利用陣列式位移傳感系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害深部位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析

邱冬煒，祝思君，2，王來(lái)陽(yáng)，段明旭

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 102616； 2. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100089)

我國(guó)幅員遼闊，具有多種類型的地質(zhì)條件，地質(zhì)災(zāi)害形勢(shì)嚴(yán)峻，加上近接工程擾動(dòng)、人工破壞、極端天氣等因素的影響，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析預(yù)報(bào)尤為重要。當(dāng)前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)不穩(wěn)定體的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，其中主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為地表位移監(jiān)測(cè)和深部位移監(jiān)測(cè)。

王利、范青松、殷建華等利用高精度GPS接收機(jī)與InSAR技術(shù)、常規(guī)監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的方法，對(duì)滑坡進(jìn)行地表位移監(jiān)測(cè)[1-3]。王凱等用測(cè)斜儀對(duì)滑坡進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)，并對(duì)比分析了測(cè)斜儀和拉線式測(cè)斜儀兩種監(jiān)測(cè)方法[4]。在地質(zhì)災(zāi)害中，地表位移往往具有滯后性，而深部位移監(jiān)測(cè)能準(zhǔn)確分析不穩(wěn)定體的變形特征，進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警。利用測(cè)斜儀進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)，只能監(jiān)測(cè)離散點(diǎn)位，無(wú)法準(zhǔn)確獲得不穩(wěn)定體的整體變形情況。姚艷麗、李建輝等利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)滑坡體進(jìn)行了三維模型的建立，利用三維模型對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)[5-6]。付敏、薛濤、范永波等研究了滑坡深部位移監(jiān)測(cè)的方法和應(yīng)用[7-9]。一種新技術(shù)陣列式位移傳感系統(tǒng)(shape acceleration array，SAA)正在國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)領(lǐng)域嘗試應(yīng)用。陳賀等提出了一種使用SAA技術(shù)監(jiān)測(cè)孔動(dòng)能的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)[10]。王生濤等用SAA技術(shù)監(jiān)測(cè)了隧道施工時(shí)圍巖體的收斂形變[11]。Bennett V、Abdoun T等結(jié)合SAA技術(shù)與無(wú)線傳輸技術(shù)，對(duì)高速公路邊坡和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[12-14]。

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，SAA技術(shù)可以全方位地監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定體的深部形變情況，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。陣列式位移傳感器能夠靈活地以任意姿態(tài)布設(shè)在不穩(wěn)定體的任何部位，采集到的是各個(gè)監(jiān)測(cè)部位的三維坐標(biāo)信息，比測(cè)斜儀更加直觀、準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測(cè)體的深部變形情況，從而實(shí)現(xiàn)變形分析與預(yù)警。

1　陣列式位移傳感系統(tǒng)原理

陣列式位移傳感系統(tǒng)是一種基于微電子機(jī)械來(lái)測(cè)量重力加速度和三軸位移的傳感器系統(tǒng)，具有較高精度、設(shè)備可回收利用、自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。SAA傳感器部分是由多個(gè)子節(jié)段通過(guò)柔性連接關(guān)節(jié)連接而成，其中子節(jié)段由MEMS加速度傳感器構(gòu)成，長(zhǎng)度為30～50 cm，外部配有耐磨、耐腐蝕的保護(hù)材料。多個(gè)子節(jié)段構(gòu)成一個(gè)子陣列，其總長(zhǎng)度可以隨意定制(如圖1所示)。由加拿大Measurand公司提供的試驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果，每個(gè)子陣列的最大彎曲角度達(dá)60°，由64個(gè)子陣列構(gòu)成的位移傳感器，總長(zhǎng)度約32 m，其末端位移測(cè)量精度為1.5 mm[15]。

圖1　SAA傳感器

(1)

然后，以儀器的電纜引出端為各節(jié)段測(cè)量起始位置A11，傳感器在第一次通電時(shí)端點(diǎn)A11坐標(biāo)為(x11,y11,z11)，依次連續(xù)對(duì)各子節(jié)的變化量求和∑(ΔX,ΔY,ΔZ)，就可以得到各連接點(diǎn)相對(duì)于端點(diǎn)A11的坐標(biāo)值A(chǔ)1i(x1i,y1i,z1i)。其中i表示SAA各連接點(diǎn)序號(hào)，數(shù)字1為第一次通電工作時(shí)間狀態(tài)。SAA的工作原理如圖2所示。

SAA通電后開(kāi)始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，任意時(shí)刻每個(gè)子節(jié)段坐標(biāo)值的改變反映了不穩(wěn)定體該部位的位移變化。此時(shí)各節(jié)段關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值為相對(duì)于變化后的SAA端點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值A(chǔ)ni(xni,yni,zni)(n代表觀測(cè)時(shí)間點(diǎn))。

圖2　SAA子節(jié)段工作原理

2　工程試驗(yàn)

2.1　工程地質(zhì)情況

試驗(yàn)選取京張鐵路北京段居庸關(guān)隧道入口處的一處地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)，對(duì)不穩(wěn)定體深部位移開(kāi)展監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究(如圖3所示)。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)整體地形起伏，呈兩側(cè)高、中間低，橫向“V”型沖溝發(fā)育，均匯入中部低洼處的縱向河谷中，局部成陡崖巖墻狀。山勢(shì)陡峭，山體自然坡度為25°～59°。此區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，既有自然形成，又有人工破壞山體形成的地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)。突發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害有不穩(wěn)定堆渣體、泥石流、崩塌體等。這些不穩(wěn)定體中，距離京張客運(yùn)專線(里程DK55+985至里程DK56+092)最近距離僅有80 m。其現(xiàn)場(chǎng)自然地勢(shì)如圖4所示。

圖3　試驗(yàn)區(qū)位置示意圖

2.2　SAA布設(shè)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地質(zhì)勘察資料，采用地面三維激光掃描的方法獲取重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)三維模型(如圖5所示)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維地質(zhì)本構(gòu)模型，并對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析。

圖4　試驗(yàn)區(qū)地形情況

圖5　重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)三維模型的數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云

由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害受降雨影響較大，在本構(gòu)模型上進(jìn)行降雨過(guò)程中降雨強(qiáng)度與變形規(guī)律的分析。分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同降雨強(qiáng)度下滑坡區(qū)域

圖7顯示了降雨強(qiáng)度在137、189和277 mm時(shí)的滑坡區(qū)域分布。結(jié)果顯示：在降雨累積137 mm時(shí)山體出現(xiàn)了初始滑坡，隨著累積降雨量的增加，山體滑坡區(qū)域逐漸增大。山體滑坡區(qū)域主要發(fā)生在山體陡坡區(qū)域，從坡腳向坡面延伸。

經(jīng)過(guò)滑坡變形的計(jì)算分析，獲得滑坡的監(jiān)測(cè)范圍和主滑方向。沿主滑方向布設(shè)測(cè)線，埋設(shè)SAA傳感器(如圖7所示)，并在測(cè)線頂、中和底部沿鉛垂方向安設(shè)測(cè)斜儀。其他監(jiān)測(cè)傳感器(如GPS、測(cè)量機(jī)器人等)分別布置在相應(yīng)位置，用來(lái)對(duì)該不穩(wěn)定體進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

圖7　SAA傳感器埋設(shè)示意圖

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)及SAA埋設(shè)要求，采用PVC管中埋設(shè)SAA傳感器的方法。SAA布設(shè)長(zhǎng)度為8 m，在不穩(wěn)定體上開(kāi)挖寬300 mm、深300 mm、坡度85°的溝槽，溝槽底部至基巖區(qū)。PVC管內(nèi)徑28 mm，外徑32 mm。用繩子將SAA拉入PVC管內(nèi)，檢查近端(坡頂)和遠(yuǎn)端(坡腳)姿態(tài)標(biāo)志，以確保SAA在管內(nèi)不發(fā)生扭曲。用混凝土將SAA最遠(yuǎn)端固定在溝槽下端作為基準(zhǔn)參考點(diǎn)。用細(xì)沙填埋溝槽，頂面500 mm用混凝土加以固定抹平(如圖8所示)。此次試驗(yàn)SAA采用無(wú)線傳輸，并且由太陽(yáng)能供電。

圖8　SAA傳感器的埋設(shè)及配套設(shè)備安裝

3　數(shù)據(jù)處理與對(duì)比分析

3.1　SAA監(jiān)測(cè)流程

SAA采用美國(guó)Campbell數(shù)據(jù)采集器CR8000進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在自動(dòng)采集數(shù)據(jù)之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣間隔的設(shè)置，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，采樣間隔設(shè)置為30 min。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。其總體流程如圖9所示。

3.2　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)共采集了3個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖10所示)，可以看出：①隨著時(shí)間的變化，SAA各節(jié)段在不同埋深部位的位移變化具有趨同性，與地質(zhì)本構(gòu)模型分析結(jié)果保持一致；②埋深5 m處的變形最大，分析為不穩(wěn)定體的滑移面位置。通過(guò)與地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)(鉆孔數(shù)據(jù))對(duì)比，孔深5 m處地質(zhì)構(gòu)造為坡積物與坡積碎石，地質(zhì)情況不穩(wěn)定。

圖9　監(jiān)測(cè)總體流程

圖10　SAA監(jiān)測(cè)結(jié)果示意圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證SAA的測(cè)量效果，選取相同時(shí)刻和相同部位測(cè)斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖11是數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果的示意圖。

圖11　SAA與測(cè)斜儀數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較分析，SAA在地質(zhì)災(zāi)害不穩(wěn)定體深部監(jiān)測(cè)中與測(cè)斜儀的性能相仿。相比于測(cè)斜儀必須垂直布設(shè)的特點(diǎn)，SAA具有以任意形式布設(shè)并直接獲取各測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的突出優(yōu)勢(shì)。

4　結(jié)　論

經(jīng)過(guò)將SAA監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、本構(gòu)模型分析結(jié)果、測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等綜合對(duì)比分析可以看出：SAA能夠有效地實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害深部位移的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并可以準(zhǔn)確地分析出不穩(wěn)定體的滑移面位置。SAA傳感器布設(shè)方式靈活、自動(dòng)化程度高，適用于地質(zhì)災(zāi)害不穩(wěn)定體深部位移監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王利.地質(zhì)災(zāi)害高精度GPS監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2015,44(7):826.

[2] 范青松，湯翠蓮，陳于，等.GPS與InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué),2006,31(5):60-62.

[3] 殷建華，丁曉利，楊育文，等.常規(guī)儀器與全球定位儀相結(jié)合的全自動(dòng)化遙控邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(3):357-364.

[4] 王凱，張偉毅，馬飛，等.滑坡深部變形監(jiān)測(cè)方法與應(yīng)用探討[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(1):204-209.

[5] 姚艷麗，蔣勝平，王紅平.基于地面三維激光掃描技術(shù)的滑坡模型監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)[J].測(cè)繪科學(xué),2014,39(11):42-46.

[6] 李建輝，王琴.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于滑坡體地形可視化的研究[J].測(cè)繪通報(bào),2012(10):51-54.

[7] 付敏，鄧清祿，黃曉明，等.深部位移監(jiān)測(cè)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江,2017,48(8):44-48.

[8] 薛濤，王振華，孫萍，等.基于深部位移監(jiān)測(cè)的滑坡形成機(jī)制分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2017,28(1):53-61.

[9] 范永波，侯岳峰，李世海，等.基于地表及深部位移監(jiān)測(cè)的滑坡穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,21(6):885-891.

[10]陳賀，李亞軍，房銳，等.滑坡深部位移監(jiān)測(cè)新技術(shù)及預(yù)警預(yù)報(bào)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(S2):4063-4070.

[11]王生濤，李傳富，蒲小平，等.SAA技術(shù)在成蘭鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2015,35(6):584-588.

[12]BENNETT V，ABDOUN T，DANISCH L，et al.Unstable Slope Monitoring with a Wireless Shape-acceleration Array System[C]∥7th FMGM 2007：Field Measurements in Geomechanics.Boston，Massachusetts：The American Society of Civil Engineers,2007.

[13]BENNETT V，ZEGHAL M，ABDOUN T，et al.Wireless Shape-acceleration Array System for Local Identification of Soil and Soil Structure Systems[J].Transportation Research Record，2007,2004(1):60-66.

[14]ABDOUN T，BENNETT V，DANISCH L，et al.Field Installation Details of a Wireless Shape-acceleration Array System for Geotechnical Applications[C]∥The 14th International Symposium on Smart Structures and Materials & Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.Bellingham，Washington：International Society for Optics and Photonics，2007.

[15]ABDOUN T，BENNETT V，DANISCH L，et al.Real-time Construction Monitoring with a Wireless Shape-acceleration Array System[C]∥GeoCongress 2008：Characterization，Monitoring，and Modeling of GeoSystems.New Orleans，Louisiana：American Society of Civil Engineers，2008.