位移监测论文研究
位移监测论文研究
分析水利工程大坝安全监测应用技术论文
1 大坝安全监测的现实应用意义及现状
(1)受到外部工程环境的影响,在大坝建设过程中,大坝容易受到过量的地震荷载及环境荷载,比如温度因素、水压力因素等,这些因素不利于提升大坝的整体安全管理效益。受到内部工程环境的影响,大坝建设容易出现一系列的施工问题,这些因素主要包括机械设备因素、人为影响因素、材料性能因素等,长期以往,会导致水利工程出现变形、裂缝、渗漏等状况,如果不能实现这些问题的及时性诊断及解决,就会不利于大坝的整体安全性运作,从而出现一系列的灾害性事故。
随着大坝工程体系的健全,大坝安全监测方案不断得到应用,这种安全监测方案属于大坝原型观测系统的范畴,需要将观测仪器进行大坝原型的置入,做好相关的现场侧脸工作,进行特征量的获取,进行大坝结构性态变化的分析。通过对大班安全监测环节的开展,有利于应对大坝变形状况、温度变化状况、应力变化状况,从而优化大坝工程理论,实现大坝整体安全管理水平的提升。随着我国社会经济的不断发展,大坝安全监测设备不断得到普及,一系列的安全监测技术不断得到应用,比如全球定位系统的应用,这些新型技术手段的使用,有利于实现大坝安全监测的整体化运行。
(2)随着时代的不断发展,我国积极引入各种先进的大坝安全检测进口仪器,实现了管理自动化模块的发展,大坝安全监测体系不断得到健全,各种新型安全监测自动化设备不断得到应用,这不断推动了我国水利水电工程安全监测自动化技术的发展。
2 大坝安全监测方案的优化
(1)为了满足现阶段大坝安全监测工作的要求,进行监测大坝整体安全状况的实时性调查是必要的,从而深入了解大坝的整体安全运转状况,进行大坝安全监测资料的收集,进行大坝工作状态的实时性评估,从而有效增强大坝的整体安全性。为了满足实际工作的要求,做好及时性监测工作是必要的,从而获得可靠性的监测数据,这需要做好监测方案的及时性分析工作,避免出现相关的安全责任事故,避免出现一系列的工程灾害事故。在施工环节中,需要做好施工质量监控管理的反馈工作,做好设计合理性的验证工作,通过对大坝整体安全性监测方案的应用,进行大坝安全状态的及时性了解。
为了实现大坝安全程度的及时性掌握,需要做好大坝工程的例行巡查工程,进行仪器监测手段的应用,实现大坝安全监测体系的健全,这需要根据工程实际状况展开分析,进行各类安全监测一起的综合性使用,进行大坝安全运作状态的分析,做好各类大坝安全动态数据信息的分析工作,进行大坝运行状态的科学性评价。及时掌握大坝安全运行信息,做好相关的调度指挥工作。在大坝项目建设过程中,做好安全监测工作是必要的,从而有效应对大坝变形状况,解决渗流压力问题,实现变形环节及渗流监测环节的协调,充分实现大坝安全形态的及时性掌握。
(2)随着时代的不断发展,一系列的水工建筑物不断得到兴建,在水工建筑物形态的观测过程中,通过对仪器设备的使用,可以满足水利大坝安全监测工作的要求,进行一整套安全监测方法的构建,从而进行观测方案的优化,有效应对混凝土的应变问题、变形问题,实现对混凝土应力的有效性计算。通过对新型差动电阻式仪器的使用,可以有效增强大坝安全检测的稳定性,有效应对大体积混凝土建筑物的变形问题、应力问题,实现对测点温度的有效性监测。在水利大坝安全检测环节中,进行新型安全检测设备的应用是必要的,从而进行振弦式仪器的使用,这种仪器设备具备良好的内部构造结构,具备良好的工程测量效益,能够满足大坝工程自动化检测的工作要求,实现水利大坝长距离测量工作的要求。在现阶段大坝变形监测过程中,各种新型仪器不断得到应用,包括一系列的遥测引张线仪、遥测垂线坐标仪器等,比较常见的遥测垂线坐标仪器包括电容感应式仪器、马达跟踪式仪器、电磁感应式仪器等,比较常见的遥测引张线仪有 CCD 模式,电容感应式等,通过对不同位移计量模式的应用,可以进行基岩深度变形状况的分析。
(3)随着我国各类水利工程技术的发展,大坝安全检测技术不断得到应用,各种新型的监测仪器不断得到发展,比如通过对差动电阻式技术的应用,可以进行面板周边施工缝的有效性检测,实现对大坝水平及垂直变形状况的有效性监测,实现信息的自动化采集,通过对不同种监测仪器的使用,实现大坝安全检测效益的提升。随着时代的发展,新型的大坝工程监测技术不断得到应用,大坝安全监测技术体系日益完善,但是整体来看,我国的大坝安全检测体系尚不健全,有些先进性的大坝安全检测技术依旧处于研发的阶段,通过对各种大坝安全监测仪器的开发及利用,可以有效提升水利大坝的整体安全监测效益。电缆运输是检测仪器的重要工作手段,在实际工作中,受到电磁场、辐射场、电气等的影响,电缆经常受到干扰,从而出现监测数据失真状况,不利于提升水工建筑物监测分析效果。
为了解决大坝安全监测工作的要求,进行检测仪器设备体系的健全是必要的,进行数据采集模块的优化,从而有效应对外部工作环境的干扰状况。在不同的.施工模块中,进行各种仪器设备的使用,做好监测仪器电缆保护管的选择工作,实现其与地网的充分性连接,切实提升工程监测数据的整体安全性、可靠性,在位移监测环节中,可以进行固定测斜仪器的使用,做好工程自动化监测工作,这种监测手段具备较高的造价成本,为了解决实际工作要求,可以进行活动式测斜仪器的使用,做好单点探头的自动化监测工作,通过对GPS 监测技术的应用,实现大坝工程安全监测成本的控制。
在大坝力学特性监测及结构损伤检测模块,需要进行大坝 CT技术的应用,实现该技术传播途径的优化,实现图像重构效益的提升,落实好温度监测环节、渗流环节、裂缝监测环节的协调,确保光纤光栅技术模块的优化,提升其自动化、多元化、智能化程度,有效提升变形监测自动化技术效益,做好水利大坝安全检测工作,实现其整体工作效益的提升。
(4)随着我国经济体系的日益健全,大坝安全监测技术不断得到应用,我国的水利大坝工程方案不断得到优化,但是目前来看,我国的水利大坝工程依旧存在很多技术上的不足,欠缺健全性的仪器设施,为了满足现阶段大坝安全监测工作的要求,进行高精度、高可靠性智能监测系统的应用是必要的,实现监控网络管理体系的健全,实现在线监测环节、离线分析环节、安全评判环节的优化,实现大坝安全风险评估方案的优化,实现大坝安全监测信息的及时性通知,确保大坝安全监测工作的稳定化发展。
3 结束语
为了满足现阶段水利大坝安全监测工作的要求,进行大坝安全监测理论体系的健全是必要的,这需要引起相关工作管理人员的重视,做好水利大坝工程的安全监测工作,实现大坝安全监测体系的健全,确保其内部工作模块的协调。
位移监测信息与二次支护时间的确定
所谓二次支护时间的研究,就是确定何时二次支护最佳或支护最适时。施工中即要容许围岩适度变形,以减小支护压力,又应及时控制围岩变形,避免产生有害的松弛,导致围岩失稳。
《公路隧道设计规范》规定,在变形释放程度达到80%以上时,可进行二次衬砌。《铁路隧道设计规范》也规定,二次支护应在围岩和初次支护变形基本稳定,并具备下列条件时施作:①隧道周边的位移速率有明显的减缓趋势;②水平收敛速度小于0.2mm/d或拱顶位移速度小于0.15mm/d;③施作二次初砌前的收敛量已达总收敛的80%以上;④初次支护表面没有再发展的明显裂隙。因此,可从周边收敛的变形释放程度和围岩的变形速度来研究围岩二次支护的最佳时间。
课题研究中,选择了近50个有代表性且监测资料较齐全的断面,以总收敛量(计算值)的80%计算值为准值,除以断面最近(或平均)收敛变化速率,从而得到二次支护的最佳统计时间。统计分析表明,不同围岩类别的二次支护最佳时间分别为:①Ⅴ类围岩为52~99d,中值为77d;②Ⅳ类围岩为55~89d,中值为72d;③Ⅲ类围岩为45~51d,中值为47d;④Ⅱ类围岩为30~42d,中值为38d。可见,从“收敛量已达总收敛量的80%”这一条件来看,二郎山隧道围岩二次支护的最佳时间为开挖后40~80d。从一般地段的围岩变形速率(表8-3)来看,在该时段(40~80d)内,水平收敛和拱顶下沉位移速率都到达到了规范要求,也能较好地适应由“收敛量已达总收敛量的80%,围岩和初次支护变形基本稳定”所统计的二次支护最佳时间。
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用
本项研究受国家杰出青年科学基金项目(40225006)和国家教育部重点项目(01086)资助。
施斌 丁勇 索文斌 高俊启
(南京大学光电传感工程监测中心,江苏南京,210093)
【摘要】分布式光纤传感技术,如布里渊散射光时域反射测量技术(简称BOTDR),是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术,应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等3个方面的应用。在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明,BOTDR分布式光纤传感技术,是一种全新而可靠的监测方法,它在工程实践中的应用为工程监测提供了一种新的思路,因而必将拥有一个广阔的发展前景。
【关键词】BOTDR 光纤传感 工程监测 应变
1 引言
随着人们对工程安全要求的日益提高,近年来,一批新式的传感监测技术得到发展,它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良,而是从根本上改变了传感原理,从而提供了全新的监测方法和思路。其中,尤以 BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目,它利用普通的通讯光纤,以类似于神经系统的方式,植入建筑物体内,获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段,目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用,并逐步向其他工程领域扩展。
南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下,建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室,开展了一系列的实验研究,并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中,取得了一批重要成果,为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。
2 BOTDR分布式光纤传感技术的原理
布里渊散射同时受应变和温度的影响,当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时,光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移,频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系,因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(vB)就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。
为了得到光纤沿线的应变分布,BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱,也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer)技术很相似,脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射,入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射,其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端,进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元,经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布,如图1中(b)所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端,即至 BOTDR的距离 Z可以通过式(1)计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量,就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。
图1 BOTDR的应变测量原理图
如图1中(c)所示,理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形,其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸,拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变,通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中:c—真空中的光速;
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n——光纤的折射率;
T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。
目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。
表1 AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标
3 隧道安全监测
BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用,目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中,已形成了一整套的成功经验,为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。
3.1 光纤铺设
为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态,必须将之与构筑物紧密相连,铺设在结构物上。铺设的好坏,直接关系到监测的实际效果,因而在工程应用中,有着十分重要的意义。
根据光纤监测系统的设计原则,结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点,基本有以下两种铺设方法:全面接着式铺设和定点接着式铺设,如图2所示。
图2 全面接着和定点接着
3.1.1 全面接着式铺设
分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况,而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。
全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况,监测对象为隧道整体,监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺,使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂(以环氧树脂为主),将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面,并在传感光纤的末段接驳光缆,将监测信号传送至隧道监控中心。
3.1.2 定点接着式铺设
此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在(或假定)变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在(或假定)变形处,监测结果为变形缝等潜在(或假定)变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式,所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着,即将光纤每隔1m至1.5m确定一个固定点,粘贴在混凝土墙面上,以此来检测隧道局部接缝处的变形(见图3)。在某些特点地点,根据实际情况,选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器,以监测变形缝的变形情况(见图4)。
图3 隧道接缝布线示意图
3.2 变形计算
由于引起隧道变形的原因比较复杂,有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形,也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形,因此,将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形,有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网,分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向,结合变形特点,计算出构筑物的整体变形与局部变形;二是要采用相应的计算方法,将光纤的应变换算为隧道的变形。
图4 接缝传感器示意图
例如,对于均匀应变,可以由下式计算变形:
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式中:ε为应变,d为应变段长度,δ为变形。
对于不均匀变形,可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤,两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变,按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。
如果隧道发生整体的不均匀沉降,可以按照挠度的计算方法(见式(3)近似计算它的沉降变形量:
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式中:ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变,d为两条光纤的间距。
此外,结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件,通过有限元或有限差分等计算方法,得到构筑物不同部位的各种变形。
总之,从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂,但是只要通过合理地布置光纤监测网,采用正确的计算方法,隧道变形的计算是可以得到满意的结果。
4 基坑变形监测
基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一,基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来,课题组通过大量的室内外试验研究,将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中,取得了一些十分有价值的成果。
众所周知,基坑变形原因复杂、类型繁多,但总体来说,主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式,如土压力盒、测斜管等,由于自身传感方式的限制,往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究,成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统(分布式光纤传感智能测斜管)。
图5 基坑位移监测分布式光纤传感系统
如图5所示,利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合,开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于:①经传统方法验证,测斜管能够较理想地反映土体变形,是一种良好的材料;②测斜管自身带有卡槽,免去了人工开槽的工作;③该材料是常用的基坑监测材料,方便易得,比较经济;④应用与传统监测方式一致的材料,方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成,简言之是将光纤按照一定的施工工艺,用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上,构成传感系统,我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点,并可进行准实时监测。
应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果,是沿光纤传感器的轴向物理信息(应变、温度等),因此,如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量,也就成了问题的核心。经过研究,应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。
由材料力学相关知识可知,沿线各点的挠度可利用下式计算。
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式中:εx为所求点的光纤实测应变,其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差;d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离;积分起点为深部某无应变点,v(x)为各点的挠度,可以近似地认为是基坑的水平变形量。
5 连续配筋混凝土路面检测
连续配筋混凝土路面(CRCP)是全部省略接缝的连续混凝土板,是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音,或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式,其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[8.9]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝,具有重要意义。
图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤,温度补偿光纤4根,应变传感光纤5根,沿中心对称铺设。
图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况,而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。
图6 光纤传感系统布置
图7 板表面混凝土应变分布
图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里,钢筋应变不是均匀的,通过连续监测钢筋应变,有助于预测路面的使用性能。
本实验测试结果表明,BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。
6 结语
分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段,虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功,但仍然有许多研究工作有待进一步开展,这包括两个方面,一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良;二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信,随着这一技术的不断研发和成熟,越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断,应用前景十分广阔,无法估量。
图8 钢筋应变分布
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建筑工程测量实习论文
实习总结
本次实习是在上学期修过的工程测量学和以往修过的相关测量课程基础上设置的,实习内容包括:建筑轴线和道路曲线放样、水平位移监测和沉降观测、纵横断面图测绘、场地平整的高程放样。所以要想做好本次工程测量实习的全部内容,工程测量学是我们要重点复习的理论对象。
本次实习为期4周,我们将各个实习内容分小项进行。其一,建筑轴线和道路曲线放样,建筑轴线我们根据实习指导书上给出的相关数据进行计算,采用极坐标法进行放样,即测设出角度、距离,并通过多次测量检查放样点;曲线放样我们采用偏角法计算放样,亦是通过多个测回检查放样点。其二,水平位移监测和沉降观测,我们通过全站仪采用测小角法周期性读取监测点的角度、距离,将这些观测数据进行计算统计获得监测结果报告;沉降观测是通过周期性三等水准来进行观测的,再将获得的周期数据进行计算统计,得到沉降观测成果报告。其三,纵横断面图测绘,我们小组采用的是水准测量进行测绘的,纵断面中桩测绘方法是四等水准,于地形起伏较大处通过工程等外水准方法加密中桩完成了纵断面测绘;横断面图测绘是在中桩的基础上于相应中桩两侧50m左右范围进行等外水准测量。其四,场地平整高程放样,选取一片空地,假设一基准点,根据此基准点进行高程放样,计算挖方或填方高差值。
尽管本次实习项目较多,但总体而言项目外业都比较轻松,唯一较麻烦的是沉降观测,因为其具有周期性,需要多次观测。本次实习中我们也遇到许多问题,但最终通过大家讨论和老师的指导我们解决各种问题。举个例子,在纵断面测绘起初。我们组仅仅于每隔20m处布设中桩进行四等水准测量,后来老师指出:纵断面中桩于地势起伏较大处应当加密中桩测绘,以便纵断面图能够平滑的绘制,于是我们及时补测,于九月桥处每隔5m加测中桩。所以实习是能够发现实践错误并改正错误的好体验。
水准测量可以说是本次实习相当重要的一部分,外业技术要求和工作量都比较大。高程放样需要水准测量,纵断面需要水准测量,横断面需要水准测量,尤其是沉降观测需要多次三等水准水准测量,所以本次实习我们可以再次很好的温故水准测量的程序方法。成果内业我们采用了EXCEL电子表格进行等外水准计算,三等和四等水准是通过南方平差易软件进行平差计算的,并输出了平差报告成果。
最后表达下感想,测绘校园大实习已经不是第一次了,在做了这么多实习后,觉得实习离不开小组,离不开团队。外业测量比较辛苦,可以培养我们的耐心和耐力。内业往往更是繁琐,可以历练我对数据的处理能力。无论是实习外业还是内业都能够更好的帮助我们理解书面知识、原理等。所以认真对待实习很有必要。
这次实习也是我们走向工作岗位前的最后一个大实习,我能够运用到所学的大部分知识,给自己一个很好的检验自己的机会。同时自己也体会到努力积累书本知识和实践经验很有必要。
三峡库区万州—巫山段地质灾害监测预警研究
欧阳祖熙 张宗润 陈明金 师洁珊 陈征 韩文心
(中国地震局地壳应力研究所,北京,100085)
【摘要】为了较好地解决滑坡监测中高度的不确定性问题,需要配合使用多种类型的监测系统。本文系统介绍了三峡库区万州、奉节、巫山等地开展的地质灾害监测预警研究工作,包括基于3S技术和地面变形监测台网建立的研究区典型地段滑坡监测网、研制的新型滑坡无线遥测台网,以及流动倾斜仪、激光测距仪等专用设备。通过近年来获得的一些典型监测结果剖析了不同技术和方法在地质灾害监测预警相关方面应用的有效性。
【关键词】三峡库区 滑坡 监测预警系统 3S技术
1 引言
自1998年以来,中国地震局地壳应力研究所(以下简称地壳所)三峡库区地质灾害项目组依托国务院三峡建设委员会移民局“三峡工程万州库区GPS滑坡监测示范研究”,科技部“十五”攻关项目“示范区新型、高效地质灾害遥测台网技术系统研究”,重庆市政府和移民局下达的“奉节、巫山高边坡与高挡墙稳定性监测”,以及地壳所与德国地球科学研究中心和英国伦敦大学学院关于“应用PSInSAR遥感技术监测三峡库区滑坡及库岸变形”等项目的支持,在万州、巫山、奉节三地移民局和国土局的配合下,广泛深入地开展了库区地质灾害监测预警系统的研究。监测的对象由滑坡、危岩与库岸变形,扩展到高挡墙、高边坡和移民楼房基础的稳定性,监测技术体现了多学科的融合。
几年来,在进行地质调查的基础上,项目组运用3S技术,建立地质灾害地理信息系统(GIS);开展全球卫星定位(GPS)滑坡变形监测及多手段仪器监测;并整合现今成熟的、先进的传感器与测量技术、计算机信息处理技术与通讯技术,以 GSM/GPRS为通讯平台的无线遥测台网,可以选择连接不同的传感器来监测崩、滑体地表变形、深部位移、地下水动态、声发射、裂缝变化、雨量,以及库岸及抗滑桩等工程构筑物内部应力及所受的推力等;在遥感(RS)技术应用方面,将国际上新近提出的角反射器技术用以辅助进行InSAR信号处理,建立了试验台网。迄今,项目组在库区库岸与滑坡变形监测及灾害预警系统的工作中已获得了多项阶段性成果,一些典型地区的监测成果为政府减灾决策提供了重要依据。
2 库区地质灾害监测网设计的指导思想
库区崩塌、滑坡监测的主要目的是:全面了解和掌握崩、滑体的演变过程,及时捕捉崩、滑体灾变的特征信息,为崩塌、滑坡灾害的正确评价分析、预测预报及治理工程等提供可靠的资料和科学依据。同时,监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡工程治理效果的尺度。
为了达到上述目的,库区地质灾害监测系统总体设计思想为:
(1)针对不同崩、滑体的地质构造与变形阶段特征,应采用不同的方案、手段进行监测;
(2)鉴于崩、滑体变形破坏过程的高度不确定性,同一崩滑体上宜采用多种手段监测,形成点、线、面、地表与地下相结合的立体监测网,使其互相补充、检核;
(3)在群测群防工作的基础上,发展常规人工仪器观测与无线自动遥测的技术、建立静态和动态监测相结合的监测预警网络,分别服务于地质灾害的长期、中期预测和短期预警。
3 地质灾害监测方法与技术
依据崩、滑体变形监测的物理量,兼顾变形测量对精度的要求和监测工作的效率,结合当前国内外监测技术和方法的发展水平,在实际应用中采用GPS、InSAR、激光测距、流动倾斜、裂缝监测技术测量地表形变,一些地段也采用了传统方法如全站仪和水准测量;钻孔测斜仪监测深部位移;孔隙水压力计监测地下水动态变化;钢筋应力计与锚索(杆)应力计,分别用于监测抗滑桩内部钢筋和锚索、锚杆的受力变化;同时,采用遥测台网技术采集包括地表变形、深部位移、地下水、钢筋计、危岩声发射等在内的各种动态监测数据。下面简要评述这些方法的特点与适用领域。
3.1 GPS(全球卫星定位系统)大地测量网
全球卫星定位系统(GPS)是美国国防部研制的导航定位授时系统,由24颗等间隔分布在6个轨道面上、大约20000km高度的卫星组成。在地球上任何地点、任何时刻,在高度角15。以上天空至少能同时观测到4颗以上的卫星。用户在地面用接收机接收这些卫星发射来的信号,测定接收机天线到卫星的距离,就可以计算出接收点的三维坐标。近年来,我国开发和应用GPS定位技术的发展速度很快,如在长江三峡工程坝区已建立了GPS监测网,实践证实,高性能配置的GPS水平定位精度可达毫米级,完全可用于崩塌、滑坡的位移监测。
相对于传统的大地测量方法,GPS测量技术应用于滑坡监测有以下优点:①观测点之间无需通视,选点方便;②不受天气条件限制,可以进行全天候的观测;③观测点的三维坐标可以同时测定;④新一代 GPS接收机具有操作简便、体积小,耗电少的特点。所以,这种方法已广泛运用于滑坡变形监测、施工安全监测以及滑坡工程治理效果监测之中。但是,由于监测站建设和获取数据周期较长,在灾害的短期预警中该方法用得较少。
3.2 专用仪器监测网
在此类测量方法中,有多种传统的测量仪器目前仍在广泛使用,如经纬仪、全站仪、水准仪和钻孔测斜仪等,它们主要用于各种工程治理项目的施工安全监测中。除了前述的仪器外,我们还从三峡库区的具体环境条件出发,结合地质灾害其他方面监测工作的需要,开发了便携式倾斜仪、流动激光测距仪等设备,弥补GPS观测受房屋、山坡遮挡而不便施测的不足,以便对位于河谷斜坡地形上的库区移民新城镇的滑坡地表变形、房屋及地基基础变形进行全面监测。在一些经过工程治理的重点滑坡、变形体上,结合治理效果监测,还大量运用了钢筋计和锚杆(索)计以监测抗滑桩内部应力及滑坡的推力。
在地表开展各种流动仪器观测具有监测参量多,灵敏度高,测量范围较大,效率高,成本低,操作简单等特点,因此这类测量方法适用于滑坡治理施工安全监测和效果监测,与前一种GPS流动站观测法相同,也大量应用于多种地质灾害的中、长期监测预报中。
3.3 地质灾害无线遥测台网
目前,国外崩塌、滑坡监测预警技术已发展到一个较高的水平。首先是较普遍采用了全自动、多参数监测的遥测台网;其次,在地质灾害模型预报和预警系统方面,已运用3S(GPS、GIS和RS)技术进行地质灾害空间分析、模型预报和预警系统研究。国内在上述方面尽管还存在较大的差距,但近年来,铁道部、交通部等个别研究所及少数矿区已尝试采用小型遥测台网进行滑坡灾害的监测预报;2002年,中国地震局地壳所在三峡库区又率先建立了用于地质灾害监测预警的多参数无线遥测台网。
“RDA型地质灾害无线遥测台网”系地壳所开发的基于GSM/GPRS技术的新型无线遥测台网。该系统主要由监测子站群、监测预警数据中心和GPRS数据通讯公网等三部分组成(系统构成见图1)。GPRS是在GSM基础上发展起来的一种无线分组交换的数据承载业务。相对于GSM/SMS的电路交换数据传送方式,GSM/GPRS采用分组交换数据传送方式,提高了传输速率,有效利用无线网络信道资源,全面实现了移动Internet功能,对于每个用户永远在线等方面具有非常明显的优势。
图1 GPRS滑坡无线遥测系统构成
根据单体滑坡监测的需要,可以确定所需遥测子站的个数,各遥测子站可以选择连接不同的传感器来监测滑坡地表位移、深部位移,或者地表倾斜、裂缝变化、雨量,以及监测护岸、抗滑桩等工程构筑物内部应力和所受的推力等。监测预警数据中心系统软件功能包括接收各地质灾害点遥测子站的数据、数据入库、显示变形趋势曲线和超限自动报警等功能。同时,数据中心站可对各遥测子站发出指令,改变其工作参数,如数据采样间隔(5分钟、1小时、24小时等)。系统可接入地区监测预警中心微机局域网,支持运行基于GIS的减灾决策支持系统。市、县级地质灾害监测指挥中心的计算机屏幕上可以准实时地密切监视滑坡加速变形趋势,支持对库岸和滑坡破坏事件进行短期及临滑预报,也可以对发生的地质灾害事件进行现场监测和救助指挥。从2002年我们在万州WJW滑坡建成第一个遥测台网以来,在万州和巫山运用“RDA型地质灾害无线遥测台网”监测的崩、滑体已有近20处,积累了丰富的数据。该地质灾害无线遥测系统主要具有以下特点:
(1)监测参量多,精度高
系统集成了包括:滑坡地表变形(位移、沉降)、倾斜变形测量仪、裂缝测量仪、崩滑体微破裂声发射信号记录仪、钻内地层滑移变形测斜仪、孔隙水压测量仪、钢筋测力计、锚索(杆)拉力计等8种滑坡监测仪器。这些测量仪器均具有较高的测量精度和较大的动态范围。
(2)自动遥测,无人值守
遥测仪器均内置微处理器和无线数据传输模块,动态范围大,全自动监测,无线传输,可用交流电源或太阳能电池供电。
(3)无障碍设计
所研制的仪器在测量、数据传输等方面均符合无障碍设计要求,因而有安装方便,环境适应性好等优点。
(4)依托先进的通讯技术
本遥测台网综合运用了最新发展的GSM/GPRS通讯技术,既适应三峡库区的地形条件,便于安装和维护,又具有高容量、覆盖范围广以及成本较低等特点。
3.4 崩塌滑坡应急监测系统
以往,无论在三峡库区还是我国其他地方,发现有崩塌滑坡迹象时,常因缺乏应急监测手段,未能详细积累数据,错失研究的机会且不论,有时终因措施不力造成人民生命的损失。我们在RDA型遥测台网的基础上,将通讯改为GSM/SMS,即短信息方式,目的是使系统对通信公网的适应能力更强,架设更简便可靠。在监测环境偏远以及应急监测的场合,这一点显得尤为重要。
应急监测系统优选了地表倾斜、激光测距、裂缝测量仪等手段。一旦有群众报告或者通过仪器监测发现某地滑坡有加速变形迹象,便能急速赶赴现场,及时安装台网,实施24小时连续监测。既能有效避免不测事件的发生,还可积累研究滑坡变形破坏阶段的宝贵资料。2003年,应万州地方政府的要求对公路、桥梁开展的应急监测便收到了良好的效果。
3.5 合成孔径干涉雷达InSAR测量技术
合成孔径雷达干涉(InSARInSAR—Interferometry Synthetic Aperture Radar的缩写。)测量技术,是利用相邻航线上观测的同一地区的两幅SAR影像的相位差来获取地面数据的测量技术,其主要特点是利用雷达数据中的相位信息。
干涉雷达优点较多:具全天候工作能力,发射的微波对地物有一定穿透能力,能提供光学遥感所不能提供的信息,且为主动式工作方式。对于欧洲雷达卫星 ERS-1/2和加拿大雷达卫星RADRSAT-1,采用干涉技术来产生 DEM,监测地面位移变化,精度可以达到毫米量级。因此,该技术手段特别适用于大面积的滑坡、崩塌、泥石流以及地裂缝、地面沉降等地质灾害的监测预报,是一项快速、经济的空间探测高新技术。
三峡地区植被茂盛,雨水充沛,地貌差异较大,不利于干涉雷达信号的处理,曾有人在该地区做过尝试未获成功。为此,地壳应力研究所与德国地球科学研究中心(GFZ)合作,采用了国际上新推出的角反射器技术以辅助进行 InSAR信号处理。角反射器是用三块角形金属板制作的一种装置,它对照射其内的雷达波可按原方向反射回去,反射信号相对于周围环境有显著的增强。通过在工作区范围内均匀布设人工角反射器,并确定一些稳定的点作为天然反射点,便于图像的配准和精确计算角反射器的位移。对于三峡库区如此大的范围,仅仅利用有限的点位进行 GPS或其他仪器设备测量滑坡体形变是有局限的,因此,探索利用InSAR技术开展三峡库区滑坡监测,具有重要的意义。2003年,我们已经在万州和巫山两地安装了14个角反射器,进行试验监测和研究,同时还联合进行 GPS变形监测作为对比。
4 用于地质灾害监测预警的GIS系统
地质灾害监测地理信息系统是一个能够有效管理各种四维空间(含地理坐标和时间变化)数据的信息系统。它以崩滑体等监测对象为基础,把地形、城市规划、监测点分布等空间数据,按其空间位置存入计算机;通过数据库模块、曲线显示模块与数据分析模块,实现监测数据的存储、更新、查询、趋势分析、绘图显示及图、表输出等功能。
系统主要由四部分组成:地理信息子系统、地质基础资料文献管理子系统、地质灾害监测数据库子系统和监测数据分析子系统。
地壳所自1998年在重庆市万州区开展地质灾害的监测与研究工作以来,首先致力于建立基于GIS的地质灾害数据和资料管理平台,在2000年研制成功“万州库区移民工作地理信息系统”。之后,又逐步完善相关的数据库管理系统,充实数据分析模块,增加自动报警功能,实现了含数据管理、分析于一体的滑坡监测预警GIS系统,并相继推广到巫山、奉节两县。
系统采用面向对象的编程语言Visual C++6.0为开发工具,以MapInfo为基本开发平台;地质灾害监测数据库利用Microsoft SQL Server 2000创建,通过ADO技术进行数据库连接、访问。地质灾害监测预警GIS系统以大比例尺电子地图作为工作用图,可以任意缩放、漫游、能够自动查找地图目标,并与数据库相关联。该系统为管理各种工程地质、水文地质资料,为管理上述几类地质灾害监测网和监测数据,为数据的分析与结果显示,包括为群测群防工作的管理均提供了一个有效的平台,进而为滑坡稳定性的研究打下了很好的基础(系统总体结构如图2)。
图2 地质灾害监测预警GIS系统总体结构框图
根据前述功能的要求,该系统可以输出多种表达数据处理及空间分析结果的图形、图表与三维模拟图等可视化形式。图3显示了巫山县GIS系统的一个界面,显示出滑坡、道路及四类监测站的分布,即为一例。
图3 巫山GIS系统显示的GPS和倾斜监测站分布图
静态监测站;动态监测站;3.流动倾斜监测站;坐标控制点
数据分析流程基本上有如下的3个方面:
(1)整个监测系统获得的数据,包括自动传输与流动观测的,经过校核确认无误后,即可存入当地地质环境监测站基础数据库。
(2)基于地理信息系统的地质灾害趋势分析及预警技术研究,包括进行监测结果的统计分析、时间序列分析、地表位移矢量图分析、滑坡的深度—位移曲线分析、位移—降雨量分析等,并进而确定在不同的地质环境下滑坡预警的阈值。
(3)所获得的滑坡变形时间变化曲线及其二维平面分布图像的结果,可用于做进一步的滑坡稳定性分析研究。
5 各类监测技术的应用与典型监测结果
5.1 GPS技术用于滑坡变形监测
自1999年底万州库区建成含120余个流动站的GPS滑坡变形监测网,到2002年底,共完成了8期测量。结果显示,多数滑坡近期变形速率较低,在5mm/a以下;但半边石坝与实验小学等少数滑坡年变形速率分别达84mm和49mm;关塘口、青草背等滑坡也有明显变形。图4显示了万州城区滑坡现今变形的分区特点:变形大的地区多为陡坡,有的是古滑坡分布地区;近期的变形主要和人类工程活动以及强降雨等因素有关。
图4 万州城区滑坡变形分布示意图
滑坡监测点;2.滑坡;3.滑移矢量;4.变形较小的稳定地区
上述结果对于库区城镇的建设规划有指导意义。据了解,有的基础设施项目选在上述变形区域内,自2002年初开工,场平屡屡受阻,历时3年无法开展基本建设,付出了沉重的代价。对这几处稳定性差的滑坡体,加强了跟踪监测和研究。例如万州 SMB滑坡2003年继续发生变形垮塌,其北部区域5月以来曾发生严重变形。图5给出了3条有代表性的基线变化情况,纵坐标表示日降雨量以及GPS基线长度变化,单位为mm。由图中可以看到,2003年一季度该区变形速率不高,4月18日(即图中第108日)降大雨84mm后,滑坡变形明显加速。G123-134是接近主滑方向的测量基线,到6月累计变形量达到400m左右。除了该区是因人类工程活动触发滑坡变形因素外,强降雨的影响不可低估。
又如奉节新县城地区有大小崩塌、滑坡50余处,其中以三马山、宝塔坪、白衣庵、南竹园等大型滑坡对新建县城的影响最大。由于新县城地处复杂的地质构造部位,岩层较为破碎,冲沟发育,高阶地较窄,且连续性差。新建移民区大多分布在地势较陡的沟、谷坡上,人工开挖的高陡边坡随处可见,并以高度大、连续分布长为特点,边坡高度可达30~40m,长度数百米。高边坡的稳定性问题是奉节县城最大的潜在地质灾害问题之一。
2002年我们在奉节建立了含290个监测桩的GPS和地表倾斜变形监测网。到2003年中,整个县城近8km2范围的变形分布如图6所示,发生最大变形的地区是西部朱衣河谷坡一带的高边坡。这些地带大多是高阶地、陡坡,表现的主要地质灾害问题是建筑载荷导致的自然高、陡边坡、古滑坡失稳;因平整建筑场地而切削边坡,填平坡脚、沟谷,产生的高边坡与回填边坡的失稳等。
图5 SMB滑坡地表变形 GPS测量成果
图6 2003年奉节新县城变形等值线图
5.2 在滑坡工程治理安全施工阶段运用的监测技术
本阶段的监测工作主要用于评价滑坡(危岩)治理施工过程中滑坡的稳定程度,及时反馈、跟踪和控制施工进程,对原有的设计与施工组织的改进提供最直接的依据,对可能出现的险情及时发出报警信号,以便调整有关施工工艺和步骤,避免恶性事故的发生。做到信息化施工,以期取得最佳的经济效益。目前,在安全监测中使用了大量的专用仪器布设监测网,这已为广大工程技术人员所熟悉,这里仅举一例说明“RDA型地质灾害无线遥测台网”的应用成果。从2002年5月起在万州 WJW滑坡建立了无线遥测台网。该滑坡为三峡库区二期地质灾害工程治理计划项目,从2002年11月开始施工,2003年2月完成。图7所示为沿滑坡主滑方向激光测距遥测仪获得的结果。尽管施工包括59个抗滑桩的开挖与浇注,但由于设计与施工合理,整个施工期间滑坡体位移仅几个毫米,可见通过遥测台网连续监测,可以及时准确掌握滑坡变形动态,确保施工安全。
5.3 工程治理效果监测
仍以万州WJW滑坡为例。该滑坡治理工程采取以预应力锚拉抗滑桩为主,地表排水及生物工程为辅的综合治理方案。治理效果监测网采用了GPS、深部位移、孔隙水压力测量和钢筋应力计等仪器监测方法,在关键部位还设置了遥测台网进行连续监测。
图7 万州 WJW滑坡工程治理施工安全监测位移曲线
图8 为A2号抗滑桩上3002遥测子站2003年8月到12月观测结果的日变化曲线。由图可见:锚拉抗滑桩内力(钢筋计、锚杆计观测)和滑坡深部位移的变化与地下水孔隙压力(渗压计观测)的变化呈明显的相关关系;根据气象资料,滑坡孔隙水压力的变化与降雨亦有直接关系。但是从总趋势看,抗滑桩内力、深部位移变化不大,说明 WJW滑坡经过治理后基本上处于稳定状态,这与其他监测点仪器巡测的结果基本一致。
图8 3002遥测子站观测结果曲线显示
图9 为巫山GIS系统上分析、显示的WZB边坡倾斜变形矢量图,是使用仪器监测网进行工程治理效果监测的实例。如矢量图所示,4个测点的倾向均与坡向大体一致,2003年累计角变量≤0.02°,说明经过治理后的边坡稳定性良好。
5.4 滑坡变形应急监测
巫山县残联滑坡位于巫山新县城中心地带,滑坡区内高程在278~492m之间,为河流谷坡地形,坡角在10°~30°之间。滑坡体为第四纪坡积物,含碎石、粉质粘土,厚度0~12m,总体积约15万m3。由于本区域为斜坡区,公路及房屋等建设须对原始边坡不同程度的开挖、切坡,2001年已发现有变形发生。地勘资料表明残联滑坡周界明显,滑面渐趋形成,属推移式滑坡。2002年虽经两度治理,其西区在2003年仍有明显变形,危及其下的公路和移民楼房的安全。
图9 巫山县 WZB边坡倾斜变形矢量图
图10 巫山残联滑坡激光测距曲线(2003年9月~2004年2月)
应巫山县国土局要求,2003年9月安装了遥测台网。残联滑坡遥测台网安装在最能反映滑体变形特征的部位,四台遥测子站沿主滑方向形成一条测线。
激光测距的监测数据随时间的变化如图10所示。上条曲线为测距结果,测线长51.3m,滑坡向下滑移对应测线缩短,单位为mm;下条为环境温度曲线,单位为℃,横坐标为测量时间,按-年-月-日时:分格式显示。
从2003年9月12日至2004年2月3日,可大体分为两个阶段:
第一阶段:9月12日到9月27日为滑坡体中部抗滑桩完工之前,由于开挖引起边坡内部应力调整。受滑坡体上部载荷的影响,土体向前挤压。滑坡体中、下部向临空面的蠕滑变形明显,下滑速率大致均匀,约2mm/d,16天总计变化量达30mm。
第二阶段:在滑体中部的部分抗滑桩竣工后,位移速率变缓,降至0.5~1mm/d;到2004年2月上旬,变化量仅0.1mm/d。这说明抗滑治理工程对滑体变形起到了遏制作用,达到了抢险治理的目的。
6 结论
(1)基于3S技术和地面变形监测台网,基本建立了研究区典型地段滑坡监测系统。运用GPS等空间技术可以获得滑坡变形区域分布状况,不但有利于确定需要重点监测的滑坡,而且对库区城镇改造规划有指导意义。遥测台网可快速测定变形速率,是掌握滑坡动态变形趋势与开展应急监测的有效工具。
(2)为了较好地解决滑坡监测中高度的不确定性问题,需要配合使用多种类型的仪器。作者等为此研制的新型滑坡无线遥测台网和流动倾斜仪、激光测距仪,精度高,性能稳定,有较大的推广价值。
(3)由于滑坡、高边坡所处地质环境差异以及影响因素的不同,其破坏机理和危险性程度也不尽相同。正确认识、区分滑坡与高边坡的地质环景,合理布置稳定性监测点位,对其稳定性监测、分析及评价具有十分重要的意义。
在此,对参加过此项工作的杨旭东、陈诚、范国胜、李涛等同志表示感谢。
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