边坡变形一体化自动监测装置研究与应用

2023-01-03徐兰玉翟洁周楷

大坝与安全 2022年5期

徐兰玉，翟洁，周楷

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京，210012；3.国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂，北京，102200）

0 引言

边坡工程的安全监测在水利、岩土、建筑行业一直是研究重点[1-3]，按照监测内容可分为位移监测、物理场监测和外部环境监测。其中位移监测是最基本的常规监测方法，因为位移是反映边坡稳定性最直观的表现形式，主要包括内部变形和表面变形。常用的表面变形监测设备及技术包括经纬仪、全站仪、水准仪、测量机器人[4]、GNSS[5-6]、合成孔径雷达InSAR 测量技术[7-8]和三维激光扫描技术[9]等，表面变形测值通常为绝对值。但地表测点变形和滑坡变形不一致，仅基于地表变形预测滑坡的准确性十分有限。内部变形则具有更多隐蔽性和突然性，对边坡工程安全运行的影响极其严重，可通过钻孔测斜仪、多点位移计、光纤传感技术[10]、TDR技术[11]和阵列式位移计[12-14]获得，其值为相对于深部假设不动点的相对位移。但在很多实际工程中该假设可能不成立，南水北调工程许多测点数据表明，内部变形甚至比表面变形更大。此外，以上监测技术都只能单一测量内部变形或表面变形，没有将内部变形和表面变形有机结合，同时还存在测量过程复杂、累积误差大、数据修正需依靠人工等不足。为此，研究一种能准确感知、体现边坡表面及内部变形的仪器设备，避免大量的人力劳动和数据计算，减少偶然误差和计算误差十分必要。

近年来，GNSS 在民用技术应用领域的开放为边坡表面变形监测提供了一种新的测量系统。该系统具有精度高（毫米级），全自动远距离监测，全天候、快速、三维变形测定，不受地形通视条件和气候条件限制，可靠性高等优点，适用于较大区域内滑坡不同变形阶段地表三维位移变形和速度的连续监测。MEMS传感技术具有精度较测斜仪高，量程大、抗干扰、耐腐蚀性强，自动化实时监测等特点，适用于较大范围的滑坡各变形阶段滑面位移确定及深部位移监测。MEMS技术和GNSS技术发展迅猛，在我国的两河口、苗尾、南水北调等工程得到了成功应用。

因此，通过GNSS获取边坡高精度表面变形，采用与GNSS 连接的MEMS 传感器获取内部变形，通过表面向内部逐步位移累加修正获得深部变形，结合新型嵌入式系统，开发了一款表面-内部变形一体化三维自动监测装置。

1 表面-内部一体化变形监测装置

1.1 结构组成

表面-内部变形一体化三维自动监测装置包括地面变形监测组件和地下变形监测链，装置结构见图1。地面变形监测组件包括GNSS 天线、仪器测量单元模块、供电模块和无线通讯组网模块，地面组件下部紧连地下变形监测链，确保地面测点内外变形协同变化。地下变形监测链包括多个埋设于地下的变形监测单元，变形监测单元包括柔性连接、基于MEMS 的姿态感知传感器、通讯模块和锚固部件。姿态感知传感器固定在轴向导杆上，导杆一端为柔性连接，另一端与锚固体连接，姿态感知传感器与通讯模块通信连接。在两个变形监测单元之间，一个变形监测单元的柔性连接与另一个变形监测单元的锚固体连接。

图1 一体化装置整体结构Fig.1 Structure of the integrated device

地面变形监测组件与地下变形监测链通过钢筋混凝土测点墩连接，GNSS 通过变形监测单元的柔性连接与地下变形监测链连接，由此保证地面变形监测组件和地下变形监测链的上部端点坐标一致，以更好地实现数据整合。导杆则可以任意转动，以适应岩土体的变形。

MEMS传感器采样频率与GNSS测点采样频率同步，每5 min完成一次采样，GNSS解算频率为4 h一次（即当前显示的变化量结果为4 h 之前的测值），深部位移结果结合GNSS解算结果进行同步联合运算，用户根据实际需求选择对应时段进行查看。

1.2 原理及算法

根据变形传递原理，对地下三维变形采用逐段逼近的方法进行监测，通过各段测斜杆长来调整逼近精度。在逼近过程中，假设各段变形能由测斜杆倾斜度度量，将各段变形累加即可得到地下各点的三维变形。计算步骤如下：

（1）采用地面变形监测GNSS测量t时刻地面变形量。根据现场情况设置X、Y、Z轴方向，两两正交，一般X、Y向为水平向，Z为垂直向。以各变形监测单元的柔性连接为坐标原点定义坐标系组为X0-Y0-Z0、X1-Y1-Z1、X2-Y2-Z2、…、Xn-Yn-Zn，各坐标系组之间相互平行。采用地面变形监测组件获得t时刻的地面变形量，记为x0(t)、y0(t)、z0(t)。

（2）t时刻第i个变形监测单元杆式位移计轴线方向的整体长度为Li(t)，根据各变形单元的扭转角度按式（1）～（3）计算第k个地下变形监测单元对应点A(k)的三维坐标。

式中，k=1,2,…,n+1；Li(t)为t时刻第i个变形监测单元内单节测斜仪测得导杆长度；θi(t)为第i个变形监测单元内对应导杆轴线与Zi-1轴的夹角；αi(t)为第i个变形监测单元在Xi-1Oi-1Yi-1面上的投影与Xi-1轴的夹角；xk(t)、yk(t)、zk(t)为t时刻地面下第A(k)点的X、Y、Z轴坐标，其中n=1,2,…,i。变形监测单元三维坐标系见图2。

图2 变形监测单元三维坐标系Fig.2 Three dimensional coordinate system of the deformation monitoring unit

（3）根据A（k）点t时刻与初始时刻的三维坐标差，得到A（k）点的三维变形值。

1.3 组网设计

针对边坡监测使用环境通常无手机信号或信号很差的问题，可采用专用无线网络覆盖方案，该方案可适配变形、环境量等监测项目的各类传感器快速搭建施工，组网方式简便可靠。

除采用无线自组网方式组网，该装置还可采用NB-IoT、Mesh、Zigbee、LoRa、5G 等方式轻松进行自组网或融入公网，并与后台计算机或移动终端实现双向通讯。

1.4 应用平台

系统布设后，可通过云平台实时获取内、外变形监测数据，平台还具有云端综合处理、多样化图表展示、专业相关性分析、预警报警和报表统计上报等功能，提供安全可靠、实时全面、及时有效的信息服务，确保电站人员及时掌握测点安全状态信息。系统应用界面见图3。

图3 系统应用界面Fig.3 System application interfaces

2 应用实例

2.1 工程概况

以某大型抽水蓄能电站为例，该电站水工建筑物安装了多种监测仪器和监测设施，其中包括边坡深层位移监测设施。目前，边坡深层位移监测采用人工方式采集数据，数据实时性差，由于难以获得基准点位移且中间环节过多，当基础存在较大变形时，测量结果误差较大。鉴于该电站西外坡存在倾向坡外的f207、f212断层，影响边坡稳定性，因此该位置深层位移监测数据准确性对于电站安全运行尤为重要。

西外坡测点IN5 历史观测资料显示其变形特征较明显，经现场踏勘，选择该点进行内外一体化变形自动监测系统建设。

2.2 现场应用

IN5 处深部位移监测与表面位移监测实施地下-地表一体化监测方案，在地表修建观测墩，原深部位移监测测斜管管口预埋在观测墩内，表面位移监测GNSS 测站底部固定于观测墩，通过表面位移与深部位移之间的相互校核，实现地下-地表一体化自动监测。

深部位移监测传感器选用ADM系列微机电加速度式传感器替代原有的活动式测斜仪，精度可达0.1 mm，通过高度集成消除轴系间的误差，采用温区补偿模型消除温漂，保证数据采集的稳定性。GNSS北斗表面变形测站选择DT100型GNSS设备，水平精度±2.5 mm，垂直精度±5 mm。

为保证该一体化监测装置适应地下恶劣环境，地下部分采用密封防水结构，耐水压5 MPa。同时为提高系统的防雷能力，在仪器设备的电气特性上进行优化，从元器件选择、电路设计上充分考虑雷电电磁脉冲的作用，综合采用高性能芯片、电磁兼容设计和隔离光电耦合技术等，实现防雷电脉冲能力2 000 V。单节仪器采用304 不锈钢材料，仪器接头部位采用尼龙防水柔性结构，根据该材料特征，可实现抗拉强度1 000 kN。现场测站布置如图4所示。

图4 现场测站Fig.4 The field station

为验证边坡变形一体化自动监测装置采集数据的准确性和可靠性，选取该点活动式测斜仪采集的历史数据和改造后的一体化监测装置采集的数据进行比较，结果见图5。从图5可看出，沿深度方向的曲线分布特征较为相似，具有较好的一致性。另外，边坡内部三维变形曲线波动符合一般规律，可认为一体化监测装置深部位移监测结果可靠。