滑坡实时监测预警系统的实验室实现

许江，聂闻，彭守建

(重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)

滑坡实时监测预警系统的实验室实现

许江，聂闻，彭守建

(重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)

用传感器对滑坡实施监测是一种有效的监测预警手段，但由于受一些因素的限制，在实验室进行滑坡监测技术有效性的研究方面仍有一定的难度。本文以振弦式传感器为例，提出了传感器辅助机械工装以完成传感器在实验室实现滑坡监测数据模拟采集的设计思路，并通过对模拟数据进行多次测量演算了传感器及其辅助装置的可靠性。同时，为便于对监测数据进行及时有效的管理和分析，还采用VC++语言所编制的管理程序对获取的监测数据实施有效的管理和分析。结果表明，对给定信号的监测效果好，响应快，误差小，能较好地模拟滑坡现场监测。

滑坡;监测;传感器;实验室;机械工装;监测预警

0 引言

由于我国有三分之二的土地地形均为山地，使得诸如自然斜坡、陡崖或工程高边坡等的稳定性问题成为当前一个非常重要的工程实际问题［1］，所以，对因诸如自然斜坡、陡崖或工程高边坡失稳形成的地质灾害致灾体的监测预警已成为我国一个急需解决的重大问题。展开对岩(土)体及其稳定性的监测预警技术的研究既是岩石力学与工程领域的专家学者所关注的前沿课题之一，同时也有助于人们正确及时捕捉地质灾害致灾体的特征信息，为地质灾害致灾体的稳定性分析评价、预测预报及其治理工程等提供可靠资料和科学依据。

作为地质灾害致灾体之一的滑坡的监测预警所使用的监测仪器设备对其监测预警技术方法的发展至关重要。归纳起来，传统的用于滑坡监测的方法主要有常规大地测量法、特殊大地测量法、液体静力水准测量、重力测量法、近影摄影测量法、地下水位监测法、电测法、地下钻孔倾斜等。但是采用传统的测量方法都有诸如受地形通视及气候条件影响、不能连续观测、自动化程度不高、人力投入过大、数据无法及时处理、监测周期长等弊端。随着科学技术的发展，一些新的监测技术逐渐进入人们视野，国内外不少研究工作者已经对大地精密测量法、GPS法、仪器仪表监测法、综合自动遥测法在滑坡监测中的运用也有了一定的涉及和研究，甚至一种先进的滑坡监测新技术—时域反射法(TDR)技术［2－6］近来也逐渐得到了运用。这些研究成果能及时捕捉滑坡的特征信息，可为滑坡的准确分析评价、预测预报及其治理工程等提供及时可靠的资料和科学依据。但在上述这些监测预警方法中大部分都要在其前端使用传感器用于捕捉滑坡的特征信息，而布设在前端的这些传感器的工作状态及其所采集到的数据的可靠性就显得尤为重要。为此，本文拟以在滑坡监测预警中常用的几种传感器为对象，研究如何设计辅助工装完成传感器在实验室实现监测数据的模拟采集以及如何调试、测试整个监测控制系统的识别部分，以为布设在监测现场的传感器的工作状态及其所采集到的数据的可靠性分析提供评价依据，为更准确地监测滑坡信息，多角度多方位的扩大思路奠定基础。

1 滑坡及其监测传感器的选取

1.1 滑坡的种类及触发滑坡的因素

根据滑坡体体积大小不同可将滑坡分为4个等级:

(1)小型滑坡:滑坡体积小于10×104m3;

(2)中型滑坡:滑坡体积为10×104～100× 104m3;

(3)大型滑坡:滑坡体积为100×104～1000× 104m3;

(4)特大型滑坡(巨型滑坡):滑坡体体积大于1000×104m3;根据滑坡滑动速度快慢不同可将滑坡分为4类: (1)蠕动型滑坡:人们凭肉眼难以看见其运动，只能通过仪器观测才能发现的滑坡;

(2)慢速滑坡:每天滑动数厘米至数十厘米，人们凭肉眼可直接观察到滑坡的活动;

(3)中速滑坡:每小时滑动数十厘米至数米的滑坡;

(4)高速滑坡:每秒滑动数米至数十米的滑坡。

触发滑坡失稳的主要因素包括二个方面:一是地质条件与地貌条件;二是内外营力(包括降雨、地震)和人为作用的影响。

1.2 滑坡监测预警指标与传感器的选取

目前，国内外学者先后提出了10余种监测预警指标用于判断滑坡是否处于安全状态，如稳定性系数、可靠概率、位移速率、位移加速度、塑性应变率、蠕变曲线切线角、位移矢量角、声发射参数、分维值等［7］。但其中最为普遍采用的监测预警指标还是位移速率，即在单位时间内滑坡体表面或其内部产生的变形量，这也是滑坡产生失稳最为直观的监测预警指标。所以，采用位移传感器对滑坡的位移速率的监测就显得尤为重要了。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、土木工程、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。在土木工程中，所需要的测量的物理量大多数为非电量，如位移、压力、应力、应变等。传感器可以使这些非电量转换为电量进行监测与控制。为此，笔者除主要选取了用于测量滑坡位移的多点位移计、地表裂缝计、埋入裂缝计、倾斜仪等传感器外，也选取了土压力计、雨量计等非位移传感器(图1)。其中多点位移计用于测量多层土的不同沉降速率，地表裂缝计用于测量地表变形速率，埋入裂缝计用于测量地下变形速率，倾斜仪用于测量坡体水平变形速率，土压力计用于测量上方土体压力变化率，雨量计用于测量降雨速率。

1.3 位移传感器的工作原理

位移传感器通常大都采用电阻应变片型或压阻型，该方法具有灵敏度高、动态量程范围大、成本低等特点，但其存在着抗干扰性能差，温漂及零漂大等缺点，其技术性能指标难以满足现场恶劣环境中的使用要求。而振弦位移传感器以其良好的长期稳定性能及较强的现场抗干扰性已被工程界所认同，从而成为安全监测的主要仪器。这里以其中的振弦式地表裂缝计为例来简要说明振弦位移传感器的工作原理，振弦式裂缝计用于测量接缝的开合度，其振弦式感应元件与一个经热处理并消除应力的弹簧相连，弹簧两端分别与钢弦、传递杆相连(图2)，钢弦上的张力直接与拉伸成正比，当连接杆从仪器主体拉出，弹簧被拉长导致张力增大并由振弦感应元件测量，由此，接缝的开和度便可通过读数仪测出的读数变化而精确地计算得到。

2 滑坡模拟的研究思路和实施步骤

在实验室有限的空间内，为了实现利用有限的资源来进行无限次的滑坡模拟，这里以BGK－4420型振弦式裂缝计为例，提出了基于用机械工装替代滑坡现场演化的模拟方法，其技术思路如图3所示，具体步骤简述如下:

(1)根据BGK-4420型振弦式裂缝计特征与工作原理，确定如何在现场进行安装，结论如下:需要固定它两端的固定螺栓，使裂缝或滑动断裂面位于两个端点内;

(2)根据两个端点距离确定坡面大小和坡体体积，并确定采用手动转动的方式来实现在坡面上的滑动;

(3)坡面要实现可以调节水平度的，因为现实中坡体是各种各样倾斜度的;坡体要实现可以嵌紧传感器，因为现实中传感器要放入坡体内部固定;滑动部分要可以伸缩并度量，因为要把数据和测量值作对比;

(4)在工装底部安装4个可调的螺栓，用来实现坡面水平度调节，在坡面上设计一个由转位螺钉、钢套组成的两个组合件，一个固定在坡面上，一个固定在滑动面上，在坡面上设计一个由标尺、滑槽、转动手柄组合成的组合件，固定于坡面上，实现裂缝的开合;

(5)用检测装置测量传感器工作时的数据;

(6)根据参数换算位移。

3 传感器机械工装设计与测试分析

3.1 传感器的机械工装设计

图4是以BGK-4420型振弦式裂缝计为例给出的实验室模拟滑坡现场状况的机械工装设计图。

图2 BGK-4420型振弦式裂缝计原理图Fig.2 Sketch of the vibrating sensor

首先把传感器植入工装坡面的组合件支座中，用转位螺钉分别固定两个端点相当于传感器插入坡体中，通过底部调节支脚来调节模拟坡体水平度，用转动手柄来控制裂缝的开合度，设计量程为50mm，其测试数据可通过电缆及时传出。其中模拟装置的4个主要部分如图5所示，其固定装置锚固于坡体和滑动面上，传感器的支架可以放入钢套内，并由转位螺钉卡死，相当于用水泥或环氧固定支架;坡面相当于在底部设计4个调节支脚，可以随时调节改变坡面倾斜度;滑动面组合件可使传感器定量的伸缩。

3.2 通过机械工装给定数据对传感器的调试

当传感器最开始拉伸时由于球形万向节，固定螺栓等因素的影响导致最开始约20%的位移不具备完全线形性，应克服其影响后再进行测试，即20%量程后的点为初始点(图6)。

3.3 测试数据与理论值的比较

根据模数与位移转换公式:

图3 机械工装滑坡模拟研究技术路线图Fig.3 Sketch of study route of modeling landslide using mechanical tool

式中:L——位移量;

G——系数，取值为0.010469mm/Digit;

R——实时模数量;

R0——零位移时模数量。通过50次的测试得出的实际位移与理论位移的比较如图7所示。

图4 现场与实验室模拟对比图Fig.4 Sketch of mechanical tools in the laboratory and at the secene in the field

图7 给定位移与实测位移的关系Fig.7 Given displacement vs.real displacement

4 监测数据的管理与分析

为方便对监测数据的管理与及时分析，以便及时发现突然跃变的数据，把由传感器自带软件得到的原始监测数据转换成.txt格式的文档，然后再用VC++进行编程，其程序的流程示意图如图8所示［9］。在如图9所示的界面中的条件设置处可输入位移速率的临界预警值，如输入3，表示滑坡位移速率的临界值为每小时移动3mm。

当位移速率超过3时，界面上就会自动显示出警告，以提示位移速率超过了警戒值。而在时间处可以输入每次检测数据的扫描周期，如输入1，表示计算机每1秒钟扫描一次数据。

值得一提的是，考虑到不同滑坡，由于其地质和结构上的差异引起岩(土)体变形机制不同，无法用统一的模式来表征滑坡体运动特征，加上降雨、地震、人类活动以及其他随机因素的干扰，实际上大多数情况下的位移历时曲线都具有不同程度的波动和起伏，其形态各种各样［10］。因此，对滑坡的预警指标值很难给出一个客观标准，对于不同的滑坡其监测预警指标应该有其各自的不同指标值。

图8 程序流程示意图Fig.8 Program flowchart

图9 预警软件的界面Fig.9 Interface of software for warning

5 结语

综合以上研究成果，可得出以下几点结论:

(1)提出了振弦式传感器辅助机械工装以完成传感器在实验室实现滑坡监测数据模拟采集的设计思路，数十次测试结果表明对给定信号的监测响应时间约为20s，误差在4%以内;

(2)通过对数据进行50次测量，并用归一法得出了稳定的图形，验证了传感器及其辅助装置的可靠性;

(3)为便于对监测数据进行及时有效的管理和分析，采用VC++语言所编制的管理程序不仅可便利地获取发生跃变的数据，还利于后续预警［11］;

(4)本实验所用传感器设备同样适合野外滑坡的实际预警与监测，只是用于野外滑坡监测传感器寿命只有一次，经济成本较高，在实验室可以多次运用，适合于对滑坡进行机理研究与分析;

(5)如果配合单片机系统、无线数据传输设备，该传感器系统可以构成一个实时的远距离监测系统，不过在实验室的实现还需要进一步的研究。

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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

国家自然科学基金资助项目(50974141);国家科技重大专项项目(2008ZX05034－002);国家自然科学基金重点项目(50534080)

许江(1960—)，男，博士，矿山工程物理专业，教授，博士生导师，主要从事有关岩石力学与工程方面的教学与研究工作。

E-mail:jiangxu@cqu.edu.cn