边坡安全监测解决方案

发布日期 : 2020-11-02

    山体滑坡是一种严重的自然灾害，我国是山体滑坡多发国家，每年因山体滑坡造成的损失非常大。在公路或铁路沿线的山体滑坡会造成长时间的交通中断，有些乡村地区的山体滑坡会造成人民生命财产的严重损失，因此治理山体滑坡一直是我国非常重视的一项工作，我国目前在这方面做了很多有效工作，建立了不少边坡监测系统，随着光纤光栅监测技术的不断成熟，光纤光栅已经代替传统技术开始逐步应用于山体边坡的自动化监测中，并取得了和好的效果。

  光纤光栅产品在边坡监测应用的相关规范和标准：

• 《岩土工程监测规范》（YS5229-96）；
• 《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2002）；
• 《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-2002）；
• 《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS22：2005）；
• 《土木工程用光纤光栅温度传感器》 JG/T 421-2014 ；
• 《土木工程用光纤光栅应变传感器》 JG/T 422-2014。

光纤光栅边坡监测原理图

如图所示，在潜在滑坡体的适当位置布图中所示的监测仪器，用来监测滑坡体的表面裂缝、深层位移、倾斜变形、地下水位以及锚杆张力，这些监测仪器通过专门的数据采集装置进行自动采集并记录，再通过GPRS 或GSM 无线传输方式将采集的数据发送到远程的中心数据接收站，通过配套的数据采集软件即可实现数据的现场采集、实时监控、异常测值报警的目的。

光纤光栅传感技术是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源传感器件，它具有无源本质安全防爆、无电磁干扰、长距离 信号传输、长期稳定性好、多参量并行检测等显著优势，已在土木工程、航空航天、 铁路、电力石化、水利等行业广泛应用。

将光纤光栅传感技术应用在边坡状态监测领域，其具有的独特优势如下：

• 传输距离长，适合野外边坡监测区域大、范围广的特点，光纤光栅是光纤的一部分，具有天然的信号光学传输优势，光纤光栅信号处理器无需中继即可覆盖方圆20Km范围内边坡； 
• 光纤光栅传感器现场无须供电，解决传统传感器野外分布式供电难的缺点；
• 光纤光栅传感器现场和整个信号传输线路无电无源，本质安全，无电磁干扰。绝无雷电损坏系统事故，适合野外高山区域；
• 精度高。由于采用独特的光学检测手段，且不受其他因素干扰，因此可对边坡状态进行定量监测。比如监测滑移量可分辨到2mm，报警精度可达5mm； 
• 光纤光栅信号处理器功耗低，选用太阳能电池的供电的方式可确保长时间工作； 
• 光纤光栅传感器现场无电子器件，因此系统耐潮湿、耐高温特性好，系统寿命长，稳定性高，无零漂，适合于长期监测； 
• 光纤光栅监测系统可多参量同时监测。同一系统同一监测链路上可混合接入、同时测量多个点的温度、应力、应变、位移、渗压、土压等多种物理量。可进行：边坡裂缝监测、位移监测、倾斜监测、地下水位渗压监测、锚杆张力监测等等，光纤光栅监测点可以串连，可十分容易地构成边坡监测网络；
• 系统容量大。光纤光栅可以串并灵活组网，一条监测链路上串接20支各种类型的传感器，一台信号处理器可同时接入多达128条监测链路。实现同时监测 2560 个测点； 
• 光纤光栅信号处理器内置一GPRS 模块，在有移动通讯网络覆盖的环境下均可实现远程数据传输。对于现场不具备GSM移动通讯网络覆盖而选用超短波无线通讯模块。

一、监测系统主要构成

1、光纤光栅离层传感器

光纤光栅离层传感器主要用监测边坡稳定层和滑动层相对移动位移量。边坡离层 传感器主要由锚头、锚绳、光纤光栅支架组成。使用时锚头浇铸到边坡稳定内部，光 纤光栅支架安装在边坡表面，锚绳连接锚头和支架。当边坡表面滑动层有滑动现象发 生时，锚头拉动测绳，传感器支架上光纤光栅受力发生相应改变，引起波长的变化。通过光纤光栅信号处理器的检测即可换算出滑坡位移量的大小。

   光纤光栅离层传感器技术参数：

   光纤光栅离层传感器工程应用原理：

2、光纤光栅锚杆应力传感器

  光纤光栅锚杆应力传感器主要用测量边坡支护锚杆受力大小情况。锚杆应力传感 器采用端头固定式安装，传感器压力环孔中穿入锚杆、锚索。传感器夹持在托盘和紧 固螺母之间,当锚杆受力发生变化时，在锚杆托盘与紧固螺母之间压力环上光纤光栅 受力发生相应改变，引起波长的变化。通过光纤光栅信号处理器的检测即可换算出锚 杆上应力变化大小。如果锚杆上应力持续变大，则说明边坡处于不稳定状态。

   光纤光栅锚杆应力传感器技术参数：

   光纤光栅锚杆应力传感器工程应用原理：

3、光纤光栅渗压计

  光纤光栅渗压计可监测有河流、暗流、悬湖等地段边坡的岩土孔隙被渗流侵蚀情 况。光纤光栅渗压计采用独有的压力弹性元件作为传感基底，专为精确测量完全饱和 或者部分饱和土壤和岩石中的小孔水压而设计。设计应用于测量流体的压力，如埋入 坝体、填土内监测其地下水位及孔隙水压力。也可安装在钻孔、测井或测压管中。

   光纤光栅渗压计技术参数：

   光纤光栅渗压计工程应用原理：

4、光纤光栅倾斜计

  光纤光栅倾斜计可用于对边坡、桥梁、大型建筑等工程结构整体倾斜的实时监测。传感器通过底座打孔安装。光纤光栅倾斜计具有精度高、灵敏度高，自动温度补偿，实时动态监测等优点。

   光纤光栅倾斜计技术参数：

   光纤光栅倾斜计工程应用原理：

5、光纤光栅信号处理器（解调仪）

  KNPFBG系列光纤光栅信号处理器面向工业长期监测设计，主要用于1Hz静态测量。其特点是多通道、大容量。具有分辨率高、重 复性好、采集速度快、可靠性高、处理能力强大、连接测点多和兼容性强等众多优点， 可靠稳定的长期监测。

   光纤光栅信号处理器技术参数：

二、监测系统配置方案实例

1、典型工程概况

光纤光栅边坡监测系统最适合应用于广域范围内边坡群的集中监控。假设某公路穿越一复杂高山地段，在 10Km 范围内分布12处1:0.75 高危三级边坡需要监测。假设坡高10m，每处边坡100m。为评估对边坡稳定性，设置一套光纤光栅边坡安全监测系统对10Km 范围内12处边坡进行集中监测。

2、测点布设方案

根据边坡失稳坍方影响范围，综合经济效益，我们选择平均 100 平方设置一个监测点，即传感器间隔10 米（对于科研性质的研究，可适当加密传感器布设量）。这样对于1:0.75陡度，坡高10m，边坡100m的边坡，共设置20处传感器埋设点。每处边坡20个传感器串成4个链路。传感器埋设位置和种类可交替进行。对于整个10Km范围内12处边坡而言，共需要250只传感器（120 只离层、120只锚杆压力，10 只渗压，传感器种类配比可根据工程实际情况灵活调整），一台 48 通光纤光栅信号处理器。

3、系统拓扑结构

4、工程配置物料表

三、数据分析与安全评估

      完整的边坡监测系统应包括传感子系统，数据传输和采集子系统，数据处理和数 据管理系统，安全评估子系统。在光纤光栅边坡监测系统中，传感子系统和数据传输采集子系统在边坡现场完 成。现场光纤光栅信号处理器将现场数据通过 3G 等无线方式传输到监控中心数据服 务器上，在数据服务器上完成数据处理和数据管理工作。边坡安全评估系统主要将经过数据预处理并存储在数据，进行自动分析和评定， 以确定边坡稳定性评估。在边坡发生异常和监测信号超过规定的安全阀值时，自动进 行安全预警。以便采取相应的预案。边坡监测系统的监测模块如下图。

四、边坡安全评估系统主要功能

1.     对数据历史趋势进行分析和对比，发现危险端倪；

2.     分析记录缝隙长期发展变化趋势；

3.     分析记录各锚杆受力长期发展变化趋势；

4.     评估温度变化对边坡状态的影响特性；

5.     评估雨量、水位对边坡状态的影响特性；

6.     对边坡明显失稳，传感器明显超出阈值的情况发出报警预警信号； 

7.     定期并生成报告提供给养管部门。

根据边坡安全评估结果动态调整监测策略。

五、小型化解决方案

使用便携式小仪表，配接 2～4通道。每通道可串接5～10个传感器。现场无供电的可使用太阳能供电系统。使用 4G 无线网络将数据发送到远端机房。可使用手机（android）接收查看实时数据。

该方案应用场景：

Ø  边坡需要监测的位置比较离散，而且相距相对较远； 

Ø  每处监测使用传感器不多，最多 30 几个各类传感器； 

Ø  现场连处理器安放位置和供电都没有。

本方案每处根据传感器配置的种类和数量，预算大约：10万～20万。