温湿度计(5)均通过太阳能供电系统供电。
8.根据权利要求7所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,所述太阳能供电系统包括太阳能板(10),太阳能板(10)固定设置在立柱(11)的上端,立柱(11)的下端固定设置在上部区(13-1)的地表下,所述太阳能板(10)连接有蓄电池(8)。
9.根据权利要求8所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,所述立柱(11)的下端固定设置在水泥墩(12)中,水泥墩(12)固定设置在上部区(13-1)的地表下。
10.根据权利要求1所述的一种基于高寒山区的湿陷性黄土高位滑坡安全监测系统,其特征在于,GNSS基站(2)、雨量计(1)、GNSS观测站(4)和土壤温湿度计(5)均连接至数据采集箱。
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