基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法

摘要

本发明公开了一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法，该系统由磁性传感元件、全张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统组成。该监测方法克服了在边坡深部进行变形失稳监测中需要结合存在主观经验成分的岩土力学模型的问题，在不需要边坡的岩土力学参数和力学模型的情况下，实现自动调整标距以适应边坡各变形阶段的不同位移尺度，从而精确地测量不同阶段的变形，达到边坡深部变形失稳全过程监测并预警。

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别涉及一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法。

背景技术

传统的边坡变形测量主要有位移计、测斜仪、滑动变形计、滑动测微计、大地测量法等。近二十年以来，边坡监测逐渐受到国内外研究人员的重视，目前逐渐发展的监测方法大致有三维激光扫描技术、光纤光栅、合成孔径雷达干涉测量技术、地质雷达、GIS测量、GPS测量、摄影测量方法、电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)微变形监测、电磁时域反射(Time Domain Reflectometry,TDR)、声发射技术等检测/监测方法。

基于三维激光测量和无线网络等技术建立边坡表面变形的远程自动监测系统，但激光在野外环境中易受到大气衰减和湍流及光照等的影响，且激光仅能测量边坡表层的变形，无法监测边坡深部变形。采用全自动高精度全站仪、棱镜、监测软件、计算机工作站等可组成边坡变形自动监测系统，但同样存在容易受大气衰减、雨、雾等天气影响，且无法监测边坡深部变形。光纤光栅传感方法作为一种分布式的结构应变监测手段，可根据应变监测数据判断边坡内部的受力分布，但存在传感器存活率过低、成本高昂、维护困难等缺点，如应用在岩土工程中尚需解决传感器的封装和耐久性等问题。合成孔径雷达干涉测量技术、地质雷达，GIS测量、GPS测量、摄影测量方法、CCD微变形监测等仅能监测边坡表面的变形，无法监测边坡内部的变形，而边坡失稳滑动时在边坡内部形成滑移路径，边坡深部变形监测尤为重要。TDR电缆、声发射技术可确定边坡滑动面的位置，但无法确定滑动的方向，难以准确测量变形量。测斜仪、滑动变形计、滑动测微计等可监测边坡内部的变形，但在边坡深部的测杆、电缆等仪器布设较繁琐。另一方面，结合现 有边坡变形监测方法和无线通信技术，可集成实现边坡变形的无线监测系统，但大多数边坡变形监测传感器测易受雨水、滚石、泥石流等环境破环，需要精心的维护。

综上所述，现有的边坡变形监测技术，存在无法有效地监测边坡深部变形；且现有的监测方法需要结合岩土的力学参数和力学模型，但岩土的力学参数变异性大、随机性强，力学模型存在大量的人为主观因素和个人经验；另一方面，现有的边坡变形监测存在测量标距单一，不能同时监测边坡前期微小变形、中后期大变形的缺点，难以自动实现边坡深部变形失稳的全过程监测。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法，克服了在边坡深部进行变形失稳监测中需要结合存在主观经验成分的岩土力学模型的问题，在不需要边坡的岩土力学参数和力学模型的情况下，实现自动调整标距以适应边坡各变形阶段的不同位移尺度，从而精确地测量不同阶段的变形，达到边坡深部变形失稳全过程监测并预警。

就监测系统而言，包括磁性传感元件、全张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁性传感元件数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于测点处发射磁场；所述全张量磁力梯度仪设于边坡表面，测量各测点的磁场梯度张量；所述数据传输系统将磁场梯度张量传输至数据控制系统；所述数据控制系统根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。

优选的，所述磁性传感元件包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、高阻尼橡胶隔震层、工程塑料防渗层和高耐久性混凝土外壳。

就监测方法而言，在边坡深部布设n个测点，每一个测点均埋设一个磁 性传感元件，通过全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量测量并记录其初始三维位置，在边坡变形失稳的每个阶段的进行第k次测量。通过全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量得到各测点之间的相对位移，然后判断各测点与潜在的滑动面的相对位置关系，将测点分为两类，分别位于潜在的滑动面的两侧，依此得到潜在的滑动面的位置，再根据第k次的测量和前面阶段的若干次测量而得到相对位移进行计算，得到边坡变形失稳监测的最佳标距，作为第k次和第k+1次测量的标距。在此基础上，根据计算相对位移的变化速率的梯度，对边坡变形失稳进行安全评价，从而进行预警。

本发明的有益效果：本发明的监测系统和监测方法，解决了在边坡深部进行变形失稳监测中需要结合存在大量主观经验成分的岩土力学模型的问题，在不需要边坡的岩土力学参数和力学模型的情况下，实现自动调整标距以适应边坡各变形阶段的不同位移尺度，从而精确地测量不同阶段的变形，达到边坡深部变形失稳全过程监测并预警。

附图说明

图1为本发明的监测系统的系统构成图；

图2为本发明的监测系统中的磁性传感元件的示意图；

图3为本发明的监测方法中的边坡测点布置示意图；

图4为本发明的监测方法中的边坡潜在滑动面两侧的测点位置示意图；

图5为本发明的监测方法中的边坡变形失稳发展过程中的测点位置示意图；

图中：1-磁性传感元件、2-全张量磁力梯度仪、3-数据传输系统、4-数据控制系统、5-钕铁硼永磁铁、6-高阻尼橡胶隔震层、7-工程塑料防渗层、8-高耐久性混凝土外壳、9-边坡、10-测点、11-潜在滑动面；

图1至图5中：每一个测点10均布设一个磁性传感元件1。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统包括磁性传感元件1、全张量磁力梯度仪2、数据传输系统3和数据控制系统4。其中，磁性传感元件1用来发射磁场，数量为多个，埋设在边坡9内不同的测点10处；全张量磁力梯度仪2用于检测边坡内的各个测点10处的磁性传感元件1的磁场梯度张量；数据传输系统3将全张量磁力梯度仪2测得的各测点处的磁场梯度张量传送至数据控制系统4；数据控制系统4采用计算机终端和网络，根据磁场梯度张量计算各测点之间的相对位移，然后判断各测点与潜在的滑动面的相对位置关系，将测点分为两类，分别位于潜在滑动面11的两侧，依此得到潜在滑动面11的位置，再根据第k次的测量和前面阶段的若干次测量而得到相对位移进行计算，得到边坡变形失稳监测的最佳标距，作为第k次和第k+1次测量的标距，在此基础上，根据计算相对位移的变化速率的梯度，对边坡变形失稳进行安全评价，并进行预警。

如图2所示，磁性传感元件1包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁5、高阻尼橡胶隔震层6、工程塑料防渗层7和高耐久性混凝土外壳8，钕铁硼永磁铁5其磁性稳定、在自然界几乎不减退而达到长期服役的目标，使其可以埋设的深度更深，当然也可以使用其他磁场发射元件来代替钕铁硼永磁铁5，高阻尼橡胶隔震层6可以防止边坡深部的铁硼永磁铁5在长期震动荷载和其他撞击作用下失去磁性；工程塑料防渗层7具有电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击、防渗的优点，可在雨水、岩体渗流中服役，增强钕铁硼永磁铁5使用的耐久性；高耐久性混凝土外壳8可以在荒山、高原、高寒地区等恶劣环境下长期服役。

下面详细介绍本发明的监测方法，该监测方法包括如下步骤：

S1)在边坡表面放置全张量磁力梯度仪2，在边坡内布置n个测点，每 一个测点均埋设一个磁性传感元件1，测点编号分别为s₁，s₂，…，s_i，…，s_n，边坡测点的布置形式如图3所示，在埋设时，采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量测量并记录每个测点的初始三维位置，第i个测点s_i即第i个测点处的磁性传感元件相对于全张量磁力梯度仪的初始三维位置

采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量得到测点s_i相对于全张量磁力梯度仪的初始三维位置及后续第k次测量时相对于全张量磁力梯度仪的三维位置是一种现有技术，其具体方法参见以下三篇文献：《基于磁性标签石块的桥墩局部冲刷监测方法》(重庆大学学报，2016年2月第39卷第1期)，《基于磁测的边坡深部大变形监测方法》(岩土力学，2013年10月第34卷第10期)，《基于磁场梯度定位的边坡变形监测原理》(岩土工程学报，2012年10月第34卷第10期)，本文不再详述；

S2)在边坡未发生变形时，通过全张量磁力梯度仪2测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量得到测点s_i与其他测点之间的初始距离分别为：(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i；如取j＝i，则为对角元素)，且初始距离的矩阵为

$L^{\left(0\right)}=\left(\begin{array}{cccccc}{l}_{11}^{\left(0\right)}& l_{12}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{1j}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{1n}^{\left(0\right)}\\ l_{21}^{\left(0\right)}& l_{22}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{2j}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{2n}^{\left(0\right)}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .& & .\\ l_{n1}^{\left(0\right)}& l_{n2}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{nj}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{nn}^{\left(0\right)}\end{array}\right)$

矩阵L(⁰)为对称矩阵，且对角元素取值为零；

其中，和分别为测点s_i的初始三维位置和s_j的初始三维位置。在边坡变形的变形失稳监测过程中，得到测点s_i与其他测点之间的距离根据得到距离矩阵L^(k)。

S3)边坡发生变形时，第k次测量，得到测点s_i与其他测点之间的距离分别为(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i；如取j＝i，则为对角元素)，

在边坡变形的变形失稳监测过程中，采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量得到第k次测量时测点s_i的三维位置和s_j的三维位置然后得到测点s_i与其他测点之间的距离根据得到距离矩阵L^(k)。

$L^{\left(k\right)}=\left(\begin{array}{cccccc}{l}_{11}^{\left(k\right)}& l_{12}^{\left(k\right)}& \mathrm{...}& l_{1j}^{\left(k\right)}& \mathrm{...}& l_{1n}^{\left(k\right)}\\ l_{21}^{\left(k\right)}& l_{22}^{\left(k\right)}& \mathrm{...}& l_{2j}^{\left(k\right)}& \mathrm{...}& l_{2n}^{\left(k\right)}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .& & .\\ l_{n1}^{\left(k\right)}& l_{n2}^{\left(k\right)}& \mathrm{...}& l_{nj}^{\left(k\right)}& \mathrm{...}& l_{nn}^{\left(k\right)}\end{array}\right)$

矩阵L^(k)为对称矩阵，且对角元素取值为零；

S4)测点s_i与其他测点之间的相对位移分别为(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i)；式中，

则相对位移矩阵ΔL^(k)为

${\mathrm{\Delta L}}^{\left(k\right)}=L^{\left(k\right)}-L^{\left(0\right)}=L^{\left(k\right)}=\left(\begin{array}{cccccc}{l}_{11}^{\left(k\right)}-l_{11}^{\left(0\right)}& l_{12}^{\left(k\right)}-l_{12}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{1j}^{\left(k\right)}-l_{1j}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{1n}^{\left(k\right)}-l_{1n}^{\left(0\right)}\\ l_{21}^{\left(k\right)}-l_{21}^{\left(0\right)}& l_{22}^{\left(k\right)}-l_{22}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{2j}^{\left(k\right)}-l_{2j}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{2n}^{\left(k\right)}-l_{2n}^{\left(0\right)}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .& & .\\ l_{n1}^{\left(k\right)}-l_{n1}^{\left(0\right)}& l_{n2}^{\left(k\right)}-l_{n2}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{nj}^{\left(k\right)}-l_{nj}^{\left(0\right)}& \mathrm{...}& l_{nn}^{\left(k\right)}-l_{nn}^{\left(0\right)}\end{array}\right)$

S5)判断测点s_i与潜在滑动面的相对位置：

测点s_i与其他测点之间的相对位移的均值(i＝1，2，…，n)

测点s_i与其他测点之间的相对位移的标准差(i＝1，2，…，n)

对于测点s₁，如(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i)，则认为测点s_j和s₁均位于潜在的滑动面的同一侧；如(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i)，则认为测点s_j和s₁分别位于潜在的滑动面的两侧；如(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i)，则对于测点s_j留在后续进行判断，

对于测点s_i，如(j＝i+1，…，n)，则认为测点s_j和s_i均位于潜在的滑动面的一侧，如(j＝i+1，…，n)，则认为测点s_j和s_i分别位于潜在滑动面11的两侧，

从测点s₁开始到测点s_n-1，依次进行上述判断，将所有测点s₁，s₂，…，s_i，…，s_n分为两类，即和分别位于潜在的滑动面的两侧；

S6)判断潜在滑动面的位置：

在潜在滑动面的两侧的测点中，即和任意选择2个测点(2个测点分别位于潜在滑动面的两侧)进行配对，得到c对测点(c≤m，c≤n-m，c≤0.5n)，根据距离矩阵L^(k)，对上述若干对测点的距离大小进行降序排列(任一个测点仅配对一次，如一个测点和多个测点配对，仅保留距离最大的配对)，得到

$(s_{p1}^{\left(k\right)},s_{q1}^{\left(k\right)}),(s_{p2}^{\left(k\right)},s_{q2}^{\left(k\right)}),\mathrm{....}(s_{pi}^{\left(k\right)},s_{qi}^{\left(k\right)}),\mathrm{...},(s_{pc}^{\left(k\right)},s_{qc}^{\left(k\right)}),$

(c≤m，c≤n-m，c≤0.5n)，式中，在潜在的滑动面的一侧，在潜在的滑动面的另一侧，根据前述的全张量磁力梯度仪的测量，相对于全张量磁力梯度仪，的三维位置为的三维位置为对于降序排列的配对测点分别取中间位置其三维坐标为即

$u_{hi}^{\left(k\right)}=0.5(u_{pi}^{\left(k\right)}+u_{qi}^{\left(k\right)}),v_{hi}^{\left(k\right)}=0.5(v_{pi}^{\left(k\right)}+v_{qi}^{\left(k\right)}),w_{hi}^{\left(k\right)}=0.5(w_{pi}^{\left(k\right)}+w_{qi}^{\left(k\right)})$

依次得到则组成的曲面H^(k)近似认为潜在滑动面所在位置，从而可以对滑动面进行预警，将滑动面的位置发送给数据处理系统，工程人员得到滑动面的位置，即可对滑动面采取加固措施。

为了更加精确地对变形失稳进行测量，在步骤S6)后还有步骤S7)判断边坡变形的最佳测量标距：

根据配对测点结合距离矩阵L^(k)和相对位移矩阵ΔL^(k)，分别得到和从而得到相应的相对位移序列测点相对位移的变化率为由得到与第k-1次测量时的相对位移的平均变化率T^(k-1)最接近的第k次相对位移即第k次最优的配对测点作为第k次和第k+1次的最佳监测标距上式中，相对位移的平均变化率如果标距过大，即配对的测点距离过远，则相对变形太小，趋近于零，给出“边坡变形很小、边坡安全”的错误预警，无法真实反映边坡变形失稳的状态，无法有效监测；如果标距过小，即配对的测点距离过小，则可能没有包含足够的变形范围，局部小区域的相对变形非常大，给出“边坡变形很大、边坡危险”的错误预警，实际上由于边坡在形成滑动面且整个滑动面发生塑性贯通时，才发生边坡的失稳，局部的小区域相对变形大，但整体尚在安全状态。因此采用合适的标距来进行测量将有助于进行精确的测量。

本发明的监测方法还包括步骤S8)对边坡变形失稳进行安全评价：针对第k次最优的配对测点结合相对位移矩阵ΔL^(k)，提取所有的(i＝1，2，…，k)，得到计算相对位移的变化速率的梯度(i＝3，…，k)， 如δ^(k)·δ^(k-1)＜0，则测点之间的相对位移发生剧烈地突变，即此时边坡处于危险状态，数据控制系统发出“边坡危险”的预警信息；如δ^(k)·δ^(k-1)＞0，则测点之间的相对位移尚平缓，即此时边坡处于安全状态，数据控制系统发出“边坡安全”的预警信息。

上述所有的三维位置，均为相对于全张量磁力梯度仪的三维位置，即将全张量磁力梯度仪所在位置作为参考点。由于明显的几何关系和数学意义，对于基于参考点处坐标系的设置，并不影响各测点之间的距离及相对位移，因此本文不再详细叙述。

更进一步，本发明通过配对测点之间的相对位移的变化速率的梯度进行预警，而非相对于全张量磁力梯度仪的位移，因此，如果全张量磁力梯度仪所在位置的边坡发生变形而导致全张量磁力梯度仪位置变化，不会影响配对测点之间的相对位移的测量精度，更不会影响配对测点之间的相对位移的变化速率。

本发明的监测方法，通过在边坡内布设测点，各测点处的磁性传感元件1发射磁场，全张量磁力梯度仪2在边坡表面检测各个测点处的磁性传感元件的磁场梯度张量即各测点的磁场梯度张量，数据传输系统3将全张量磁力梯度仪2检测到的各测点处的磁场梯度张量传送至数据控制系统4，数据控制系统4经过步骤S2)-S6)后计算出潜在滑动面11的位置，从而可以对边坡变形失稳作出预测，发出预警信息，工程人员对潜在滑动面11进行加固，数据控制系统4经过步骤S7)后可以得到佳测量标距，进而可以更加精确的进行测量，最后当数据控制系统4经过步骤S8)后可以对边坡变形失稳进行安全评价，从而发出预警信息。

本发明的监测方法为一种自适应标距的边坡变形失稳监测方法，在边坡变形的不同阶段，在边坡深部布设的测点中，自适应配对测点，在不需要边 坡的岩土参数和力学模型的情况下，得到满足不同变形和失稳阶段的最佳标距，从而精确地监测边坡的不同阶段的变形和失稳破坏，解决边坡不同变形和不同失稳破坏需要不同的监测标距的难题，实现边坡变形失稳全过程监测。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。