許江，聶聞，彭守建

(重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室，重慶 400044)

滑坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實驗室實現(xiàn)

許江，聶聞，彭守建

(重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室，重慶 400044)

用傳感器對滑坡實施監(jiān)測是一種有效的監(jiān)測預(yù)警手段，但由于受一些因素的限制，在實驗室進行滑坡監(jiān)測技術(shù)有效性的研究方面仍有一定的難度。本文以振弦式傳感器為例，提出了傳感器輔助機械工裝以完成傳感器在實驗室實現(xiàn)滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬采集的設(shè)計思路，并通過對模擬數(shù)據(jù)進行多次測量演算了傳感器及其輔助裝置的可靠性。同時，為便于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時有效的管理和分析，還采用VC++語言所編制的管理程序?qū)Λ@取的監(jiān)測數(shù)據(jù)實施有效的管理和分析。結(jié)果表明，對給定信號的監(jiān)測效果好，響應(yīng)快，誤差小，能較好地模擬滑坡現(xiàn)場監(jiān)測。

滑坡;監(jiān)測;傳感器;實驗室;機械工裝;監(jiān)測預(yù)警

0 引言

由于我國有三分之二的土地地形均為山地，使得諸如自然斜坡、陡崖或工程高邊坡等的穩(wěn)定性問題成為當(dāng)前一個非常重要的工程實際問題［1］，所以，對因諸如自然斜坡、陡崖或工程高邊坡失穩(wěn)形成的地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)體的監(jiān)測預(yù)警已成為我國一個急需解決的重大問題。展開對巖(土)體及其穩(wěn)定性的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究既是巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的專家學(xué)者所關(guān)注的前沿課題之一，同時也有助于人們正確及時捕捉地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)體的特征信息，為地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)體的穩(wěn)定性分析評價、預(yù)測預(yù)報及其治理工程等提供可靠資料和科學(xué)依據(jù)。

作為地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)體之一的滑坡的監(jiān)測預(yù)警所使用的監(jiān)測儀器設(shè)備對其監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方法的發(fā)展至關(guān)重要。歸納起來，傳統(tǒng)的用于滑坡監(jiān)測的方法主要有常規(guī)大地測量法、特殊大地測量法、液體靜力水準(zhǔn)測量、重力測量法、近影攝影測量法、地下水位監(jiān)測法、電測法、地下鉆孔傾斜等。但是采用傳統(tǒng)的測量方法都有諸如受地形通視及氣候條件影響、不能連續(xù)觀測、自動化程度不高、人力投入過大、數(shù)據(jù)無法及時處理、監(jiān)測周期長等弊端。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的監(jiān)測技術(shù)逐漸進入人們視野，國內(nèi)外不少研究工作者已經(jīng)對大地精密測量法、GPS法、儀器儀表監(jiān)測法、綜合自動遙測法在滑坡監(jiān)測中的運用也有了一定的涉及和研究，甚至一種先進的滑坡監(jiān)測新技術(shù)—時域反射法(TDR)技術(shù)［2－6］近來也逐漸得到了運用。這些研究成果能及時捕捉滑坡的特征信息，可為滑坡的準(zhǔn)確分析評價、預(yù)測預(yù)報及其治理工程等提供及時可靠的資料和科學(xué)依據(jù)。但在上述這些監(jiān)測預(yù)警方法中大部分都要在其前端使用傳感器用于捕捉滑坡的特征信息，而布設(shè)在前端的這些傳感器的工作狀態(tài)及其所采集到的數(shù)據(jù)的可靠性就顯得尤為重要。為此，本文擬以在滑坡監(jiān)測預(yù)警中常用的幾種傳感器為對象，研究如何設(shè)計輔助工裝完成傳感器在實驗室實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的模擬采集以及如何調(diào)試、測試整個監(jiān)測控制系統(tǒng)的識別部分，以為布設(shè)在監(jiān)測現(xiàn)場的傳感器的工作狀態(tài)及其所采集到的數(shù)據(jù)的可靠性分析提供評價依據(jù)，為更準(zhǔn)確地監(jiān)測滑坡信息，多角度多方位的擴大思路奠定基礎(chǔ)。

1 滑坡及其監(jiān)測傳感器的選取

1.1 滑坡的種類及觸發(fā)滑坡的因素

根據(jù)滑坡體體積大小不同可將滑坡分為4個等級:

(1)小型滑坡:滑坡體積小于10×104m3;

(2)中型滑坡:滑坡體積為10×104～100× 104m3;

(3)大型滑坡:滑坡體積為100×104～1000× 104m3;

(4)特大型滑坡(巨型滑坡):滑坡體體積大于1000×104m3;根據(jù)滑坡滑動速度快慢不同可將滑坡分為4類: (1)蠕動型滑坡:人們憑肉眼難以看見其運動，只能通過儀器觀測才能發(fā)現(xiàn)的滑坡;

(2)慢速滑坡:每天滑動數(shù)厘米至數(shù)十厘米，人們憑肉眼可直接觀察到滑坡的活動;

(3)中速滑坡:每小時滑動數(shù)十厘米至數(shù)米的滑坡;

(4)高速滑坡:每秒滑動數(shù)米至數(shù)十米的滑坡。

觸發(fā)滑坡失穩(wěn)的主要因素包括二個方面:一是地質(zhì)條件與地貌條件;二是內(nèi)外營力(包括降雨、地震)和人為作用的影響。

1.2 滑坡監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)與傳感器的選取

目前，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了10余種監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)用于判斷滑坡是否處于安全狀態(tài)，如穩(wěn)定性系數(shù)、可靠概率、位移速率、位移加速度、塑性應(yīng)變率、蠕變曲線切線角、位移矢量角、聲發(fā)射參數(shù)、分維值等［7］。但其中最為普遍采用的監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)還是位移速率，即在單位時間內(nèi)滑坡體表面或其內(nèi)部產(chǎn)生的變形量，這也是滑坡產(chǎn)生失穩(wěn)最為直觀的監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)。所以，采用位移傳感器對滑坡的位移速率的監(jiān)測就顯得尤為重要了。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、土木工程、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。在土木工程中，所需要的測量的物理量大多數(shù)為非電量，如位移、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變等。傳感器可以使這些非電量轉(zhuǎn)換為電量進行監(jiān)測與控制。為此，筆者除主要選取了用于測量滑坡位移的多點位移計、地表裂縫計、埋入裂縫計、傾斜儀等傳感器外，也選取了土壓力計、雨量計等非位移傳感器(圖1)。其中多點位移計用于測量多層土的不同沉降速率，地表裂縫計用于測量地表變形速率，埋入裂縫計用于測量地下變形速率，傾斜儀用于測量坡體水平變形速率，土壓力計用于測量上方土體壓力變化率，雨量計用于測量降雨速率。

1.3 位移傳感器的工作原理

位移傳感器通常大都采用電阻應(yīng)變片型或壓阻型，該方法具有靈敏度高、動態(tài)量程范圍大、成本低等特點，但其存在著抗干擾性能差，溫漂及零漂大等缺點，其技術(shù)性能指標(biāo)難以滿足現(xiàn)場惡劣環(huán)境中的使用要求。而振弦位移傳感器以其良好的長期穩(wěn)定性能及較強的現(xiàn)場抗干擾性已被工程界所認同，從而成為安全監(jiān)測的主要儀器。這里以其中的振弦式地表裂縫計為例來簡要說明振弦位移傳感器的工作原理，振弦式裂縫計用于測量接縫的開合度，其振弦式感應(yīng)元件與一個經(jīng)熱處理并消除應(yīng)力的彈簧相連，彈簧兩端分別與鋼弦、傳遞桿相連(圖2)，鋼弦上的張力直接與拉伸成正比，當(dāng)連接桿從儀器主體拉出，彈簧被拉長導(dǎo)致張力增大并由振弦感應(yīng)元件測量，由此，接縫的開和度便可通過讀數(shù)儀測出的讀數(shù)變化而精確地計算得到。

2 滑坡模擬的研究思路和實施步驟

在實驗室有限的空間內(nèi)，為了實現(xiàn)利用有限的資源來進行無限次的滑坡模擬，這里以BGK－4420型振弦式裂縫計為例，提出了基于用機械工裝替代滑坡現(xiàn)場演化的模擬方法，其技術(shù)思路如圖3所示，具體步驟簡述如下:

(1)根據(jù)BGK-4420型振弦式裂縫計特征與工作原理，確定如何在現(xiàn)場進行安裝，結(jié)論如下:需要固定它兩端的固定螺栓，使裂縫或滑動斷裂面位于兩個端點內(nèi);

(2)根據(jù)兩個端點距離確定坡面大小和坡體體積，并確定采用手動轉(zhuǎn)動的方式來實現(xiàn)在坡面上的滑動;

(3)坡面要實現(xiàn)可以調(diào)節(jié)水平度的，因為現(xiàn)實中坡體是各種各樣傾斜度的;坡體要實現(xiàn)可以嵌緊傳感器，因為現(xiàn)實中傳感器要放入坡體內(nèi)部固定;滑動部分要可以伸縮并度量，因為要把數(shù)據(jù)和測量值作對比;

(4)在工裝底部安裝4個可調(diào)的螺栓，用來實現(xiàn)坡面水平度調(diào)節(jié)，在坡面上設(shè)計一個由轉(zhuǎn)位螺釘、鋼套組成的兩個組合件，一個固定在坡面上，一個固定在滑動面上，在坡面上設(shè)計一個由標(biāo)尺、滑槽、轉(zhuǎn)動手柄組合成的組合件，固定于坡面上，實現(xiàn)裂縫的開合;

(5)用檢測裝置測量傳感器工作時的數(shù)據(jù);

(6)根據(jù)參數(shù)換算位移。

3 傳感器機械工裝設(shè)計與測試分析

3.1 傳感器的機械工裝設(shè)計

圖4是以BGK-4420型振弦式裂縫計為例給出的實驗室模擬滑坡現(xiàn)場狀況的機械工裝設(shè)計圖。

圖2 BGK-4420型振弦式裂縫計原理圖Fig.2 Sketch of the vibrating sensor

首先把傳感器植入工裝坡面的組合件支座中，用轉(zhuǎn)位螺釘分別固定兩個端點相當(dāng)于傳感器插入坡體中，通過底部調(diào)節(jié)支腳來調(diào)節(jié)模擬坡體水平度，用轉(zhuǎn)動手柄來控制裂縫的開合度，設(shè)計量程為50mm，其測試數(shù)據(jù)可通過電纜及時傳出。其中模擬裝置的4個主要部分如圖5所示，其固定裝置錨固于坡體和滑動面上，傳感器的支架可以放入鋼套內(nèi)，并由轉(zhuǎn)位螺釘卡死，相當(dāng)于用水泥或環(huán)氧固定支架;坡面相當(dāng)于在底部設(shè)計4個調(diào)節(jié)支腳，可以隨時調(diào)節(jié)改變坡面傾斜度;滑動面組合件可使傳感器定量的伸縮。

3.2 通過機械工裝給定數(shù)據(jù)對傳感器的調(diào)試

當(dāng)傳感器最開始拉伸時由于球形萬向節(jié)，固定螺栓等因素的影響導(dǎo)致最開始約20%的位移不具備完全線形性，應(yīng)克服其影響后再進行測試，即20%量程后的點為初始點(圖6)。

3.3 測試數(shù)據(jù)與理論值的比較

根據(jù)模數(shù)與位移轉(zhuǎn)換公式:

圖3 機械工裝滑坡模擬研究技術(shù)路線圖Fig.3 Sketch of study route of modeling landslide using mechanical tool

式中:L——位移量;

G——系數(shù)，取值為0.010469mm/Digit;

R——實時模數(shù)量;

R0——零位移時模數(shù)量。通過50次的測試得出的實際位移與理論位移的比較如圖7所示。

圖4 現(xiàn)場與實驗室模擬對比圖Fig.4 Sketch of mechanical tools in the laboratory and at the secene in the field

圖7 給定位移與實測位移的關(guān)系Fig.7 Given displacement vs.real displacement

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與分析

為方便對監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與及時分析，以便及時發(fā)現(xiàn)突然躍變的數(shù)據(jù)，把由傳感器自帶軟件得到的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.txt格式的文檔，然后再用VC++進行編程，其程序的流程示意圖如圖8所示［9］。在如圖9所示的界面中的條件設(shè)置處可輸入位移速率的臨界預(yù)警值，如輸入3，表示滑坡位移速率的臨界值為每小時移動3mm。

當(dāng)位移速率超過3時，界面上就會自動顯示出警告，以提示位移速率超過了警戒值。而在時間處可以輸入每次檢測數(shù)據(jù)的掃描周期，如輸入1，表示計算機每1秒鐘掃描一次數(shù)據(jù)。

值得一提的是，考慮到不同滑坡，由于其地質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異引起巖(土)體變形機制不同，無法用統(tǒng)一的模式來表征滑坡體運動特征，加上降雨、地震、人類活動以及其他隨機因素的干擾，實際上大多數(shù)情況下的位移歷時曲線都具有不同程度的波動和起伏，其形態(tài)各種各樣［10］。因此，對滑坡的預(yù)警指標(biāo)值很難給出一個客觀標(biāo)準(zhǔn)，對于不同的滑坡其監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)應(yīng)該有其各自的不同指標(biāo)值。

圖8 程序流程示意圖Fig.8 Program flowchart

圖9 預(yù)警軟件的界面Fig.9 Interface of software for warning

5 結(jié)語

綜合以上研究成果，可得出以下幾點結(jié)論:

(1)提出了振弦式傳感器輔助機械工裝以完成傳感器在實驗室實現(xiàn)滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬采集的設(shè)計思路，數(shù)十次測試結(jié)果表明對給定信號的監(jiān)測響應(yīng)時間約為20s，誤差在4%以內(nèi);

(2)通過對數(shù)據(jù)進行50次測量，并用歸一法得出了穩(wěn)定的圖形，驗證了傳感器及其輔助裝置的可靠性;

(3)為便于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時有效的管理和分析，采用VC++語言所編制的管理程序不僅可便利地獲取發(fā)生躍變的數(shù)據(jù)，還利于后續(xù)預(yù)警［11］;

(4)本實驗所用傳感器設(shè)備同樣適合野外滑坡的實際預(yù)警與監(jiān)測，只是用于野外滑坡監(jiān)測傳感器壽命只有一次，經(jīng)濟成本較高，在實驗室可以多次運用，適合于對滑坡進行機理研究與分析;

(5)如果配合單片機系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，該傳感器系統(tǒng)可以構(gòu)成一個實時的遠距離監(jiān)測系統(tǒng)，不過在實驗室的實現(xiàn)還需要進一步的研究。

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Abstract:Using the sensors to monitor the landslide is an effective warning tool.However，due to the limitations of the environment it is very difficult to research the monitoring techniques in the laboratories.Based on the monitoring points of the vibrating sensors in the slope，a fixture(tooling)were designed to make it a good job in the lab.It can help to produce the simulation data.After being tested many times，the data showed that the sensors and the fixtures (toolings)were stable and reliable.And in order to manage and analyse the data well，designing an interface is a good way by using the VC++programming，which can analyzed and manage the data from the sensors and find some data that changed dramatically.As a result，as a whole the system can represent landslide site effectively and monitor the signs as soon as possible with less errors.

Key words:landslides;monitoring;sensors;laboratories;fixtures(tooling);warning systems

Real-time monitoring and warning systems for landslides in the laboratories

XU Jiang，NIE Wen，PENG Shou-jian
(Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400044，China)

1003-8035(2010)03-0008-06

TU457

A

2010-03-17;

2010-05-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(50974141);國家科技重大專項項目(2008ZX05034－002);國家自然科學(xué)基金重點項目(50534080)

許江(1960—)，男，博士，礦山工程物理專業(yè)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事有關(guān)巖石力學(xué)與工程方面的教學(xué)與研究工作。

E-mail:jiangxu@cqu.edu.cn