邊坡變形一體化自動監(jiān)測裝置研究與應用

徐蘭玉，翟潔，周楷

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京，210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京，210012；3.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京，102200）

0 引言

邊坡工程的安全監(jiān)測在水利、巖土、建筑行業(yè)一直是研究重點[1-3]，按照監(jiān)測內容可分為位移監(jiān)測、物理場監(jiān)測和外部環(huán)境監(jiān)測。其中位移監(jiān)測是最基本的常規(guī)監(jiān)測方法，因為位移是反映邊坡穩(wěn)定性最直觀的表現(xiàn)形式，主要包括內部變形和表面變形。常用的表面變形監(jiān)測設備及技術包括經(jīng)緯儀、全站儀、水準儀、測量機器人[4]、GNSS[5-6]、合成孔徑雷達InSAR 測量技術[7-8]和三維激光掃描技術[9]等，表面變形測值通常為絕對值。但地表測點變形和滑坡變形不一致，僅基于地表變形預測滑坡的準確性十分有限。內部變形則具有更多隱蔽性和突然性，對邊坡工程安全運行的影響極其嚴重，可通過鉆孔測斜儀、多點位移計、光纖傳感技術[10]、TDR技術[11]和陣列式位移計[12-14]獲得，其值為相對于深部假設不動點的相對位移。但在很多實際工程中該假設可能不成立，南水北調工程許多測點數(shù)據(jù)表明，內部變形甚至比表面變形更大。此外，以上監(jiān)測技術都只能單一測量內部變形或表面變形，沒有將內部變形和表面變形有機結合，同時還存在測量過程復雜、累積誤差大、數(shù)據(jù)修正需依靠人工等不足。為此，研究一種能準確感知、體現(xiàn)邊坡表面及內部變形的儀器設備，避免大量的人力勞動和數(shù)據(jù)計算，減少偶然誤差和計算誤差十分必要。

近年來，GNSS 在民用技術應用領域的開放為邊坡表面變形監(jiān)測提供了一種新的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精度高（毫米級），全自動遠距離監(jiān)測，全天候、快速、三維變形測定，不受地形通視條件和氣候條件限制，可靠性高等優(yōu)點，適用于較大區(qū)域內滑坡不同變形階段地表三維位移變形和速度的連續(xù)監(jiān)測。MEMS傳感技術具有精度較測斜儀高，量程大、抗干擾、耐腐蝕性強，自動化實時監(jiān)測等特點，適用于較大范圍的滑坡各變形階段滑面位移確定及深部位移監(jiān)測。MEMS技術和GNSS技術發(fā)展迅猛，在我國的兩河口、苗尾、南水北調等工程得到了成功應用。

因此，通過GNSS獲取邊坡高精度表面變形，采用與GNSS 連接的MEMS 傳感器獲取內部變形，通過表面向內部逐步位移累加修正獲得深部變形，結合新型嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)了一款表面-內部變形一體化三維自動監(jiān)測裝置。

1 表面-內部一體化變形監(jiān)測裝置

1.1 結構組成

表面-內部變形一體化三維自動監(jiān)測裝置包括地面變形監(jiān)測組件和地下變形監(jiān)測鏈，裝置結構見圖1。地面變形監(jiān)測組件包括GNSS 天線、儀器測量單元模塊、供電模塊和無線通訊組網(wǎng)模塊，地面組件下部緊連地下變形監(jiān)測鏈，確保地面測點內外變形協(xié)同變化。地下變形監(jiān)測鏈包括多個埋設于地下的變形監(jiān)測單元，變形監(jiān)測單元包括柔性連接、基于MEMS 的姿態(tài)感知傳感器、通訊模塊和錨固部件。姿態(tài)感知傳感器固定在軸向導桿上，導桿一端為柔性連接，另一端與錨固體連接，姿態(tài)感知傳感器與通訊模塊通信連接。在兩個變形監(jiān)測單元之間，一個變形監(jiān)測單元的柔性連接與另一個變形監(jiān)測單元的錨固體連接。

圖1 一體化裝置整體結構Fig.1 Structure of the integrated device

地面變形監(jiān)測組件與地下變形監(jiān)測鏈通過鋼筋混凝土測點墩連接，GNSS 通過變形監(jiān)測單元的柔性連接與地下變形監(jiān)測鏈連接，由此保證地面變形監(jiān)測組件和地下變形監(jiān)測鏈的上部端點坐標一致，以更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合。導桿則可以任意轉動，以適應巖土體的變形。

MEMS傳感器采樣頻率與GNSS測點采樣頻率同步，每5 min完成一次采樣，GNSS解算頻率為4 h一次（即當前顯示的變化量結果為4 h 之前的測值），深部位移結果結合GNSS解算結果進行同步聯(lián)合運算，用戶根據(jù)實際需求選擇對應時段進行查看。

1.2 原理及算法

根據(jù)變形傳遞原理，對地下三維變形采用逐段逼近的方法進行監(jiān)測，通過各段測斜桿長來調整逼近精度。在逼近過程中，假設各段變形能由測斜桿傾斜度度量，將各段變形累加即可得到地下各點的三維變形。計算步驟如下：

（1）采用地面變形監(jiān)測GNSS測量t時刻地面變形量。根據(jù)現(xiàn)場情況設置X、Y、Z軸方向，兩兩正交，一般X、Y向為水平向，Z為垂直向。以各變形監(jiān)測單元的柔性連接為坐標原點定義坐標系組為X0-Y0-Z0、X1-Y1-Z1、X2-Y2-Z2、…、Xn-Yn-Zn，各坐標系組之間相互平行。采用地面變形監(jiān)測組件獲得t時刻的地面變形量，記為x0(t)、y0(t)、z0(t)。

（2）t時刻第i個變形監(jiān)測單元桿式位移計軸線方向的整體長度為Li(t)，根據(jù)各變形單元的扭轉角度按式（1）～（3）計算第k個地下變形監(jiān)測單元對應點A(k)的三維坐標。

式中，k=1,2,…,n+1；Li(t)為t時刻第i個變形監(jiān)測單元內單節(jié)測斜儀測得導桿長度；θi(t)為第i個變形監(jiān)測單元內對應導桿軸線與Zi-1軸的夾角；αi(t)為第i個變形監(jiān)測單元在Xi-1Oi-1Yi-1面上的投影與Xi-1軸的夾角；xk(t)、yk(t)、zk(t)為t時刻地面下第A(k)點的X、Y、Z軸坐標，其中n=1,2,…,i。變形監(jiān)測單元三維坐標系見圖2。

圖2 變形監(jiān)測單元三維坐標系Fig.2 Three dimensional coordinate system of the deformation monitoring unit

（3）根據(jù)A（k）點t時刻與初始時刻的三維坐標差，得到A（k）點的三維變形值。

1.3 組網(wǎng)設計

針對邊坡監(jiān)測使用環(huán)境通常無手機信號或信號很差的問題，可采用專用無線網(wǎng)絡覆蓋方案，該方案可適配變形、環(huán)境量等監(jiān)測項目的各類傳感器快速搭建施工，組網(wǎng)方式簡便可靠。

除采用無線自組網(wǎng)方式組網(wǎng)，該裝置還可采用NB-IoT、Mesh、Zigbee、LoRa、5G 等方式輕松進行自組網(wǎng)或融入公網(wǎng)，并與后臺計算機或移動終端實現(xiàn)雙向通訊。

1.4 應用平臺

系統(tǒng)布設后，可通過云平臺實時獲取內、外變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，平臺還具有云端綜合處理、多樣化圖表展示、專業(yè)相關性分析、預警報警和報表統(tǒng)計上報等功能，提供安全可靠、實時全面、及時有效的信息服務，確保電站人員及時掌握測點安全狀態(tài)信息。系統(tǒng)應用界面見圖3。

圖3 系統(tǒng)應用界面Fig.3 System application interfaces

2 應用實例

2.1 工程概況

以某大型抽水蓄能電站為例，該電站水工建筑物安裝了多種監(jiān)測儀器和監(jiān)測設施，其中包括邊坡深層位移監(jiān)測設施。目前，邊坡深層位移監(jiān)測采用人工方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實時性差，由于難以獲得基準點位移且中間環(huán)節(jié)過多，當基礎存在較大變形時，測量結果誤差較大。鑒于該電站西外坡存在傾向坡外的f207、f212斷層，影響邊坡穩(wěn)定性，因此該位置深層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性對于電站安全運行尤為重要。

西外坡測點IN5 歷史觀測資料顯示其變形特征較明顯，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，選擇該點進行內外一體化變形自動監(jiān)測系統(tǒng)建設。

2.2 現(xiàn)場應用

IN5 處深部位移監(jiān)測與表面位移監(jiān)測實施地下-地表一體化監(jiān)測方案，在地表修建觀測墩，原深部位移監(jiān)測測斜管管口預埋在觀測墩內，表面位移監(jiān)測GNSS 測站底部固定于觀測墩，通過表面位移與深部位移之間的相互校核，實現(xiàn)地下-地表一體化自動監(jiān)測。

深部位移監(jiān)測傳感器選用ADM系列微機電加速度式傳感器替代原有的活動式測斜儀，精度可達0.1 mm，通過高度集成消除軸系間的誤差，采用溫區(qū)補償模型消除溫漂，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。GNSS北斗表面變形測站選擇DT100型GNSS設備，水平精度±2.5 mm，垂直精度±5 mm。

為保證該一體化監(jiān)測裝置適應地下惡劣環(huán)境，地下部分采用密封防水結構，耐水壓5 MPa。同時為提高系統(tǒng)的防雷能力，在儀器設備的電氣特性上進行優(yōu)化，從元器件選擇、電路設計上充分考慮雷電電磁脈沖的作用，綜合采用高性能芯片、電磁兼容設計和隔離光電耦合技術等，實現(xiàn)防雷電脈沖能力2 000 V。單節(jié)儀器采用304 不銹鋼材料，儀器接頭部位采用尼龍防水柔性結構，根據(jù)該材料特征，可實現(xiàn)抗拉強度1 000 kN。現(xiàn)場測站布置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測站Fig.4 The field station

為驗證邊坡變形一體化自動監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，選取該點活動式測斜儀采集的歷史數(shù)據(jù)和改造后的一體化監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)進行比較，結果見圖5。從圖5可看出，沿深度方向的曲線分布特征較為相似，具有較好的一致性。另外，邊坡內部三維變形曲線波動符合一般規(guī)律，可認為一體化監(jiān)測裝置深部位移監(jiān)測結果可靠。

圖5 孔內測值變化情況比較Fig.5 Comparison of changes of measured values in holes

3 結語

采用表面GNSS 技術和MEMS 傳感監(jiān)測技術，結合新型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的表面-內部變形一體化自動監(jiān)測裝置，可達到全方位的有效監(jiān)測，內外變形數(shù)據(jù)相互校核，能更加準確可靠掌握邊坡的實際運行狀況。

表面-內部一體化自動監(jiān)測裝置的研究與應用對提高邊坡安全監(jiān)測技術水平、數(shù)據(jù)融合能力和軟硬件一體化水平，確保工程安全運行具有重要意義。同時，還可推廣應用到大型地下洞室、采空區(qū)、深埋地下隧道等環(huán)境。■