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土木工程岩石监测论文

岩石工程测试与监测论文

题目：

浅析边坡变形监测的新技术

班级：

土木研-15

姓名：

马腾

学号：

2015312140109

老师：

张敬宗老师

浅析边坡变形监测的新技术

摘要

针对传统的边坡监测技术存在着精度低、耐久性差、难以实现集成等缺陷，和边坡工程的特点，本文主要介绍了GPS-RTK测量技术、近景摄影测量技术、光纤监测技术3种方法及其测量的原理、方法、优缺点，并详细介绍了光纤监测技术在实际工程中的应用。

关键词：

GPS-RTK测量技术、近景摄影测量技术、光纤监测技术

一引言

1.1研究现状

我们陆地面积900多万平房公里，幅员辽阔，地质环境条件及其复杂。

滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，与洪水、地震等自然界大型灾害给国家生产经济和人民生命财产安全带来了相当严重的损失。

滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，对人类社会发展和经济建设的危害性巨大的，在全球各个国家和地区，每年滑坡等地质灾害带来的直接活间接的经济损失都达数十亿美元。

我们国家是发生滑坡地质灾害非常频繁的国家，特别是在我国的西南部。

受青藏高原第四纪以来大陆板块持续隆升的影响，在青藏高原、云贵高原和四川盆地之间形成了巨大地形坡降带，这就形成了我国大陆的地势从西向东急剧骤降的特点[1]。

在最近的一百年时间以来，我们国家大部分中大型滑坡灾害都发生在青藏高原与四川盆地和云贵高原的过渡地带，这些灾难性的滑坡灾害的发生，在世界范围内都具有典型性和代表性。

滑坡灾害造成的经济损失和人员伤亡历历在目，为了保障我们国家的经济建设快速、平稳、安全的发展和人民的生命财产安全，我们国家在一些易发生滑坡灾害的地区设置了监测点，事实证明，用监测的手段来预警滑坡灾害以避免造成更大的损失，这些预防手段是可行的，并且也己经取得了一定的成效。

因而，定期对实验边坡进行监测，通过对监测到的数据进行分析得到边坡的细微变形信息，以便更好的对边坡进行维护和处理变得越来越重要。

1.2边坡变形监侧的作用

在土木工程各个建设领域中，通过边坡工程的监测，可以起到以下作用[2]。

（1）评价边坡施工及其使用过程中边坡的稳定程度，并作出有关预报，为业主、施工方及监理提供预报数据，跟踪和控制施工进程，对原有的设计和施工组织的改进提供最直接的依据，对可能出现的险情及时提供报警值，合理采用和调整有关施工工艺和步骤，做到信息化施工和取得最佳经济效益。

（2）为防止滑坡及可能的滑动和蠕变提供技术依据。

预测和预报滑坡的边界条件、规模滑动方向、发生时间及危害程度，并及时采取措施，以尽量避免和减轻灾害损失。

（3）对已经发生滑动破坏和加固处理后的滑坡，监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡处理工程效果的尺度。

（4）为进行有关位移分析及数值模拟计算提供参数。

1.3部分监测仪器

图1.1位移传感器图1.2加速度传感器

图1.3力传感器

二GPS-RTK测量技术

2.1GPS-RTK测量原理

RTK是GPS实时动态测量的简称，又称载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。

需要至少两台GPS接收机，在己知点上设置一台GPS接收机作为基准站，并将一些必要的数据，如基准站坐标、高程、坐标转换参数等输入GPS手簿，一至多台GPS接收机设置为流动站，共同跟踪5颗以上卫星。

基准站和流动站同时接收卫星信号，基准站将接收到的卫星信号通过基准站电台发送到流动站，流动站将接收到的卫星信号与基准站发来的信号传输到控制手簿进行实时差分及平差处理，实时得到本站的坐标和高程及其实测精度，并随时将实测精度和预设精度指标进行比较，一旦实测精度达到预设精度指标，手簿将提示测量人员是否接受该成果，接手后手簿将测得的坐标、高程及精度同时记录于手簿中[3]。

移动站可处于静态，也可处于动态，可在一个固定点上进行初始化后进入动态工作，也可以在动态条件下进行初始化（须有动态初始化On一The一Fly，简称OTF功能接收机）移动站与基准站测量范围距离一般在15km以内，实时三维定位精度可达厘米级。

我们在德兴铜矿露天矿山测量中使用的是南方灵锐S86（1+3）接收机，其技术指标为:

双频主机、天线，RTK电台一体化。

图2.1GPS相对定位原理

2.2GPS-RTK技术的在矿上测量中的工作流程

（1）首先要收集测区的已有的控制点的资料。

这些资料主要有:

测区已知的控制点坐标、高程数据、相应的等级的测量规范、测区的坐标系信息、测区的地形图和控制点的位置参考图、中央子午线、已有的坐标系使用情况等。

另外，如果没有已知的控制点数据，必须建立GPS控制网。

同时控制点的空间分布应该比较均匀，数量不低于4-5个。

（2）测区的坐标转换参数的求解过程。

由于利用GPS所获得的坐标是WCS-84坐标系下的三维坐标，而一般矿上测量所需的坐标是地方坐标下的坐标，所以要进行坐标的相互转换。

可利用已知控制点的地方坐标和测得的WCS-84坐标在后处理软件中进行坐标参数的计算，直接得到指定坐标系下的三维坐标。

（3）基准站和流动站的参数设置。

在GPS-RTK测量模式下，其坐标精度与流动站和基准站的距离有关，也与流动站接收信号的强度有关。

所以对于基准站的位置选择最好在位置相对比较高的地方，并且尽量在测区的中心位置，同时，比较开阔，不影响卫星信号的接收，如果测区比较大，可利用外置电台增加基准站信号的发射频率。

（4）外业实测。

利用已经架设好的基准站，尤其是当基准站满足接收的卫星目标的数量要求，即可启动流动站进行测量，当流动站接收机满足观测条件，即可进行RTK的外业数据采集。

同时，注意文件命名、观测参数设置的一些细节问题[4]。

2.3采用GPS-RTK技术的优势:

（1）各监测站间无需通视，是相互独立的观测值;

（2）可全天候工作。

GPS监测工作可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响;

（3）定位精度高。

采用GPS一RTK技术采集的每一个点都为独立观测点，不存在误差积累，而且数据安全可靠。

只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内，RTK的平面精度就能够达到厘米级，满足位移监测需要;

（4）操作方便。

GPS监测的自动化程度高，监测人员主要任务是安装并开关仪器、量取仪器天线的高度和监视仪器工作状态，而其它观测工作如卫星捕捉、跟踪、观测等均由仪器自动完成，故用户可以方便地把GPS监测系统建成无人值守的自动监测系统，从而实现连续、动态、实时地监测，大大提高了监测的实际效果。

无疑，GPS技术的发展和广泛应用为露天矿高陡边坡的实时动态监测和安全预警技术的研究开辟了一条新的有效途径[5]。

三近景摄影测量技术

3.1近景摄影测量简介

近景摄影测量是指应用特定的摄影设备，对100米距离内的目标物体的外形特征进行测量的技术。

随着数码及信息技术的快速发展，土建工程施工规模不断扩大化，它己成为施工中边坡检测的首选技术。

图3.1用于监测的图像和近景测量法得到的数据

图3.2三维激光扫描仪

3.2近景摄影测量原理

基于共线条件方程式的近景像片解析处理方法，是解析近景摄影测量中最重要、使用最为广泛的方法，也是数字近景摄影测量的重要运算方法[6]。

（1）共线条件方程式的分析

（1）

上述共线条件方程式，是描述摄影中心S、像点a及物点A位于一直线上的关系式。

（2）在给定的物方空间坐标系D-XYZ中，物点的坐标为（X,Y,Z），摄影中心S的坐标为（Xs,Ys,Zs）。

在选取的像片坐标系c-xy中，主点的坐标为

，像点a的坐标为（x,y），像片的主距为f。

像片（光束）P在物方空间坐标系D-XYZ中的朝向（方位），以（ψ,β,Κ）定义，方向余弦（

）是它们的函数。

物点A在像空间坐标系S-xyz中的坐标为（X,Y,Z）。

见共线条件方程式示意图。

（3）像点a在成像过程中存在某种系统误差，其改正数（

）添加在式

（1）的左方。

（4）出于不同的解算目的，共线条件方程式可以解算以下5类未知数:

①可用于解算外方位元素（

）如空间后方交会解法。

②可用于解算内方位元素（

），如空间后方交会解法、光线束解法。

③可用于解算物方空间坐标（X,Y,Z），如空间前方交会解法、光线束解法。

④可用于解算像点坐标（x,y），如生成模拟数据、逆反摄影测量（InversePhotogrammetry）、光线束解法。

⑤可用于解求系统误差（或解算系统误差数学模型中的一些有关参数），如自检校光线束解法。

共线条件方程式是非线性关系式，对该方程式的各种观测值（如像点坐标观测值x}y）进行最小二乘平差处理时，总应将此方程式进行线性化。

测量边坡的表面位移分为2个部分，一是外业测量，二是测量结果软件对比分析。

设计方案及处理流程图如下。

3.3近景摄影测量的优点

和传统的测量技术相比较，近景摄影测量具有自身的优越性，如具有非结束性测量手段，在测量时不会伤及被测量物体，并且信息储存量大、处理速度快，还表现为，测量精度高，测量的信息能够被重复使用。

更为重要的是，如果测量物体或者测量现场具有危险性，近景摄影测量则可以有效避开，在远距离完成测量，从而避免了测量的危险性[7]。

3.4小结

近景摄影测量有很多的优点，并且在各领域的广泛应用解决了实际问题，有着很好的发展前景。

但是矿区变形涉及范围广、环境条件差、研究问题多、精度要求高，已有的近景摄影测量应用存在着不足。

其中最关键问题是精度偏低，不能达到变形监测的需求。

主要由以下原因造成：

（1）已有的近景摄影测量应用仍主要采用DLT方程，模型不严密;

（2）进行影像定位与匹配时，定位算子与匹配算法仅达到亚像素精度;相机标定非在线标定，标定参数不稳定，适应性差;影像利用率低，以“双目视觉”的立体像对为主，没有很好的利用多余影像信息;

（3）数码成像与数字图像处理技术发展迅速，已有应用没有利用好数码技术所带来的便利和数字图像处理技术的新技术。

因而，对于高精度的边坡变形监测领域还需要对精度影响的理论方面，做更全面更系统的研究。

四光纤监测技术

4.1光纤监测技术简介

光纤技术是一种集光学、电子学为一体的新兴技术，其核心技术是光纤传感器。

广义上说，凡是采用了光纤的传感器都可称为光纤传感器。

它主要可分为两种类型，即传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。

（1）传感型光纤传感器：

光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。

由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制。

传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

（2）传光型光纤传感器：

将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。

4.2工作原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量[8]。

图4.1光纤的结构

图4.2光纤的传光原理

图4.3光纤传感器工作原理

4.3光纤监测技术的优点

与传统技术相比，光纤监测技术具有独特的优越性:

（1）光纤传感器以光信号作为载体，以光纤作为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点；

（2）光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设；

（3）光纤传感器灵敏度高，可靠性好，潜在故障大大低于传统技术；使用寿命长，具有良好的性能价格比；

（4）可以准确地测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，监测效应量分布连续，成果直观，有助于实现动态监控。

（5）传输距离远，基于OTDR、BOTDR、BOTDA等技术，光纤传感的监测距离最远可达80km以上。

4.4工程应用

根据BOTDR光纤应变分析仪的仪器性能以及不同隧道的实际情况光纤铺设方式可分为3种全面接着、定点接着和Ω形定点接着。

全面接着是将光纤完全贴附在墙面上主要是针对隧道的整体变形（如图4.4）。

定点接着是将光纤每隔一定距离确定一个固定点粘贴在墙面上以此来检测隧道局部接缝处的变形。

另外为了监测到隧道裂缝处的细微变形在裂缝明显处按照Ω形定点接着方式布置光纤。

光纤铺设则是采用特制的胶粘剂将光纤按上述方案采用一系列光纤铺设工艺固定在隧道壁上并采用BOTDR仪进行光损耗量测和断点检测以保证施工质量光纤的连接采用日本FSM–16R光纤熔接机。

为了研究隧道温差振动（通车）等环境因素对光纤应变的影响可以每隔1h测1次以监测所需测量的温度[9]。

试验项目包括：

（1）光纤铺设方法的影响

（2）温度等环境因素对应变的影响

（3）光纤应变的灵敏性试验

结合这3种方法分别在西隧道的西面墙壁和拱顶铺设了3条光纤并集中引到隧道中部的管理室进行远程应变监测3条光纤（布置如图4.5和图4.6）。

图4.4光纤铺设

图4.5西面墙壁光纤布置图

图4.6拱顶光纤布置图

4.5小结

将光纤传感技术用于对边坡稳定的监测，有很多独特的优点，是以后边坡稳定监测的一个发展方向。

但是目前该技术并不像传统的边坡稳定监测技术那样成熟，还有待于继续研究。

例如光纤疲劳效应的影响尚不清楚，光纤既作为传导介质，又作为传感介质，因此它在各种工程环境和受力条件下的长期性能和稳定性就成为这一技术成功应用的关键。

五结论

变形监测的技术和方法随着各种先进仪器，先进方法的使用，正发生着深刻的变化。

传统的变形监测手段在当今大型工程大量建设的情况下，已不能满足变形监测自动化、智能化的要求，而变形监测的新技术、新方法不仅自动化程度高，而且具有较高的精度。

但从目前光纤监测技术在土木工程领域的应用与发展状况来看，对它的基础研究仍很薄弱，此技术还不太成熟，今后仍需继续开展光纤传感器及其监测系统的研制开发和试验应用，以提高它对土木工程建（构）筑物的监测能力，使其在土木工程领域中得以广泛应用。

参考文献

1.党新军,边坡变形监测技术分析.科学咨询（科技·管理）,2012（08）:

p.75.

2.李红中,边坡变形监测技术现状与发展趋势.中国水运（理论版）,2008（01）:

p.54-55.

3.汪莉萍,GPS-RTK技术在露天矿山测量中的应用.铜业工程,2011（04）:

p.28-30.

4.邝建航,GPS-RTK技术在露天矿山测量中的应用探析.江西建材,2015（03）:

p.249.

5.许晓明,GPS技术在边坡变形监测中的应用及其数据处理研究.2012,江西理工大学.

6.钟强,基于近景摄影测量技术的矿区边坡变形监测及应用.2012,江西理工大学.

7.孙久运,矿区变形监测精密近景摄影测量关键技术研究.2010,中国矿业大学.

8.乔迎欣,黎剑华,and贺跃光,光纤监测技术在土木工程中的应用现状及展望.南昌工程学院学报,2007（01）:

p.13-18.

9.朱鸿鹄,etal.,基于光纤传感的边坡工程监测技术.工程勘察,2010（03）:

p.6-10+14.