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文档简介

1、第 32 卷第 4 期岩土力学Vol.32No. 42011 年 4 月Rock and Soil MechanicsApr.2011文章编号: 10007598 (2011) 04126904CCD 微变形监测技术在边坡远程监控中的应用高杰,尚岳全,孙红月,王智磊(浙江大学建筑工程学院,杭州310027)摘要:探索低成本、高精度长期定点监测技术是目前边坡监测工程中急需解决的问题。CCD 微变形监测仪通过光电信号的相互转化来获取边坡的稳定性信息,比起传统的监测仪器,其在精度、时效性及成本上均具有一定的优势,通过远程无线遥控监测,节省监测人力物力。在分析CCD 微变形监测系统工作原理的基础上,将

2、其应用于诸永高速公路K101 边坡的长期监测,与前期安装的GPS、全站仪共同工作一段时间后,对比相近观测点的监测值,结果显示,CCD 微变形监测系统所取得的数据具有良好的精度和长期稳定性,表明该监测系统监测效果良好,适宜于边坡的长期监测使用。关键词: CCD ;边坡工程;远程监控中图分类号:TU 457文献标识码: AApplication of CCD micro-deformation monitoring technology to slope remote monitoringGAO Jie , SHANG Yue-quan , SUN Hong-yue , WANG Zhi-lei(

3、 College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China )Abstract: At present, the most critical question in monitoring slope engineering is to find a new technology which can be suited for long-term and fixed-point situation, and it needs a lower-cost, higher pre

4、cision and longer distance. Charge coupled device (CCD) is the technology which can get the information about slope stability by the mutual transformation of photoelectric signals. Compared with the traditional monitoring instruments, CCD has some advantages in accuracy, timeliness and cost. Meanwhi

5、le, it could achieve remote wireless control. So it significantly saves manpower and resources that required to monitoring. Based on exploring the working principle of the CCD micro-deformation monitoring system, it has been applied to the K101 slope of Zhuji-Yongjia expressway for a long-term monit

6、oring; after a period time of work with GPS and total station together, it is shown that the data by CCD is favorable in precision and stability; and it is also demonstrated that the CCD micro-deformation monitoring system is suited for long-term monitoring of slope for a good effect.Key words:charg

7、e coupled device (CCD); slope engineering; remote monitoring1引言由于边坡岩土体结构的复杂性,从地质勘察到处治设计均无法充分考虑边坡内部的真实力学效应。而在各种荷载的作用和自然因素的影响下,边坡工作性状随时都在变化,为了反映边坡岩土体真实的力学效应、确保边坡处于稳定状态,需要开展边坡工程监测 1。现阶段国内外用于边坡安全监测的技术和方法很多,从传统的全站仪、测斜管、压力计、雨量计和位移计,到新型的GPS、 TDR 、激光测距仪等,都被大量运用于实际工程监测之中,而且很多是以多种技术方法集成的监测系统形式出现 2 10 。传统方法虽然在

8、自动化、数字化方面有所欠缺,但由于其使用时间较长,累计了大量的工程经验和技术手段,因而稳定性较好。相比较而言,新型的监测仪器和技术,其在时效性上更具有优势。高边坡的位移监测,目前常用的主要仪器有全站仪、GPS 和测斜仪等。 虽然全站仪使用时间较长,逐渐发展出了一套较为完善的技术和理论,但一台高精度全站仪的价格不菲,不适用于边坡的定点长期监测; 同样,形成一个GPS 组网来进行监测的成收稿日期: 2009-08-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 40972187);浙江省重大科技专项社会发展重点项目(No. 2006C13027 )。第一作者简介:高杰,男,1985 年生,硕士研究

9、生,主要从事边坡监测及安全性评价方面的研究。E-mail: 20712160GPS 等监测手段相1270岩土力学2011年本很高,增加了边坡的处治费用;而测斜仪需要人工反复操作来获取数据,花费时间多,也耗费了大量的人力物力。鉴于现阶段边坡监测工作中的实际情况和未来的发展要求,探索低成本、高精度适宜于长期定点监测的技术成为边坡工程监测领域急需解决的问题。CCD( charge coupled device,电荷耦合器件)是一种可将光学信号转变成数字信号的微型图像传感器,使其结合无线收发模块用于边坡监测领域,可以实现系统的远程控制,达到边坡监测过程数字化和无线化的目的。与全站仪、比, CCD 微变

10、形监测系统成本相对较低, 最大量程可达 1 000 m,精度高,而且可以通过无线信号实施远程操控,这些优势都使其在边坡监测领域有着较好的应用前景。2 CCD 微变形监测系统构成及原理2.1数据采集系统数据采集系统主要是由 CCD 主机和光电标靶构成,在实际监测中,边坡的稳定性信息首先传递至固定在坡面上的光电标靶,从而 CCD 主机可感知其位置变化并获取边坡位移的具体信息。CCD 是由光敏单元、 输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件,其突出特点是以电荷作为信号载体。当入射光照射到CCD 光敏单元上时,光敏单元中将产生光电荷Q,Q 与光子流速率N0 、光照时间 TC 、光敏单元面积A 成

11、正比,即Qq N0TC( 1)式中:材料的量子效率;q 为电子电荷量。根据以上原理,可以通过光敏单元接收到的由标靶发出的电荷大小来判断入射光源的位置变化情况,再与设定好的初始状态进行比较,进而给出边坡的具体位移参数。实际监测中首先将专用光源标靶固定在待测边坡坡面某选定测点处,使标靶与边坡牢固结合,这样就将边坡位移或震动转换成了特定波长的光源位移或震动,再通过光学解析系统将待测信号解析至现与服务器的数据交换,另外借助点对点的数传模块可以将主机、光电标靶与GPRS 模块相连接,这样就达到了数据接收和指令发送的无线化。图 1 所示为数据传输系统示意图。无线通讯INTERNET方式计算机控GPRS 模

12、块制传服务器递主站用户从站C从站主机光电标靶图 1数据传输系统Fig.1The system of data transmission服务器是整个监测系统的核心部分,主要负责数据的接收处理和命令的发送。它安装有针对本系统专门开发的操作软件,并通过与互联网相连来实现远程操作。GPRS 模块则是监测系统的数据传输部分。它连接一个可实现局部信号传输的无线主站,一方面通过将服务器的IP 地址、端口号写入GPRS 模块,让模块在工作的情况下能够通过 GPRS 网络接入互联网并迅速地找到服务器与之相连,与服务器实现相互间的数据交换;另一方面其又通过连接的数传模块主站与数据采集系统即具体的工作仪器之间产生联

13、系,达到数据采集、 命令发送的中转站的目的。CCD 主机和光电标靶均连接数传模块从站,从站接收主站的信号,对主机和光电标靶进行开关控制及数据的接收,它是整套数据传输系统的具体工作部分。3 工程实例3.1深泽滑坡工程概况深泽滑坡位于诸永高速公路诸暨到永嘉方向CCD 传感器,传感器通过检测标靶在CCD 上成像K102+220 K102+520 之间,滑坡体前缘出口位于公路轴线左侧 110 m 处、后缘位于公路轴线右侧的中心坐标的变化即可精确绘制被测边坡位移对时50 m 范围处,投影面积约 45 000 m 2。滑坡区原始间的响应曲线。2.2 数据传输系统地貌上后陡前缓,滑坡体前缘呈圆弧形突出,显示

14、现场采集数据的回传以及系统控制命令的发送滑坡在近期地质历史上有活动的迹象。需要一套完整的数据传输系统,通过GPRS 或地质勘探资料揭示,滑坡体的主滑方向为CDMA 模块,可以将数据采集系统接入互联网,实N65 70°E。滑坡体上部为厚 1.5 7.5 m 的第四系第 4 期高杰等: CCD 微变形监测技术在边坡远程监控中的应用1271残坡积亚黏土,下部为白垩系馆头组全、强风化泥质粉砂岩。滑动带主要由构造破碎带组成,局部为强、弱风化岩接触薄弱带,或节理密集带。原始滑坡体总方量约达43。50×10 m3.2监测数据及分析深泽滑坡于 2008 年初开始进行治理, 并于同期引入监测

15、设备以了解边坡的稳定性状态,前期监测主要以全站仪和 GPS 为主,由于人工作业工作量大、耗费的时间多,而且容易受天气因素影响,相关数据并不能及时获取,故为了更及时地掌握边坡的稳定性信息并对 CCD 微变形监测系统进行探索性的研究, 2008 年 11 月开始引入 CCD 微变形监测系统进行共同监测。图 2 所示为光电标靶的位置,即 CCD 测点在坡面上的具体布置情况。考虑到一方面能尽量避免边坡施工期的干扰;另一方面又能较为准确地反映边坡的变形状态,其安放位置选择在边坡中部的 4 6 三级台阶,并自上而下形成一个监测剖面。同时,将 CCD 测点布置在已经安放的全站仪测点及 GPS 测点周围, 可

16、以对监测数据进行对比,来确定本系统的监测效果。 图 3、4 所示为监测系统的现场实际安放情况。本文选具有代表性的数据加以分析。全站仪测点8 阶GPS 测点373P257 阶CCD 测点6 阶332P225 阶28 1P194阶3 阶2 阶永嘉1 阶诸永高速诸暨图 2CCD 测点布置示意图Fig.2Layout of CCD measuring pointsFig.3Monitoring machine图 4光电标靶Fig.4The photoelectric target图 5 所示为 2 号测点在 2008 年 11 月至 2009年 3 月期间的时间 -位移曲线。 本系统所量测的位移均为垂

17、直于坡面方向,负值表示测点相对于初始值产生了向下的位移。监测数据表明,系统自监测初期就显示测点产生向下的位移,可能原因是由于仪器安装标定 0 点后,固定的光电标靶受到下级台阶施工振动的干扰,产生位移导致的。这在施工期间表现为监测数据的小幅波动,其中最大位移- 6.93 mm ( 2008-12-31 ) 与 最 小 位 移 - 3.77 mm( 2008-12-06 )相差 3.16 mm。但在施工完成后, 所量测数据趋于平稳,上下波动幅度较小,曲线图接近于一条平滑的直线,说明边坡体已处于基本稳定状态,同时仪器的工作也已趋于稳定。时间/ 年 -月-日2008-12-072009-01-0320

18、09-02-272008-11-222008-12-242009-02-160- 1- 2m- 3m- 4/移- 5位- 6- 7- 8图 5 测点 2 位移与时间的关系 Fig.5 Relationship between time and displacement of monitoring point 2图 3监测仪主机图 6 所示为同时段第 5 级台阶上全站仪、 GPS 及 CCD 测点数据的位移 -时间曲线对比,全站仪和GPS 测点分别为图2 中的 33 和 P22,三者分布处于同一水平面,且左右相邻最远距离不超过 5 m。全站仪及 GPS 数据均为处理后表示垂直于坡面方向的分向位移

19、。可以看出,在坡体处于稳定的基本前提下,全站仪及 GPS 所测数据均有较大幅度的波动,其原因可能是由于系统误差及手动反复操作时1272岩土的人为误差所造成的。而CCD 监测仪的数据波动幅度明显小于前两者, 表明了在相同的监测环境下,CCD微变形监测系统在监测数据的稳定性上要好于全站仪和GPS。这是由于CCD 微变形监测仪的整套系统在监测过程中是长期固定的,减少了人工手动操作的中间环节,这样就避免了人为重复的安装与调试过程所造成的误差。监测数据的对比也表明, CCD 微变形监测仪监测结果具有较好的可靠性。15 全站仪GPS10 CCD 监测系统5mm/0移 2008-10-29 2008-11-

20、28 2008-12-28 2009-01-27 2009-02-26位- 5时间/ 年 -月-日- 10- 15图 6 同级台阶上 CCD 监测仪与全站仪、GPS 的监测数据对比Fig.6Comparison of monitoring data of CCD and totalstation and GPS in the same level4结论边坡监测数据的获取是判断边坡稳定性的重要依据,将 CCD 传感技术结合无线通讯技术应用于这一领域,是对边坡监测技术的新的探索,本文通过一段时间内边坡实际工程中的应用研究,归纳其主要优点有:( 1)适用于远距离长时间定点监测,减少了现场的工作量。(

21、 2)测量精度高,安装固定后能够避免人为反复操作引起的误差。( 3)便于和其他检测仪器一起形成一套完整的边坡监测系统,有利于边坡情况的实时掌握。实践证明, CCD 微变形监测系统量测精度高、稳定性好,适宜于边坡工程中的长距离实时监测。随着 CCD 技术系统的完善,其在工程监测领域必将得到更加广泛的应用。参考文献1 尚岳全 , 王清 , 蒋军 , 等. 地质工程学 M. 北京 : 清华大学出版社 , 2006.2 丁勇 , 施斌 , 崔何亮 , 等 . 光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究 J. 岩土工程学报 , 2005, 27(3): 338 342.力学2011 年DING Yong,

22、SHI Bin, CUI He-liang, et al. A fiber optic sensing net applied to slope monitoring based on Brillion scatteringJ. Chinese Journal of Geotechnical Engi-neering , 2005, 27(3): 338 342.3 陈晓雪 , 罗旭 . 边坡位移监测研究现状述评 J. 地质与勘探 , 2008, (2): 110114.CHEN Xiao-xue, LUO Xu. Review of current situation of monitori

23、ng slope displacementJ. Geology and Prospecting , 2008, (2): 110 114.4 张志英 , 何昆 . 边坡监测方法研究 J. 土工基础 , 2006, 20(3): 82 84.ZHANG Zhi-ying, HE Kun. A study of slope monitoring system and methodJ. Soil Engineering and Foun-dation , 2006, 20(3): 82 84.5 张雷 , 沈明荣 , 石振明 . 岩体边坡工程中的位移监测及分析 J. 岩土力学 , 2003, 24(

24、增刊 1): 202 205. ZHANG Lei, SHEN Ming-rong, SHI Zhen-ming. Displacement supervision method for rock slope engineering and analysisJ. Rock and Soil Mechanics , 2003, 24(Supp.1): 202 205.6 LI S J, FENG X T, WU W P. Long - term monitoring and dynamic remedial measures in a large scale landslideC/ Proceedings of Internation

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