边坡地质灾害无线智能监控预警系统

基于声发射的边坡地质灾害无线智能监控预警系统夏开宗，盛韩微，何中明，陈旺，江忠潮指导老师：谢涛(贵州大学土木建筑I：程学随.贵阳550003)摘要：边坡作为-个天然的冇机体，在发生地质灾害前岩土体都会心在细观的潜在破坏阶段，并伴甌着相应的声发射 现象产生设呂在边坡体内部的传感诵阵列接收到岩十.体产生的声发射，传感器把捕捉到的信号无线传输给接收器， 接收器再传输给边坡灾害分析预警控制中心。控制中心智能分析系统将信号滤波垢，以基于声发射源三维时基定位方 法定位帀源的八体位置，计算比较声发射值与阈侑的相关关系，做出相应级别的预警措施，从而达到边坡灾害智能预 警的目的，有效地避免边坡地质灾害可能带来的人员和财产的损失。基于上述原理，开发了基于声发射原理的边坡地 质灾害远程实时监测预警系统。关縫词：地质灾害：声发射；预警：监控系统THE INTELLECTUAL MONITORING AND PRE WARNING SYSTEMOF SLOPING DISASTER BASED ON ACOUSTIC EMISSIONXIA Kaizhong, SHENG Hanwei, HE Zhongming CHE Wang JIA ZhongchaoGUINDANCE Teacher: XIE Tao(College ofCml and Architecture Engmeering, Guizhou University 550003, Guiyang)Abstract； Slope ,as an natural organism will be imperceptibly destructed with the emission of coiTesponding acoustic timely before geological disasters occur Tlie sensor anaies which are set into the slope can receive emission signals and the sensors send those messages they liave got to receiver before receiver translates it to control center of sloping disaster.After the intelligent analysis system in the control center filtered the signal waves 3D locating method which is based on the time-difference of the acoustic emission source can locate where tlie source is .and compare the output with the predefined tlireshold. Subsequently, make some methods conesponding to the wanung precipitation which can finally realize mtelligent warning successfiilly instead of snfTering possible damage or CASiwIties which sloping disasters take So according to the principle as before, the monitoring and pre-wanung system of sloping winch is based on acoustic emission conception will emerge, as the time requires.Key words： geological disasters; acoustic emission; pre-wammg; monitonng system1引言随着我国经济的持续快速发展和城镇化的推 进，大最的公路建设所形成的需天边坡、自然风化 和水蚀等因素形成的需要进行灾害治理的边坡止在 逐年增加。由此带来的边坡地质灾害将会给人民的 生命和财产安全带来严重威胁，使国民经济遭到重 大损失。贵州地处青藏高原东侧，受青藏高原持续隆 升的影响，形成高山峡谷的地貌景观。不仅导致高 边坡“景观”发育；而且导致由于边坡失稳造成的 崩滑地质灾害极为频繁，并J1其有规模人、机理复 杂、危害人、防治难度高的特点，影响和制约着这 一地区社会经济发展和西部人开发战略实施。随着一系列举世IK目的重人工程，如“西电东 送”、南水北调工程、高速和高等级公路网建设等已 经或即将实施。亳无疑问，这一地区的进一步开发, 也必将带来更人规模、更犬范用的边坡地质灾害（如 图1）及相关的环境问题亟待研究解决。经我们调研 统计，镇胜高速公路的K 2006至K2010+200段就有 20多个边坡，大多数整体稳定性不好，存在潜在滑坡的趋势。贵州关岭县发生山体滑坡百余人被困贵州关岭县岗乌镇大秦村永窝村民组 因连续强降雨引发山体滑坡共ifi成岗乌馆大塞村 大秦.永乐两个村民组38户107人被埋6月28日44时30分图1贵州关岭县山体滑坡本研究不仅可以有效避免觅大地质灾害发生， 也将促进防灾减灾与公共安全和服务于工程建设的 社会经济效益。2国内外研究情况由于早期装备条件的限制，国内外滑坡监测主 要是根据人丁观测地表变化特征、地卜水以及周鬧 动植物的异常来推断确定其发生的町能性。之后， 随着时代的发展和科技进步，出现了表面位移监测 法的一些常规仪器，包括全站仪、经纬仪、水准仪、 GPS监测以及新近发展的GPST-机监测和InSAR技 术等。这类方法由于都是采用单点定位，预测预报 准确度十分冇限，测量都是从宏观上去把握。而通 过深部位移监测法，即钻孔倾斜仪进行监测，虽然 能够确定滑面位置，但产生较人错动后，倾斜位移 监测失效，后期滑坡位移数据无法获得，故其数据 带有“一孔之见”而有失准确。随着敲新技术的不 断应用，滑坡灾書预测预报的技术水平有所提高， 但仍难以实现准确预报。从“现象监测”难以实现 对滑坡的超前准确预报，究其原因，是由于位移、 裂缝等现彖只是滑坡的必要条件并不是充分条件。 滑坡前一定会产生位移和裂缝，但有位移、裂缝的 产生并不一定就会发生滑坡。表面位移和裂缝的产 生与很多因素有关，除滑坡外还与降雨、温度利湿 度的变化有关。而绘近国内研究的超前摄动力的实 时监测系统，虽然抓住了边坡失稳的本质特征，但 由于西南地区边坡机理复杂，建立“抗滑力”与“下 滑力”之间的力学模型存在很大的难度。対此，我们提出了一种基于声发射原理的边坡 地质灾害的远程实时监测预警系统，可以对破坏点 进行定位，而II便于信息传输，因而受到人们的广 泛重视。3设计原理3.1设计思路岩石受力破坏的过程足其内部微破裂萌生、扩 展和断裂的过程，在这个过程中岩石会产生声发射 现彖，此时，传感器阵列接收到岩土体产生的声发 射，传感器把捕捉到的信号无线传输给接收器，接 收器再传输给边坡灾害分析预瞥控制中心。最后. 控制中心智能分析系统将信号滤波后，以基于声发 射源三维时差定位方法定位声源的具体位置，计算 比校声发射值与阈值的相关关系，做出相应级别的 预警措施，从而达到边坡灾誉智能预警的目的。其 预警流程图如图2。岩土体细观燄坏 =3声发射访感接收科相应级别的预警描施 预譬二 分析系统图2预警流程图3.2声发射原理出发射是材料受外力或内力作用而产生变形或 断裂时，以弹性波的形式释放能量的现象。在岩体 材料中，声发射波主要以纵波（P波）、横波（S波） 的形式在介质中传播M于各种波的传播速度不同, P波最快，S波次之，最后是其他形式的波，岩体 材料出现断裂等异常现象时的声发射波形，如图3。$ S波图3岩土体声发射波形图3.3远程实时监测设备组成远程实时监控系统拓扑结构远程监控系统数据采取无线传输方式，采用完 全的点对点传输，即每套监测设备Z间都是相互独 立的，互不干涉，没有任何连接线缆，各监测点町 分散布置。现场设备采用电池组供电，使用时只需 定期更换电池即可：测量数据能够远距离传输，并 可同时发给多个监控主机.监控预警系统组成见图 4所示。图4监控预警系统拓扑结构图监控LM智能声音传感、接收装置传感装置直接安装在滑裂面附近，应尽量穿过 滑裂面，避免人为的活动对传感器的干扰。由声发 射源三维时差定位方法町知：故少需要4个传感器 求出声发射源位置坐标，但是，当传感器个数$5时， 可以减小丁扰诛息计算出的声发射源坐标也就更 为准确。接收装置包括电池组和天线，完成数据的 采集和远程发射任务，电池组根据使用情况应定期 更换。为了更好的全天候、全方位、全过程对滑坡进 行监测，传感器釆用无线传感器网络（WSN, W ire less Sensor Net-works）,它是一种全新的网络化信息 获取与处理技术.只右口组网、无线多跳路由和多路 径数据传输功能.结合数据融合技术.平衡网络负我. 延长网络生命周期：传感器节点成本低，町实现对 整个滑坡监测区域进行人范阳的节点布置保证数 据采集的深度.为实现山体滑坡状态监测和预警提 供巨量数据基础。（3）智能接收分析系统智能接收分析系统组成如图5所示。该部分由 信号接收器和分析计算机组成。信号接收器用来接 收发射系统的数据信号并将接收的信号传递给计算 机，计算机対接收的信号进行分析处埋。为了连续 接收现场信号，信号接收器的电源要保持接通状态, 计算机垠好配置不间断工作电源，在监测过程屮主 机箱要保持开机状态，在不对计算机进行操作的时 间，町以将计算机显示器的电源关闭，只关闭计算 机显示器的电源不影响信号的接收和处理。图5智能接收分析系统组成4声发射实时监控预警模型4.1实验要求岩石的种类很多，为了使研究具有普遍总义，以 下对不同岩性的岩石的声发射活动规律进行分析, 进而揭示不同岩性岩石的声发射活动特性。试验选 取三种在我国西南地区分布广泛的岩石（花岗岩、灰 岩）将岩样加T成长方体试件.试件尺寸为40 mm X40 min X 80 mm.为了消除试件端部与压力盘Z 间因摩擦而产生的噪声，试验时在试件两端沫上一 层硬脂酸。在声发射探头的检测而上抹上一层黄油 耦合剂，声源定位试验至少需要4个探头，其探头的 布置图6所示。图6声发射探头在试件上的布建农1备个传感益的位辻坐杯（单位：min）12010030604020000 60 120 180iOD*1: CD 1 (D*CD100806040200 180 240 300 360 420平均电平与时何图阪诵与时间目声发射事件与时间图平均电平与时间图声发射手件与时间图赢幅与时间图4.3声发射实时监控预警模型通过人量实验统计分析，确定出了滑坡时的声 发射事件总数，为了超前对滑坡进行预测，监控预 警过程采用预警准则：p = （1.41.8）po上式中：p为预警阈值，P。为滑坡时的声发 射事件总数。基于上述的原理，提出了滑坡预警模式（见图 8）,采用预警准则，即根据预先设定阈值自动报警。 该模式监测曲线总体存在与警戒线相交的趋势，监 测曲线嗣警戒线最终产生交点，交点位置对应横坐图(a)传SSfcfl图平均电平与时间史捋晦与时问田肖发冊审件与时间图标即是监测预警时间.当监测曲线超过警戒线达到 某一值后.边坡发生滑坡破坏。图8滑坡模式监控曲线特征图(b)5结论传感器1234坐标 (50.0,20)(100.50.180)(50,100.180)(0.50,180)4.2岩石全过程的声发射特征当加载时，岩石试件内部开始产生微裂纹，这 时所布置的声发射探头就会接收到声发射信号，nJ 以对损伤点进行定位，一个定位点就是一个爭件数。 随着加载时刨的增长，岩石试件还存在一定的承載 力，试件会继续破坏，事件数会继续，所有的爭件 数形成岩石试件的宏观破裂面，此时，声发射爭件 也不再增加.敲终导致岩石试件的破坏。此试验还 说明了可以用声发射方法监测岩石的细观破坏的演 化过程。图7为岩石全过程中声发射特征图。图（C）图7岩石全过程中岀发射特征图(1) 研究表明将声发射技术应用于边坡预警，能 在边坡宏观破坏前进行坡体全局、动态实时监测预 警。(2) 采用无线监控技术，能有效避免人为活动和 (候的影响。论文针对边坡滑坡监测.提出基丁声 发射的以无线传感器网络技术为基础.实现对监测 区域的远程实时监护.并通过对采集数据的分析和 处理.实现了对滑坡灾害和边坡稳态的实时远程智 能监测。(3) 声发射技术在滑坡灾害监测中成功应用和推 广，经济和社会效益显著。其中滑坡监测的前兆现 象十分明显，比常规方法人为捉前，为滑坡灾害预 测预报提供了有效的手段该监测系统应用前景较为广泛：在道路建设 中，公路边坡预警，滑坡、泥石流监测，隧道开挖 地而沉降，路堤沉陷破坏等的预测预警：在水利水 电建设方面，可用于人坝、人堤位移和沉陷的智能 监测预警；在岩土工程方面，可用于高边坡、建筑 物、基坑、挡土墙破坏的监测预警。提出了滑坡预警模式，但由于岩体边坡的机 理复杂性，预警阈值的确定有一定的局限性，随着 课题的研究深入，我们会允分利用相关领域的先进 技术,不断改进更新，在智能系统开发等方面多做工 作，以求研制出一套其有国际先进水平的基于声发 射边坡地质灾害无线智能实时监控预警系统，为滑 坡提供更为准确的地质灾誉预报。參考文献(References):1何淘潮淆坡地质灾害远程如M预报系统及其工程应用JW； fi 与工学.2009.28(6)： 1081-10902康氏梅一类歴最小二乘法的声发射源组合定位算法几东北大学 学肚201031(11)： 1648-16513金屹民孙金海尖顺川爲天矿深部开采边坡稳定性分析与治理方案 研尤J佥属矿山.2005/6):5-84卓乍熙.“3S地质灾胃信息立体防治系统的迩龙及其实用惫义JJ. 中国地喷灾害与防治学报.19989 (4):2522575崔政权作宁边坡I出一理论9实践M新发展M.北京:中国水利水 电出版出19996周凤用柠耕国汪逍林梓.廉T声发射的地縄山体溝坡狀则诊断系 统的应用研 顽微计算机信息200521(10):7375土歎张占强张红利.贵州三凯岛速公卅地隨灾胃概况与对策卩岩右力学与工程学报,2005,24:532353298万作琳蔡徳所何薪昨髙陡边坡深部变形的比纤传总监测试验研 咒JJ.三峡大学学报(fl然科学版2001.23(1):20-239马登水，杨军.利用无线传感器网络实现运动庐源的定位和跟踪J.內学找术,200726(5)1024-102510顶 W GPS在絞位移KL控和預警兼统I】作啟理丨屯用JMi 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