HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪的研究与应用

刘一民,周策,陈文俊

(中国地质科学院探矿工艺研究所,成都 610081)

HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪的研究与应用

刘一民,周策,陈文俊

(中国地质科学院探矿工艺研究所,成都 610081)

为监测岩土层含水量的变化,预警地质灾害,中国地质科学院探矿工艺研究所研制了 HS-Ⅱ型自动监测仪。本文介绍监测仪的电容式水分传感技术、构成、原理和施工方法及其应用实验。监测仪对实验区进行的多点分层测试表明,该仪器监测数据可靠,工作正常,符合自动化和实时化的监测技术要求。

含水量;电容式水分传感器;应用实验

1 概述

岩土层含水量的变化是诱发滑坡、泥石流地质灾害最为重要的因素之一,以往采用的电阻法、中子法和γ-射线法、光学测量法和 TDR法等测量原理,分别存在精度不高、对人体危害大或受天气影响大和电子线路造价昂贵等缺点,而 HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪采用电容式水分传感器进行监测,通过含水量无线通讯采集监测仪进行远程数据采集并无线传输。HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪具有体积小、测程大、响应速度快、灵敏度高、精度高、耐腐蚀和抗潮等特点。

2 电容式水分传感器原理概述

本监测仪采用电容式水分传感器,本传感器属于高性能电容式温湿度传感器,其中温湿度传感器为湿敏电容型传感器,图1为该传感器的结构。该传感器是温湿感应元件共体,具有防电磁干扰的性能。测温计是一个标准的铂电阻 Pt100,以四线制方式测量,减少长引线带来的测量误差。

图1 电容式温湿度传感器外型图Fig.1 The exterio r figure of capacitive temperature and moisture senso r

主要的工作原理:传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。湿敏电容的结构见图2所示。它由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料、上电极构成的两个电容成串联连接。湿敏材料是一种高分子聚合物,它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时,湿敏元件的电容量随之发生改变,即当相对湿度增大时,湿敏电容量随之增大,反之减小(电容量通常在48～56 pf间)。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化,对应于相对湿度0%～100%RH的变化,传感器的输出呈0～4 V的线性变化。

传感器输出Vout通过反向多项式 Vout=9E-4RH3-1.3E-1RH2+30.815RH+1 030计算得出,如表1。温度系数补偿公式为:RHCor%=RH%Read×(1-(Ta-23)×2.4E-3)。

图2 湿敏电容传感器结构Fig.2 The structure of capacitive moisture senso r

表1 参考输出电压与含水量对比Table 1 Contrast between reference output voltage and water content

3 HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪的构成及工作原理

3.1 系统组成及工作方式

系统构成:1.地下探管;2.电容式含水量传感器组;3.智能手机或笔记本电脑;4.含水量无线通讯采集监测仪;5.野外供电系统。

HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪的系统组成如图3。

图3 系统组成图Fig.3 System composition

如图3所示,本系统的工作为自报或应答召测,自动无人值守,实时数据采集,无线遥测遥控。

现场采集:本监测仪采用嵌入式单片机LPC2103内部自带的10位8路A/D转换芯片对传感器电压信号进行A/D转换。本仪器将LPC2103的8路A/D端口按照传感器序号依次连接到含水量传感器,然后启动A/D转换采集程序,然后通过RS232接口将数据发送到笔记本电脑上,保存记录数据。

实时自动化采集:实时采集无线自动监测系统通过本项目组自主开发的 GSM通讯盒完成。首先,通过 GSM通讯盒设定自动监测的周期,然后设定每天仪器开启的时间及该检测孔序号和仪器编号。到了设定时间,通讯盒给传感器打开电源,然后启动A/D转换采集程序,通过仪器内设RS-232串口把采集的数据发送到通讯盒的存储器中,然后通过短消息(SM S)发送到中心站,经智能手机或笔记本电脑接收进入数据库进行保存。为使仪器长期连续稳定工作,采用了充电电池和太阳能电池组合工作,为防雨防雷损坏仪器专修防雷雨监测箱和无线避雷针,保证了系统安全正常工作。

3.2 性能指标

岩土层含水量:0%～100%(容积含水量),精度±2%

岩土层可渗透性:0～30 min,精度±5%

工作温度:-45℃～45℃

工作电压:4.75～5.25V

数据采集:10位AD转换器

数据速率:9 600 bps

电源:DC12V/TAH免维护电池及30 W太阳能电池板

响应时间:10 m s

输出阻抗:70Ω

输出方式:短消息(SM S)格式

4 监测施工技术方法

(1)选择监测面:据监测区地形地貌特点和地质灾害监测要求,在滑坡前缘、中部、后缘布置监测面,在每个代表性滑层面布置传感器。

(2)打监测钻孔:据监测区布点情况,按布点采用轻型便携钻机钻孔。

(3)分层埋设地下探管和含水量传感器:分层钻孔完成后,将装载传感器的地下探管分层埋设,探头前面的探针直插所测岩土层位,固定好地下探管,孔口要封堵作防雨处理,防止雨水流入孔内,在地下探管未下入之前,钻孔中非测量段要做好堵漏防渗处理。

(4)安装防雨防雷损坏仪器专修防雷雨监测罩和无线避雷针:为防雨防雷,地面系统测试设备必须放置于保护罩内,并设有太阳能电池和防雷装置。

(5)试机:连接电缆和笔记本电脑,联机试验,如数据正常工作方可进行下面工作,如不正常工作要及时排除故障。

(6)开机测试:按设计要求进行监测系统实时采集自动记录和无线发送。

5 监测系统的实际运用

2009年3月至今,应承担四川省雅安市雨城区地质灾害示范区的要求,本项目组在雅安市雨城区多营、峡口、孔坪坡面上,汉源瀑布沟后背山、黄岗坡面上,采用由中国地质科学院探矿工艺研究所研制HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪测量坡面岩土层的含水量。

5.1 测试地区地层情况和测试钻孔实际剖面情况

(1)测点安排在雅安市雨城区多营、峡口、孔坪坡面上,每个坡面各选3点安装3组探管。该地区地层岩性为J2p,自上而下为棕红色泥岩和粉砂岩。采用钻孔法进行分层测试,钻孔实际剖面从地表面起划分为4层,第一层为100 mm段,第二层为600 mm段,第三层为1 100 mm段,第四层为1 600 mm段。第四层孔深2 000 mm已进入基岩,实钻深度为2 000 mm。

(2)测点安排在汉源瀑布沟后背山、黄岗坡面上,瀑布沟后背山坡面选4点安装4组探管,黄岗坡面选1点安装1组探管,该地区地层岩性为J2p,自上而下为棕黄色泥岩和粉砂岩。采用钻孔法进行分层测试,钻孔实际剖面从地表面起划分为4层,第一层为100 mm段,第二层为600 mm段,第三层为1 100 mm段,第四层为1 600 mm段。第四层孔深1 600 mm已进入基岩,实钻深度为1 800 mm。

5.2 采用的仪器和探头埋设情况

5.2.1 采用仪器

HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪。

5.2.2 探头埋设情况

(1)雅安市雨城区多营、峡口、孔坪坡面上,仪器的测试探棒上,每隔500 mm布设传感器探头一个,共设置4个传感器探头,埋设在已打好的直经为48 mm、深度为2 000 mm钻孔内。因此,雅安市雨城区多营、峡口、孔坪坡面上,在钻孔剖面上 100 mm位置为第一层测试点,600 mm位置为第二层测试点,1 100 mm位置为第三层测试点,1 600 mm位置为第四层测试点。钻孔1 600 mm位置见基岩,第四层测试点是在基岩位置上。

(2)汉源瀑布沟后背山、黄岗坡面上,仪器的测试探棒上,每隔500 mm布设传感器探头一个,共设置4个传感器探头,埋设在已打好的直经为48 mm、深度为1 800 mm钻孔内。因此,汉源瀑布沟后背山、黄岗坡面上,在钻孔剖面上100 mm位置为第一层测试点,600 mm位置为第二层测试点,1 100 mm位置为第三层测试点,1 600 mm位置为第四层测试点。钻孔1 600 mm位置见基岩,第四层测试点是在基岩位置上。

5.3 测试结果及分析

以雅安市雨城区孔坪2号监测点举例,见图4。数据分析如下:

(1)第一层位测点含水量(容积含水量)15%至25%变化,连续阴雨后含水量达到25%,连续阴雾天气,含水量维持在19%左右,天气转睛无雾雨测点含水量17%左右,气候变化影响明显。该层位渗透力为降雨后测点从18%上升到23%含水量所需时间约为3～4 h。

(2)第二层位测点正常含水量(容积含水量)22%至32%变化,连续阴雨后含水量达到32%左右,连续阴雾天气含水量维持在27%左右,天气转睛后测点含水量24%左右。该层位渗透力为降雨后测点从28%上升到32%含水量所需时间约为17 h。

(3)第三层位测点正常含水量(容积含水量)22%至29%变化,连续阴雨后含水量达到28%,连续阴雾天气,含水量维持在27%左右,天气转睛后测点含水量维持在23%左右。该层位渗透力为降雨后测点从27%上升到29%含水量所需时间约为17 h。

图4 孔坪2号监测点含水量监测曲线Fig.4 Monito ring curves for Spot 2 in Kongping

(4)第四层位测点正常含水量(容积含水量)6%至7%变化,连续阴雨后含水量达到7.1%,增加值很小,连续阴雾天气,含水量维持在6.2%左右,天气转睛后测点,含水量维持原来6%左右。该层位渗透力为降雨后测点从6.9%上升到7.1%含水量所需时间约为22 h,气候及上层降水渗透影响不大。

5.4 监测总结

水分在岩土层内的活动是诱发滑坡、泥石流地质灾害最为重要的因素之一,从岩土层各分层含水量-时间监测曲线可观察到,含水量随着时间的变化及各岩土层间含水量变化的时序,以此可根据已有含水量-时间监测曲线推断大气降雨或地下水变化引起的各岩土层间含水量变化时间顺序关系,由此判断预测水分到达滑带的时间及含水量,并以此作为滑坡、泥石流预警的判据将成为可能。从监测的情况来看,HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪工作正常,监测数据稳定可靠。

6 结语

6.1 通过试验所测含水量数据对比证明

HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪所测的数据可靠,是一种理想的岩土层含水量测试仪器。HS-Ⅱ型岩土层含水量自动监测仪能测定岩土层含水量,进行岩土层剖面含水量多点分层测试。

6.2 本仪器先进之处

通过本仪器采集的数据可进行无线通讯遥测和存储,在地质灾害监测中引入了自动化无线监测的手段,并利用现比较成熟的 GSM网络中的SM S(短消息)功能进行自动化无线传输与测控,可以满足无人值守化、自动化、实时化等监测技术的基本要求,是滑坡、泥石流地质灾害预警监测理想的选择。

[1] 王文焰,张建峰,汪志荣.γ透射法测量土壤含水量的层间分辨率实验研究[J].水力学报,2004,31(8):85-89.

[2] 周策,刘一民,陈文俊,等.岩土层含水量分层监测系统的研究与应用[J].探矿工程,2008,(7):68-71,

[3] 宋涛,鲍一丹,何勇.利用光谱数据快速检测土壤含水量的方法研究[J].光谱学与光谱分析,2009,(3):675-677.

INVENTION AND APPL ICATIONOF THE AUTOMATIC SO IL-WATER-CONTENT MONITOR HS-Ⅱ

Liu Yi-ming,Zhou Ce,Chen Wen-jun
(The Institute of Exp lo ration Technology of CAGS,Chengdu 610081,China)

The Institute of Exp lo ration Technology of CAGS developed the HS-Ⅱmonito r to monitor changes in soil-water content and offer warning of geo-disasters.This article describes its capacitivemoisture sensing technology,composition,p rincip le,engineering methods and app lication test.The multi-pointed and multi-layered test showed that themonito r wo rked well w ith reliable data,in line w ith the technical requirementsof automated and real-time monitoring.

water content;capacitive moisture sensor;app lication experiment

X859

A

1006-4362(2011)02-0103-04

2010-12-23 改回日期: 2011-03-03

刘一民(1984- ),男,西南交通大学测控技术与仪器2006级毕业,硕士研究生,现为中国地质科学院探矿工艺研究所助理工程师,主要从事地质灾害仪器仪表研究工作。