淺析微芯樁的適用范圍

謝遠(yuǎn)彬

(廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，廣東梅州 514089)

0 引言

我國(guó)人口眾多，幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，人類活動(dòng)頻繁。特別是改革開放以來，大量的鐵路、公路、水利、房地產(chǎn)以及礦產(chǎn)資源開發(fā)等人類活動(dòng)，改變了場(chǎng)地原有的地質(zhì)條件，在惡劣的天氣下，可能會(huì)誘發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害。針對(duì)頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，國(guó)家頒布了有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害勘察、評(píng)估、治理及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的條例與規(guī)范。同時(shí)，市場(chǎng)上各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備也不斷出現(xiàn)，其中微芯樁的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備逐步被業(yè)界人士認(rèn)可。為此，筆者通過查閱資料，并研究得出該傳感器特性及應(yīng)用范圍，使從業(yè)者充分認(rèn)識(shí)微芯樁、用好微芯樁，從而更好地為監(jiān)測(cè)治理地質(zhì)災(zāi)害服務(wù)，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 微芯樁的工作原理

1.1 微芯樁的外部結(jié)構(gòu)

微芯樁是一個(gè)直徑約15 cm、高約20 cm的圓柱型結(jié)構(gòu)，四周是太陽能電池，上方是一塊正方形太陽能電池以及一個(gè)指示燈和天線，還標(biāo)示有x、y和z軸的方向，除安裝螺栓的底部外，其余地方均用透明硬塑料一次成形制造，具備防雨水淋濕功能，見圖1。

圖1 微芯樁外形結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of micro core pile

1.2 微芯樁傳感器及工作原理

微芯樁是一個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，集成了加速度、角速度和磁場(chǎng)的多軸的傳感器，由通訊模塊、供電線路、采集單片機(jī)及外圍電路組成。傳感器所采集到的數(shù)據(jù)再通過無線通信GPRS、NB-IoT或4G等通信方式傳送到平臺(tái)，平臺(tái)把收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，再將結(jié)果通過廣播、手機(jī)等方式通知地災(zāi)點(diǎn)群眾及相關(guān)部門，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。傳感器與上機(jī)位可以采用邊緣采集方式，當(dāng)傳感器出現(xiàn)數(shù)據(jù)變化時(shí)，就會(huì)即時(shí)上報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)報(bào)警。

加速度傳感器是一種能夠測(cè)量線性加速度的傳感器，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等組成。在加速過程中，傳感器對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力進(jìn)行測(cè)量，利用牛頓第二定律求得加速度值。

角加速度計(jì)通常指的是陀螺儀，傳統(tǒng)的陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)陀螺。三軸陀螺儀的工作原理是測(cè)量三維坐標(biāo)系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與設(shè)備之間的夾角，并計(jì)算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。三軸陀螺儀可以同時(shí)測(cè)定上、下、左、右、前、后6個(gè)方向的變化狀態(tài)，判斷出設(shè)備當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，常用于運(yùn)動(dòng)物體的角度及振動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量。

磁力計(jì)可用于測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，測(cè)量設(shè)備的方位。磁力計(jì)的原理與指南針原理類似，可以測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。通過磁力計(jì)可以測(cè)量物體的變化角度，主要用于測(cè)量相對(duì)靜止的物體的角度變化，我們平時(shí)使用的固定測(cè)斜儀就是一個(gè)通過測(cè)磁場(chǎng)角度變化來測(cè)量物體傾角的儀器。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以把加速度計(jì)、角速度、磁場(chǎng)、氣壓、溫度等傳感器集中在一個(gè)元器件上，可以做到小型化、低功耗，能夠測(cè)量物體振動(dòng)、三維姿態(tài)的變化，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、無人機(jī)、汽車控制、游戲控制、地震測(cè)量、振動(dòng)測(cè)試、攝像等領(lǐng)域。但是該傳感器沒有相對(duì)的參照物，不能檢測(cè)到物體相對(duì)位置的變化，也就是說傳感器從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方是監(jiān)測(cè)不到的，要感知位置的變化通常采用激光測(cè)距、無線電、全球衛(wèi)星定位、拉線等方式。

2 微芯樁的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了準(zhǔn)確了解微芯樁的各項(xiàng)參數(shù)，把微芯樁水平放置在木質(zhì)臺(tái)面上，通過電腦采集各種指標(biāo)，分別進(jìn)行振動(dòng)、傾斜和移動(dòng)的試驗(yàn)，每種試驗(yàn)測(cè)兩次，振動(dòng)的數(shù)據(jù)取最大值，傾斜和移動(dòng)取靜止值，測(cè)得的數(shù)據(jù)見表1。

表1 微芯樁的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Field test data of micro core pile

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，微芯樁在振動(dòng)和傾斜時(shí)能夠很好地測(cè)出振動(dòng)的大小和傾角的變化。角加速度與線加速度的關(guān)系式為a=rα，成正比例關(guān)系，也就是說通過算法可以計(jì)算出線性加速度大小，從角加速度變化也可以測(cè)出物體振動(dòng)強(qiáng)度。但是微芯樁在沿x軸和y軸方向移動(dòng)時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均未產(chǎn)生變化。

3 地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求

根據(jù)國(guó)務(wù)院《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》等規(guī)定，相關(guān)部門頒布了《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)規(guī)范》、《突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南》、《地質(zhì)災(zāi)害地表變形監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，要求崩塌、滑坡等地災(zāi)監(jiān)測(cè)必須具備監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面垂直沉降和位移的測(cè)量，深部的變形、傾角監(jiān)測(cè)，還有如降雨量、土壤含水率、土壓力等環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)，只有從多角度對(duì)可能造成的崩塌、滑坡的山體進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，才夠能準(zhǔn)確判斷當(dāng)前山體的安全狀況。顯然，微芯樁只測(cè)量?jī)A斜角度和振動(dòng)，不能夠檢測(cè)物體的沉降和位移，不完全符合規(guī)范的要求。

4 影響微芯樁測(cè)量的因素

微芯樁用于地質(zhì)災(zāi)害的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，安裝在被監(jiān)測(cè)的物體上，由于傳感器的固有特點(diǎn)，在測(cè)量過程中，振動(dòng)強(qiáng)度和傾角的大小會(huì)受到外界因素影響，主要影響因素有以下幾種：①惡劣天氣影響，如打雷、大風(fēng)、暴雨、冰雹引起的振動(dòng)；②靠近居民區(qū)燃放煙花炮竹會(huì)引起誤報(bào)；③微芯樁安裝在野外，容易被動(dòng)物觸碰造成誤報(bào)；④磁場(chǎng)的干擾會(huì)引起傾角變化。

如果把振動(dòng)強(qiáng)度和傾角大小均設(shè)置為報(bào)警輸出，會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象，如果出現(xiàn)誤報(bào)，將導(dǎo)致危險(xiǎn)區(qū)人員的緊急疏散，引起群眾恐慌，嚴(yán)重干擾人民群眾的生產(chǎn)和生活秩序，產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。

5 微芯樁的適用范圍

微芯樁是通過振動(dòng)和傾斜來監(jiān)測(cè)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的，在北方地區(qū)常會(huì)發(fā)生巖崩、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨著有巨大的震動(dòng)，山上滾動(dòng)的巖石也會(huì)觸發(fā)起微芯樁警報(bào)。如果用于地災(zāi)點(diǎn)離村莊較遠(yuǎn)的地方，當(dāng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知受威脅群眾，使災(zāi)害來臨前有足夠的時(shí)間疏散。

山上的危石，經(jīng)地災(zāi)技術(shù)人員確定為隱患點(diǎn)，且山下較遠(yuǎn)處才有群眾居住，那么在石頭上可以安裝微芯樁，當(dāng)出現(xiàn)異常的傾角時(shí)，會(huì)及時(shí)向下方較遠(yuǎn)處的群眾發(fā)出警報(bào)，組織群眾及時(shí)疏散。

在南方地區(qū)，大多數(shù)土體的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和傾斜。也就是說，微芯樁如果安裝在土體滑坡上，滑坡已經(jīng)發(fā)生了，微芯樁也可能不會(huì)被觸發(fā)，或?yàn)?zāi)難發(fā)生后才被觸發(fā)，所以只使用微芯樁進(jìn)行地災(zāi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是不可靠的。

6 結(jié)語

微芯樁設(shè)備簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格便宜，具備一個(gè)6軸或9軸的速度傳感器模塊、通訊模塊、電源模塊、外圍配件以及平臺(tái)。也正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，被一些經(jīng)銷商吹捧為高科技產(chǎn)品,加之對(duì)微芯樁的認(rèn)識(shí)不足，使得這個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用有不斷蔓延之勢(shì)，但沒有得到規(guī)范使用。地質(zhì)災(zāi)害離我們很近，在我國(guó)南方地區(qū)，因削坡建房而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)隨處可見，如果這種單一手段的微芯樁在南方地區(qū)被廣泛推廣應(yīng)用，又過于依賴這種自動(dòng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，將對(duì)當(dāng)?shù)厝罕娚踩珮?gòu)成極大威脅。只有充分認(rèn)識(shí)微芯樁，合理運(yùn)用微芯樁采集的振動(dòng)和傾角的數(shù)據(jù)，豐富地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的各種參數(shù)和技術(shù)手段，才能更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。