一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法

摘要

本发明公开了一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法，能通过分析研究接收的导波信号，判断边坡是否发生变形破坏，根据室内试验得到的边坡滑移速率量化结果，可以掌握被监测边坡的变形滑移速率的快慢，能实现边坡的自动化监测，从而达到对边坡的坡体进行安全监测的目的，具备成本低、全天候自动监测、监测方法操作简单易行、数据分析简单、误差因素少探测精度较高的优点。

权利要求

1.一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，包括：

收集相关边坡的工程地质信息，确定边坡滑移面的位置，并根据边坡滑移面的位置确定监测点位置；

在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列，并在波导杆的端部安装导波传感器；

建立信号采集基站，通过无线信号传输单元按预设数据采集频率，远程对导波振铃计数特征参数进行采集；

将采集到的导波振铃计数特征参数汇总发送至中央处理器进行分析处理，得到振铃计数率和累计振铃计数，所述振铃计数率是预设单位时间内的振铃计数之和，累计振铃计数为预设一段时间内振铃计数的累计叠加，通过振铃计数率和累计振铃计数判断边坡是否发生变形破坏，包括：绘制振铃计数率和累计振铃计数随时间的变化曲线来监测边坡滑动变化趋势，若振铃计数率和累计振铃计数随着时间的增加而增加，表征边坡处于变形阶段；

导波监测滑坡发生的全过程时，振铃计数率会出现“上升‑下降”的变化趋势，上升趋势越剧烈，表征速度变化越大，下降则表征边坡重新恢复稳定状态，累计振铃计数曲线整体呈“S”型；

同一时间当振铃计数率处于较高水平，边坡的变形速率也处于一个较高的值，振铃计数率与变形速率成正比；振铃计数率也会随着变形的增加而增加，在后期累计振铃计数都会达到一个较高的水平；如果振铃计数率一开始就处于一个较高的水平，说明边坡失稳较为剧烈；

利用室内试验得出累计振铃计数和变形存在良好的线性关系，分别对累计振铃计数和变形进行求导，得到导波速率和滑移速率；X是室内试验预设的滑移速率，Y是导波速率，对若干个(X,Y)点作拟合，建立滑移速率与导波速率之间的关系；

根据现场监测得到的累计振铃计数求出导波速率，通过滑移速率与导波速率之间的关系，计算出边坡的滑移速率。

2.根据权利要求1所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，间隔预设时间计算一次导波速率，结合变形速率与导波速率之间的函数关系，得到边坡的滑移速率。

3.根据权利要求1所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列的过程，包括：按照预设孔径在监测点位置钻孔，钻孔的方向垂直边坡面的方向，钻孔要穿过潜在边坡滑移面的位置超深预设的距离；

根据不同的地质条件选择不同的孔间距，确定波导杆根数；

将波导杆放置于钻孔的中心位置，沿钻孔底部开始，在所述波导杆与钻孔管壁间填充砾石至低于孔口预设距离处，最后用混凝土对孔口进行密封。

4.根据权利要求3所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，所述预设孔径为90mm，砾石直径为4mm～8mm。

5.根据权利要求4所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，所述波导杆3

选用304不锈钢圆钢，所述波导杆的直径选择为16mm，波导杆的密度为7.93g/cm ，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，所述波导杆长度为L杆＝L孔+0.3，L孔为钻孔的长度，单位为m。

6.根据权利要求5所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，在波导杆的端部安装导波传感器的过程，包括：所述波导杆在地表露出0.3m，端部安装导波传感器，导波传感器连接前置放大器及滤波器，分别对信号进行放大器增益，以及将频率限制在预设低频范围内，并用保护罩罩住导波传感器元件。

7.根据权利要求1所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，所述预设数据采集频率，包括：正常工况下，工作人员每天对传感器进行远程访问，下载采集到的振铃计数率和累计振铃计数整理汇总；每隔一个星期到现场进行检查，有无损坏情况；降雨或外部作业干扰下，每隔一小时监控采集到的数据；在极端天气或强烈外部作业扰动下，每隔半小时监控一次数据，并在现场安全地区安排相应的人员实时汇报边坡情况，以及做好警戒措施。

8.根据权利要求6所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，所述信号采集基站由太阳能蓄电池供电，其设置有数据采集处理系统，与所述滤波器连接，只记录和存储导波振铃计数特征参数。

9.根据权利要求1‑8任一所述的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，其特征在于，所述边坡为岩质边坡或土质边坡。

说明书

一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及边坡技术领域，具体涉及一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法。

背景技术

[0002] 随着中国经济的快速发展，在矿山、公路、铁路和水利水电等工程建设中，均涉及到边坡的开挖，经常面临不同类型和规模的边坡失稳问题。边坡滑坡已成为最为频发的地质灾害之一，并严重威胁人们的生命和财产安全及影响工程的安全建设和运营。

[0003] 国内外边坡稳定性监测技术和方法很多，主要分为位移监测和应力监测。位移监测技术包括：(1)普通技术：简易伸长计、多点位移计、经纬仪、水准仪等。这些监测元件原理简单、价格便宜，但自动化程度低、需要专门的测量人员。(2)光电技术：全站仪、光电测距仪、摄影经纬仪、激光扫描仪、光纤等。可对多个点的移动进行测量，但易受环境的影响。(3)现代技术：全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、地基合成孔径雷达(GB‑SAR)等。应力是难于直接测定的物理量，一般采用间接方法测定。常见的应力监测元件：钢弦压力盒、液压枕、电阻应变计、光弹应力计等。也有通过监测致滑力的锚索滑坡监测系统，其原理为在边坡中埋设一锚索，边坡滑动引起锚索受力，根据锚索的受力情况反演边坡岩体深部的滑动力变化，实现滑坡监测预警。地球物理方法也是常见的边坡稳定性监测方法，如：地震勘探法、地质雷达法、高密度电法、微震监测法、声发射监测方法等。当下的边坡稳定性监测技术的研究热点主要集中在“高精度、自动化、新技术”等方面。导致监测预警技术复杂、设备价格昂贵，而普通监测方法精度及可靠性程度不高，难以满足需求。

[0004] 边坡变形失稳时会产生弹性波，声发射监测技术是通过捕获和测量弹性波来确定边坡的变形程度。声发射监测在岩土工程的应用中并不是一项新技术，国内外科研人员已经应用该技术研究土质和岩质边坡稳定性超过50年了。通过使用波导杆提供一个低衰减路径来解决信号传播距离短的问题。但绝大多数研究只是定性的描述了破坏过程的声学特性，没有建立声发射参数与损伤或滑移变形程度的定量关系，并运用在边坡滑坡预警上。

发明内容

[0005] 因此，为了克服的现有技术对边坡滑坡预警监测过程技术复杂、设备价格昂贵，应用不够广泛的缺陷，本发明提供一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法，丰富了边坡预警监测手段，造价相对便宜的同时能够准确的预警边坡滑坡变形，能够广泛的被应用。

[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 第一方面，本发明实施例提供一种用于边坡滑坡预警的导波监测方法，包括:收集相关边坡的工程地质信息，确定边坡滑移面的位置，并根据边坡滑移面的位置确定监测点位置；

[0008] 在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列，并在波导杆的端部安装导波传感器；

[0009] 建立信号采集基站，通过无线信号传输单元按预设数据采集频率，远程对导波振铃计数特征参数进行采集；

[0010] 将采集到的导波振铃计数特征参数汇总发送至中央处理器进行其进行分析处理，得到振铃计数率和累计振铃计数，所述振铃计数率是预设单位时间内的振铃计数之和，累计振铃计数为预设一段时间内振铃计数的累计叠加，通过振铃计数率和累计振铃计数判断边坡是否发生变形破坏；

[0011] 利用室内试验得出累计振铃计数和变形存在良好的线性关系，分别对累计振铃计数和变形进行求导，得到导波速率和滑移速率；X是室内试验预设的滑移速率，Y是导波速率，对若干个(X,Y)点作拟合，建立滑移速率与导波速率之间的关系；

[0012] 根据现场监测得到的累计振铃计数求出导波速率，通过滑移速率与导波速率之间的关系，计算出边坡的滑移速率。

[0013] 优选地，间隔预设时间计算一次导波速率，结合变形速率与导波速率之间的函数关系，得到边坡的滑移速率。

[0014] 优选地，在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列的过程，包括：

[0015] 按照预设孔径在监测点位置钻孔，钻孔的方向垂直边坡面的方向，钻孔要穿过潜在边坡滑移面的位置超深预设的距离；

[0016] 根据不同的地质条件选择不同的孔间距，确定波导杆根数；

[0017] 将波导杆放置于钻孔的中心位置，沿钻孔底部开始，在所述波导杆与钻孔管壁间填充砾石至低于孔口预设距离处，最后用混凝土对孔口进行密封。

[0018] 优选地，所述预设孔径为90mm，砾石直径为4mm～8mm。

[0019] 优选地，所述波导杆选用304不锈钢圆钢，所述波导杆的直径选择为16mm，波导杆的密度为7.93g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，所述波导杆长度为L杆＝L孔+0.3，L孔为钻孔的长度，单位为m。

[0020] 优选地，在波导杆的端部安装导波传感器的过程，包括：所述波导杆在地表露出0.3m，端部安装导波传感器，导波传感器连接前置放大器及滤波器，分别对信号进行放大器增益，以及将频率限制在预设低频范围内，并用保护罩罩住导波传感器元件。

[0021] 优选的，所述预设数据采集频率，包括：正常工况下，工作人员每天对传感器进行远程访问，下载采集到的振铃计数率和累计振铃计数整理汇总；每隔一个星期到现场进行检查，有无损坏情况；降雨或外部作业干扰下，每隔一小时监控采集到的数据；在极端天气或强烈外部作业扰动下，每隔半小时监控一次数据，并在现场安全地区安排相应的人员实时汇报边坡情况，以及做好警戒措施。

[0022] 优选地，所述通过振铃计数率和累计振铃计数判断边坡是否发生变形破坏的步骤，包括：绘制振铃计数率和累计振铃计数随时间的变化曲线来监测边坡滑动变化趋势，若振铃计数率和累计振铃计数随着时间的增加而增加，表征边坡处于变形阶段；

[0023] 导波监测滑坡发生的全过程时，振铃计数率会出现“上升‑下降”的变化趋势，上升趋势越剧烈，表征速度变化越大，下降则表征边坡重新恢复稳定状态，累计振铃计数曲线整体呈“S”型；

[0024] 同一时间当振铃计数率处于较高水平，边坡的变形速率也处于一个较高的值，振铃计数率与变形速率成正比；振铃计数率也会随着变形的增加而增加，在后期累计振铃计数都会达到一个较高的水平；如果振铃计数率一开始就处于一个较高的水平，说明边坡失稳较为剧烈。

[0025] 优选地，所述信号采集基站由太阳能蓄电池供电，其设置有数据采集处理系统，与所述滤波器连接，只记录和存储导波振铃计数特征参数。

[0026] 优选地，所述边坡为岩质边坡或土质边坡。

[0027] 本发明技术方案，具有如下优点：

[0028] 本发明提供的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，能通过分析研究接收的导波信号，判断边坡是否发生变形破坏，根据室内试验得到的边坡滑移速率量化结果，可以掌握被监测边坡的变形滑移速率的快慢，能实现边坡的自动化监测，从而达到对边坡的坡体进行安全监测的目的，具备成本低、全天候自动监测、监测方法操作简单易行、数据分析简单、误差因素少探测精度较高的优点。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 图1为本发明实施例中提供的用于边坡滑坡预警的导波监测方法的一个具体示例的流程图；

[0031] 图2为本发明实施例中提供的边坡稳定性“导波计”监测场景示意图；

[0032] 图3为本发明实施例提供的16mm波导杆不同模态的导波衰减曲线图；

[0033] 图4为本发明实施例提供的16mm波导杆与4～8mm砾石组成的“导波计”所采集的累计振铃计数与边坡失稳变形具有良好的线性关系示意图；

[0034] 图5为本发明实施例提供的“导波计”监测示意图；

[0035] 图6为本发明实施例提供的滑坡初始时振铃计数率和累计振铃计数随时间的变化示意图；

[0036] 图7为本发明实施例提供的滑坡全过程振铃计数率和累计振铃计数变化示意图；

[0037] 图8为本发明实施例提供的室内试验不同滑移速率下“导波计”振铃计数率的变化示意图；

[0038] 图9为本发明实施例提供的累计振铃计数随时间变化的拟合曲线示意图；

[0039] 图10为本发明实施例提供的导波速率与滑移速率拟合曲线示意图。

具体实施方式

[0040] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0042] 实施例1

[0043] 本发明实施例提供一种边坡滑坡预警的导波监测方法，可以应用于岩质边坡或土质边坡，本发明实施例以监测顺层岩质边坡作为举例，顺层岩质边坡是指边坡岩体内的优势结构面与边坡具有相同倾向的边坡。有别于其他类型的边坡，顺层岩质边坡发生变形和破坏的主要原因是滑面位于坡内的软弱结构面处，本身力学效应差。在外界的强烈扰动下，如爆破振动、人工开挖和暴雨等，导致滑坡的突然发生甚至提前发生。

[0044] 其原理为：顺层岩质边坡发生变形破坏时主要沿其软弱结构面。设想在顺层岩质边坡内埋设一波导杆，波导杆穿过潜在滑移面，然后在波导杆与边坡岩体间填充耦合介质，波导杆和耦合介质的组合定义为“导波计”(Guided Wave Gauge，GWG)。顺层边坡沿滑移面滑动时，“导波计”中的耦合介质与波导杆相互作用，产生的声发射信号以导波的形态沿波导传播(监测场景如图1所示)，结合导波衰减小、传播距离远的特点，使用“导波计”监测顺层岩质边坡的稳定性。通过边坡滑移速率与导波速率的关系来监测边坡的变形滑移速率提供预警。其过程如图2所示：

[0045] 步骤S1:收集相关边坡的工程地质信息，确定边坡滑移面的位置，并根据边坡滑移面的位置确定监测点位置。

[0046] 本发明实施例通过收集相关顺层岩质边坡的工程地质信息，包括坡面走向、倾向、倾角和软弱结构面的倾向、倾角以及软弱结构面的数量，来确定边坡滑移面的位置，进一步确定监测点位置。

[0047] 步骤S2:在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列，并在波导杆的端部安装导波传感器。

[0048] 本发明实施例在所述监测点位置钻孔预埋波导杆阵列的过程，包括：

[0049] 1)按照预设孔径在监测点位置钻孔(例如是孔径为90mm)，钻孔的方向垂直边坡面的方向，钻孔要穿过潜在边坡滑移面的位置(顺层岩质基地软弱结构面)超深预设的距离；

[0050] 2)根据不同的地质条件选择不同的孔间距，确定波导杆根数；

[0051] 将波导杆放置于钻孔的中心位置，沿钻孔底部开始，在所述波导杆与钻孔管壁间填充砾石至低于孔口预设距离处，最后用混凝土对孔口进行密封。

[0052] 本发明实施例波导杆选用304不锈钢圆钢，波导杆的直径选择为16mm。在0～150kHz主频内，16mm波导杆导波衰减系数相对较小，16mm波导杆不同模态的导波衰减曲线
3
如图3所示，该波导杆的密度为7.93g/cm ，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数
0.003Np/wl，横波衰减系数0.008Np/wl，波导杆长度为L杆＝L孔+0.3，L孔为钻孔的长度，单位为m，通过以上设置使得导波衰减达到最小的效果。

[0053] 选用耦合介质材质为砾石，粒径为4～8mm。砾石材料来源广泛、价格便宜，用4～8mm的砾石回填钻孔与波导杆之间的空隙，更节省人力、物力、财力,16mm的波导杆与4～8mm的砾石组成的“导波计”对边坡失稳变形和边坡滑移速率反应灵敏，如图4所示。将砾石材料一直填充至低于孔口0.5m处，。

[0054] 本发明实施例中的波导杆在地表露出0.3m，端部安装导波传感器，使接触面积达到最大。传统的贴合方式是将传感器附着在靠近波导杆末端的外壁上，传感器底部与波导杆侧面之间的接触面积相对较小。这两种附着方式，传感器接收信号的距离相近，导波的衰减是相同的。然而，传感器主要是利用底面的压电陶瓷材料感知质点的振动来获取信号。因此，增加传感器底面与波导杆的接触面积，采集到的导波信号数量随之增加，提高了传感器的监测灵敏度，传感器的型号为UT‑1000。连接前置放大器，放大器增益设置为40dB，提高信噪比；连接滤波器，将频率限制在低频范围内，消除环境带来的背景噪声，信号门槛值设为35dB。并用保护罩罩住所述导波传感器。保护外壳使用塑料材质，顶端为木制材料，避免金属材料的热胀冷缩产生噪声，整体漆成白色，避免夏季极端天气保护罩内温度过高，影响电子元件的正常运转；单个监测点示意图，如图5所示。

[0055] 步骤S3:建立信号采集基站，通过无线信号传输单元按预设数据采集频率，远程对导波振铃计数特征参数进行采集。

[0056] 本发明实施例中，在边坡附近建立信号采集基站，信号采集基站由太阳能蓄电池供电，各个监测点的数据分门别类存储，其设置有数据采集处理系统，与所述滤波器连接，避免运行一段时间后出现太阳能蓄电池供电不足和数据采集处理系统存储容量有限的问题，以及降低使用方的监测成本，只记录和存储导波振铃计数特征参数。本发明实施例中的导波振铃计数是导波信号幅值在一个时间段内越过预设门槛电压的次数。

[0057] 实际应用中，导波信号监测及采集是连续的。通过安装无线信号传输单元，对信号基站所采集的数据进行远程访问并下载。正常工况下，工作人员每天对传感器进行远程访问，下载采集到的信数据，整理汇总。每隔一个星期到现场进行检查，有无损坏情况。降雨或外部作业干扰下，每隔一小时监控采集到的数据；在极端天气或强烈外部作业扰动下，每隔半小时监控一次数据，并在现场安全地区安排相应的人员实时汇报边坡情况，以及做好警戒措施。

[0058] 步骤S4:将采集到的导波振铃计数特征参数汇总发送至中央处理器进行其进行分析处理，得到振铃计数率和累计振铃计数，所述振铃计数率是预设单位时间内的振铃计数之和，累计振铃计数为预设一段时间内振铃计数的累计叠加，通过振铃计数率和累计振铃计数判断边坡是否发生变形破坏。

[0059] 本发明实施例采用matlab软件对数据进行处理，得到振铃计数率和累计振铃计数，振铃计数能反应导波信号源的活跃度。绘制出导波振铃计数率和导波累计振铃计数随时间的变化曲线。当发生边坡失稳时，可通过导波振铃计数率和导波累计振铃计数对其进行预警。若导波振铃计数率和累计振铃计数率特征参数随着时间的增加而增加，说明边坡处于变形滑动阶段，如图6所示。

[0060] 导波监测滑坡发生的全过程时，特征参数会表现为以下特征。导波振铃计数率会出现“上升‑下降”的变化趋势，上升趋势越剧烈，速度变化越大，下降则是边坡重新恢复稳定状态。导波累计振铃计数曲线整体呈“S”型，如图7所示。振铃计数率和累计振铃计数曲线的增加都可以作为边坡失稳的预警。

[0061] 通过振铃计数率和累计振铃计数率判断顺层岩质边坡滑移变形速率的快慢。如图8所示，同一时间当导波振铃计数率处于较高水平，边坡的变形速率也处于一个较高的值，即导波振铃计数率与变形速率成正比。振铃计数率也会随着变形的增加而增加，在后期振铃计数率都会达到一个较高的水平，需要监测人员特别注意。如果，振铃计数率一开始就处于一个较高的水平，说明边坡失稳较为剧烈，就需要派人员去现场警戒并做好相关的安全措施。

[0062] 步骤S5:利用室内试验得出累计振铃计数和变形存在良好的线性关系，分别对累计振铃计数和变形进行求导，得到导波速率和滑移速率；X是室内试验预设的滑移速率，Y是导波速率，对若干个(X,Y)点作拟合，建立滑移速率与导波速率之间的关系。

[0063] 步骤S6:根据现场监测得到的累计振铃计数求出导波速率，通过导波速率与滑移速率之间得关系，计算出边坡的滑移速率。

[0064] 由室内试验得出“导波计”得到的累计振铃计数与变形存在良好的线性关系。变形对时间的导数是变形速率，累计振铃计数对时间的导数是导波速率。因此，可以建立导波速率与变形速率之间的关系。用累计振铃计数与时间的拟合曲线的斜率表示导波速率大小，如图9所示。实际对数据拟合过程中已知滑移速率(用压力机的加载速率模拟边坡滑移速率)，得到对应滑移(变形)速率的振铃计数，计算出累计振铃计数和振铃计数率。对累计振铃计数求导，即对其作拟合，得到拟合曲线的斜率，该斜率就是导波速率。

[0065] 本发明实施例为了避免误差，间隔一定的时间(可以根据需求作合理设置，在此不作具体限定)计算一次导波速率，如图10所示。在现场可以测得累计振铃计数，就能求出导波速率，将该导波速率带入拟合曲线的公式(1)，得到滑移速率的精确范围，可估算出边坡滑移速率范围。

[0066] X＝(Y‑2079)/63614         (1)

[0067] 式中，Y为导波速率，x为滑移速率。

[0068] 本发明实施例提供的用于边坡滑坡预警的导波监测方法，能通过分析研究接收的导波信号，判断边坡是否发生变形破坏。根据室内试验得到的边坡滑移速率量化结果，可以掌握被监测边坡的变形滑移速率的快慢能实现边坡的自动化监测，从而达到对边坡的坡体进行安全监测的目的，具备成本低、全天候自动监测、监测方法操作简单易行、数据分析简单、误差因素少探测精度较高的优点。

[0069] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。