边坡监测讲义.ppt

边坡监测与预报 1 边坡工程监测的目的 作用和内容 1 1目的1 为了保证工程施工和运行的安全 2 评价边坡理论分析结果和经验判断成果的依据 是修改设计和指导施工的客观标准 3 为工程岩土体力学参数的反演分析提供资料 4 为掌握边坡变形特征和规律提供资料 指导在边坡发生严重变形条件下的应急处理 5 为分析岩体结构与边坡变形破坏的关系 预测边坡变形破坏趋势 评价边坡的长期稳定性提供条件 在交通 矿山 建筑和水利等各个建设领域中 通过边坡工程的监测 可以达到下述作用 1 评价边坡施工及其使用过程中边坡的稳定程度 并做出有关预报 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 对于已经或正在滑动的滑坡体掌握其演变过程 及时捕捉崩滑灾害的特征信息 如 崩塌 滑坡的正确分析评价 预测预报及治理工程等 提供可靠的资料和科学依据 1 边坡工程监测的目的 作用和内容 1 2作用 2 为防治滑坡及可能的滑动和蠕动变形提供技术依据 预测和预报今后边坡的位移 变形的发展趋势 通过监测可对岩土体的时效特性进行相关的研究 通过监测可掌握崩塌 滑坡的变形特征及规律 预测预报崩滑体的边界条件 规模 滑动方向 失稳方式 发生时间及危害性 并及时采取防灾措施 尽量避免和减轻工程和人员的灾害损失 通过监测可为决策部门提供相应参数依据 为有关方面提供相关的信息 以制定相对应的防灾救灾对策 1 边坡工程监测的目的 作用和内容 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 因而 监测既是崩塌滑坡调查 研究和防治工程的重要组成部分 又是崩滑地质灾害预报信息获取的一种有效手段 通过监测可为决策部门提供相应参数数据 为有关方面提供相应的对策 4 为进行有关位移反分析及数值模拟计算提供参数 对于岩土体的特征参数 由于直接通过试验无法直接取得 通过监测工作对实际监测的数据 特别是位移值 建立相关的计算模型 进行有关反分析计算 1 边坡工程监测的目的 作用和内容 主要是对危险滑坡的成灾条件 过程的监测和地质灾害防治过程及防治效果的反馈监测 包括以下方面 1 危岩 滑坡地表及地下变形的二维 X Y方向 或三维 X Y Z方向 位移 倾斜变化监测 2 有关物理参数 应力应变 地声变化的监测 3 环境因素 地震 爆破震动 降雨量 气温 地表 下 水 水位 水质 水温 泉流量 孔隙水压力 等监测 1 3内容 1 边坡工程监测的目的 作用和内容 2 边坡工程监测方法 2 1宏观地质观测法用常规的地质路线调查方法对崩塌 滑坡的宏观变形迹象和与其有关的各种异常现象进行定期的观测 记录 以便能随时掌握崩塌 滑坡变形动态及发展趋势 达到科学预报的目的 该方法具有直观性 动态性 适应性及实用性强的特点 不仅适用于各种类型的崩塌滑体不同变形发展阶段的监测 而且监测内容比较丰富 面广 获得的前兆信息直观可靠 可信度高 结合仪器监测资料综合分析 可初步判定崩塌滑体所处的变形阶段及中长短期滑动趋势 作为崩塌 临滑的宏观地质预报判据 其方法简单经济 便于掌握和普及推广应用 适合群测群防 宏观观测法对于发生病害的边坡进行观测较为适合 对崩塌和滑坡的宏观变形迹象和与其有关的各种异常现象进行定期的观测 记录 从宏观上掌握崩塌 滑坡的变形动态和发展趋势 2 2简易观测法通过人工观测边坡工程中地表裂缝 地面鼓胀 沉降 坍塌 建筑物变形特征 发生和发展的位置 规模 形态 时间等 及地下水位变化 地温变化等现象 也可在边坡体关键裂缝处埋设骑缝式简易观测桩 在建 构 筑物 如房屋 挡土墙 浆砌块石沟等 裂缝上设置简易玻璃条 水泥砂浆片 贴纸片 在岩石 陡壁面裂缝处用红油漆划线作观测标记 在陡坎 壁 软弱夹层出露处设置简易观测标桩等 定期用各种长度量具测量裂缝长度 宽度 深度变化及裂缝形态 开裂延伸的方向 该方法监测的内容比较单一 观测精度相对较低 劳动强度较大 但是操作简单 直观性强 观测数据资料可靠 适合于交通不便 经济困难的山区普及推广应用 并适合于崩滑体处于速变 剧变状态时的动态变形监测 2 边坡工程监测方法 图1简易观察装置 a 设桩观测 b 设片观测 c 设尺观测 d 刻槽观测 边坡表面裂缝量测 1 最简单的一种方法是在滑坡周界两侧选择若干个点 在动体和不动体上各打入一根桩 木桩或钢筋 埋入土中的深度不小于1 0m 桩顶各钉一小钉或作十字标记 定时用钢尺测量两点间的距离 即可求出两桩间距的变化 若在不动体上设两个桩 滑动体上设一个桩 形成一个三角形 从三边长度变化可求出滑动体的移动方向和数量 边坡表面裂缝量测 2 标尺测量法 即在两观测桩露出地面的部分刻上标尺 或另加标尺 一个水平 一个垂直 设桩后测出其初始读数 以后随时测记水平和垂直尺上的读数 不用另外丈量即可求出滑动体的水平位移和垂直升降值 3 在不动体上水平打入一根桩 测量时在桩上吊一垂球 垂球下的动体上设一混凝土墩 墩顶面画上方格坐标 即可测出移动的数值和路径 若垂球线长度固定 还可大致测出滑体的沉降量 4 建筑物上的裂缝监测可以在裂缝两侧设固定点 如涂油漆 用尺量距 也可在缝上贴水泥砂浆片 贴片处必须清洗凿毛以便粘贴牢固 观测水泥砂浆片被拉裂 错开等情况 5 滑坡记录仪 也叫伸缩计 滑坡计 它是一个带记时钟的滚筒记录装置 固定在裂缝外的不动体上 滑体上设观测点 观测点与记录仪之间的距离以15m左右为宜 中间拉一铟钢丝 铟钢丝外应设塑料管或术槽保护以防动物碰撞 位移随时间的变化记录在记录纸上 一周或一月换一张记录纸 可连续记录 此记录仪还可带报警器 当位移达到规定数值时 自动报警 近年来我国也研究制造了由单板机控制的自动记录仪 中铁西北科学研究院研制的KHB 1型滑坡自动记录和报警器 可带16个探头 既可测位移 又可测雨量和水位 还能自动报警 能分出位移是拉伸还是压缩 而且有较强的抗干扰性能 曾在电气化铁路两侧滑坡上使用 性能良好 记录仪距测点间距离可达600 800m 即电缆的长度 可以交 直流电两用 日本坂川株式会社生产的SRL型滑坡自动记录仪 不用机械纸带记录 一台记录装置可带12个设在滑坡内外的记录仪 滑坡位移在室内自动记录 自动记录装置可用于危险性较大 人员不宜接近的情况 6 地面伸长计 用于测定地表明显裂隙的位移量 在边坡的稳定地段立一垂直桩3 桩上端装有一个滑轮5 滑轮上绕一根金属线l 金属线一端挂一重锤6 在其另一端用桩2固定在发生移动的边坡岩体表面 当滑体移动时 重锤被金属线牵引而上升 其上升量可以从垂直桩上的标尺4看出 也可把金属线的警报讯号灯7的限位开关连上 并预先调好需要报警的位移量 当位移量达到该值时 限位开关合上 警报灯发光 以引起注意 7 钢绳伸长计它是在不稳定边坡体上与稳定边坡体上分别埋设一个锚固标桩1和2 在标桩之间牵一个具有一定拉力的钢绳3 钢绳直径1cm左右 在稳定区标桩一端 设有钢标尺4 钢绳通过导轮5挂一重锤6将钢绳拉紧 如图6 34所示 当滑坡体移动时 重锤6被钢绳牵引上升 其上升量 即滑坡体移动量 可由标尺4测出 此外还可与报警系统配合使用 只要在钢标尺右端安装一个电源开关 当固定在钢绳上的接通滑块7随钢绳移至事先规定的预报位移量的位置时 滑块便与电源开关接触构成通路 报警信号 光或电铃 便接通 即可发出滑坡报警信号 钢绳伸长计具有操作简便 可观测岩体较大的位移量 而且可以大范围内设点形成一个监测网 2 3设站观测法设站观测法是指在充分了解场区的工程地质背景的基础上 在边坡体上设立变形观测点 成线状 格网状等 在变形区影响范围之外稳定地点设置固定观测站 用测量仪器 经纬仪 水准仪 测距仪 摄影仪及全站型电子速测仪 GPS接收机等 定期监测变形区内网点的三维 X Y Z 位移变化的一种行之有效的监测方法 此法主要指大地测量 近景摄影测量及GPS测量与全站式电子速测仪 设站观测边坡地表三维位移的方法 大地测量法边坡的外部变形监测通常是用常规的大地测量方法平面位移监测 采用三角测量 经纬仪导线测量 全站仪或电磁波测距导线测量以及交会测量等方法 垂直位移监测 水准测量或三角高程测量等方法 常用仪器 经纬仪 水准仪 测距仪和全站仪 电子水准仪目前 最高精度的全站仪 瑞士Leica公司的TC2003 目前最高精度的电子水准仪 美国Trimble公司的DiNi12 高精度电子测量仪器的发展 为变形监测的常规大地测量方法注入了新的活力 三角测量 分别在滑坡体附近的稳定地区和滑坡体上选定一系列的点 称三角点 A B C 按三角形连接成网 观测三角形网中的所有角度 l 2 3 若A B为已知点 则AB边的长度和方位角也为已知值 在各三角形内 由正弦定理可以用AB边可以推算出AC BC的边长 进而求得网中所有边长 根据已知边的方位角和网中的观测角可以推算出其他各边的方位角 最后 根据己知点坐标及各边的方位角和边长 就能逐次求得其它各点的坐标 重复多期测量后 就可以测得边坡上各三角点的位移大小及方向 优点 控制面积大 几何条件多 图形结构强 有利于检查角度测量质量 是山地 丘陵及通视条件较好的测区广泛采用的一种测量方法 它的缺点是测角的任务较重 但测距工作量大大减少 将位于滑坡体附近稳定区域的基准点与滑坡体上的相邻控制点连成直线以构成折线 称为导线 这些控制点称为导线点 导线测量就是依次测定各导线边的长度和各转折角值根据起算数据 如已知边A A和B B的坐标和方位角 推算各边的坐标方位角 从而求出各一导线点的坐标 导线测量 经纬仪导线 用经纬仪测量转折角 用钢尺测定边长 电磁波测距导线 用光电测距仪测定导线边长 导线测量的特点是布设灵活 要求通视的方向少 边长直接测定 精度均匀 因此 导线测量是测定边坡平面位移常用的一种方法 特别是地物分布复杂 视线障碍较多的隐蔽区和带状地区 多采用导线测量的方法 当滑坡区域地形复杂 遮蔽较多 布设三角点或导线点比较困难 而需要监测的变形点数量不多时 可采用交会测量的方法进行 交会测量的原理类似于三角测量 都是在三角形内 至少有两个点为已知基准点 观测特定的角度或边长 利用正余弦定理来计算未知的角度或边长 进而利用边长和方位角求得交会点的坐标值 根据观测量或观测方式的不同 交会测量可分为前方交会 侧方交会 后方交会 测边交会等 交会测量 前方交会法 在两个已知基准点A B上分别设站观测 测得水平角 和 从而可以计算出变形监测点P点的坐标 侧方交会法 分别在一个已知点A和变形监测点P上安置仪器 观测水平角 和 然后利用两个已知点A B的坐标来测定未知点P的坐标 其中 另一个已知点C和观测角 可用作交会测量成果的正确性检验 后方交会法 将仪器安置在变形监测点P上 分别向三个己知点A B C进行观测 测出水平角 1 和 2 然后在两个三角形内利用正弦定理进行计算 求出P点的坐标 测边交会法 将测距仪或全站仪分别安置在三个已知点A B C或变形监测点P上 测得三个己知点A B C到P点的距离Sa Sb Sc 然后在两个三角形内利用正余弦定理进行计算 由边长推算出P点的坐标 水准测量 水准测量是利用一条水平视线 并借助水准标尺来测定地面上两点间高差的方法 当两点间高差已知时 就可由已知点的高程 推算出未知点的高程 边坡的垂直位移变形监测 就是用水准测量来测定监测点与稳定基准点之间的高差 进而求得垂直变形监测点的高程值 经多期测量后 就可以利用垂直变形监测点高程值的变化来确定滑坡体垂直位移的大小和方向 三角高程测量 在山区进行变形监测 若用水准测量 则速度慢 困难较大 故可采用三角高程测量的方法 三角高程测量的观测方法简单 受地形条件限制较小 是测定滑坡体垂直位移变化的一种基本方法 但必须用水准测量的方法在测区内引测一定数量的水准点 作为高程起算的依据 设站观测法网型布置观测网型布置 决定于观测区的范围 地形条件以及观测要求 一般采用以下几种网型 十字形观测网 适用于变形边坡窄长 观测范围不大 滑体滑动主轴明显的情况 此时 可在沿滑体主轴方向布置一排观测点 垂直于主轴方向布置若干排观测点 设点时在同一排上的变形带和稳定区均需有测点控制 以便进行分析对比 固定点可设在主轴剖面上或其他通视地点 此类网点建网和观测都较方便 放射形观测网 适用于通视条件较好 观测范围不太大的变形边坡 在变形边坡以外的稳定地带 选择观测通视条件较好的位置布设2个固定测站 从固定测站按放射状设若干条观测线 在测线终点的稳定岩体上设照准牌 定期观测2组放射测网交叉点的位移变化 此法的优点是观测时搬镜次数少 可节省人力和时间 但测点布置不甚均匀 靠近测站的测点观测成果较精密 方格形观测网 一般适用于地形条件复杂的大型边坡的观测 在观测范围内设置不同方向观测线 使测线纵横交叉 组成方格网形 观测线数量不限 观测点一般布置在纵横剖面线的交叉点上 此法的优点是 只要求每条测线通视 受地形条件的影响较小 测点分布可任意调整 且分布均匀 观测精度高 缺点是 固定测站多 建网时工作量大 每次观测时 1个固定测站只能观测1条测线 仪器搬动频繁 人力物力消耗大 费时间 三角站网 当观测地区交通极为困难而难以布置大量测点时 可在变形带外围的稳定边坡上设置三角站网 用以观测变形边坡上少数测点的平面控制变化 另外 除在地表设站观测边坡位移外 为了了解不同高程岩体位移变化的情况 也可在边坡断面上 不同高程处开挖勘探平硐 在硐内设桩观测 根据不同高程岩体位移变化情况 以便研究边坡岩体在某一剖面上的变形规律 观测资料的分析整理一般对变形边坡的观测都是为了分析研究边坡变形破坏的规律 其最基本的观测资料为各观测桩的水平位移和高程变化的数据 对这些数据进行系统分析整理后 据以做出客观的判断 编制边坡水平位移矢量图及累计水平位移矢量图 将各测桩的水平位移量按一定比例 并按位移的方位绘在各测点处 从图中可以看出水平位移随时间的变化情况 编制边坡高程升降矢量图及累计升降矢量图 以各测线为基准 横线以上为上升 横线以下为下降 将各点高程的变化按比例 与水平位移矢量图相同 绘在图上 从图中可以看出高程升降随时间的变化情况 编制水平位移动和高度变化综合图 将上述2种分析图重叠 从综合图上可圈定滑坡体周界 并可确定主滑线 绘制边坡位移 某点水平位移 垂直位移等 与时间的关系曲线图 从图上可以分析边坡位移的状况与发展趋势 以便为滑坡预报提供依据 通常边坡位移的初始阶段位移的增加比较均匀 在滑坡前发生的一小段时间内 位移常常停顿 其后位移显著增大 这往往是滑坡的预兆 从位移与时间的关系曲线上可以推测出发生滑坡的日期 编制变形和地下水位变化的关系曲线 用以观察位移和地下水位以及降水之间的关系 水是产生边坡滑动的活跃因素 因此 雨季往往滑坡比较频繁 位移观测资料的分析判断 根据位移矢量关系 判定滑坡体的个数 上部观测桩普遍向东移动 而下部桩观测普遍向西移动 可以判定为上 下滑动方向不一致的2个滑坡体 区分老滑坡体上的局部移动 老滑坡和其上的局部移动的变化规律在时间 方向及位移量上有所不同 据此可以判断在老滑坡上出现的局部移动 确定滑坡体的周界 根据观测桩的位移和位移方向可以确定滑坡的周界 一般滑坡体群内各个滑坡边缘位置的观测桩 其位移方向向各自的滑体偏移 而2个滑坡中间的观测桩其位移是很小的 由此可以确定若干滑坡体的周界及其范围示 判定主滑线 在滑坡位移矢量图上 找出每一横排上位移量 下沉量最大的点 将这些点纵向连接起来 就是滑坡体的主滑线 它是滑坡体的滑动方向 判定滑床形状 当滑坡体只有1个滑动面时 各观测桩的合矢量 水平与升降矢量的合矢量 与水平线的夹角 常与滑坡床上相应部分的滑动面倾角相似 据此可以推断滑动面的倾角 从而也可以定出滑床的形状 即 判断两桩间岩体的受力性质 从两相邻观测桩在平面上同一方向位移累计值比较 可以判断两测桩间的受力性质是受压或是受拉 以此差值与两桩设站初期平均距离的比值来表示其受力的性质 式中 单位长度内两桩的变位差 单位mm m L0 建桩初期两桩的平均距离 单位m 两桩间累计位移差 单位mm 当其为正值时 说明两桩间岩体受拉 当其为负值时 说明两桩间岩体受压 因此 用上法可划分滑体上的张拉区和压缩区 判断边坡岩体的变形特征 当在不同高程的山体内 探硐内 设有多层观测桩时 可根据在同一垂直断面上不同高程观测桩的位移合矢量的大小 判断边坡岩体是一般性滑动 表层滑动 深层滑动或是旋转等 此外 根据各桩间位移量的大小和位移方向可判定滑动体的位置 估算滑床的深度 对压缩变形量小 呈整体滑动的边坡 可利用某观测桩以上滑体沉降的面积A1与该桩顺轴向水平位移 x的比值估算该处滑床深度h 预报边坡滑移破坏的时间 根据位移变化速率及变位与时间的关系曲线可以预报滑坡的时间 大地测量法有如下优点 1 能确定边坡地表变形范围 在边坡工程监测的初期 监测的重点部位往往难以确定 甚至事与愿违 埋设监测仪器的地方无变形 没有埋设仪器的地方反而不稳定 因此 对于地面变形的监测 确定变形的范围是当务之急 往往采用大地测量方法方可奏效 这是因为大地测量方法不仅可以对重点部位进行定点变形监测 而且监测面积广 可以有效地监测确定边坡变形状态 2 量程不受限制 大地测量法不受量程的限制 这是因为大地测量法是设站观测 仪器量程能满足边坡变形监测 可以观测到边坡变形演变的全过程 若采用仪表观测法 所埋设的仪器都存在受量程限制的问题 当变形量较大时 往往超过仪器的量程 使得监测中断 这种情况在滑坡监测中时有发生 3 观测到边坡体的绝对位移量 大地测量方法是以变形区外稳定的测站为基准 或参照物 进行观测 能够直观测定边坡地表的绝对位移量 掌握整体变形状态 为评估边坡的稳定性提供可靠依据 由于大地测量方法具有上述优点 则在边坡工程的地表监测中占主导地位 目前边坡工程监测中 由于全站测量技术与计算机技术结合在一起 使其精度高 一般全站仪在毫米级 有的可达亚毫米级 三维测量同时提供点位坐标和高程 测量数字化 和计算机技术结合形成系统 实时性强 一机多测点 效率高 因此 受到边坡工程监测人员的高度重视 但是 大地测量法也受到地形通视条件限制和气象条件 如风 雨 雾 雪等 的影响 工作量大 周期长 连续观测能力较差 GPS 全球定位系统 测量法GPS测量法的基本原理是用GPS卫星发送的导航定位信号进行空间后方交会测量 确定地面待测点的三维坐标 将GPS测量法用于边坡工程监测有以下优点 1 观测点之间无需通视 选点方便 2 观测不受天气条件的限制 可以进行全天候的观测 3 观测点的三维坐标可以同时测定 对于运动的观测点还能精确测出它的速度 4 在测程大于10km时 其相对精度可达到5 10 6 1 10 6 甚至能达10 7 优于精密光电测距仪 此法适用于边坡体地表的三维位移监测 特别适合处于地形条件复杂 起伏大或建筑物密集 通视条件差的边坡监测 GPS接收机发展很快 更新速度极快 新一代的GPS接收机具有重量轻 体积小 耗电少 智能化 由于其快速静态定位特点 其发展趋势是测量精度和性能将不断提高 应用面会不断扩大 目前 虽然GPS接收机价格较昂贵 不完全适合我国国情 但在近年来我国也掀起了引进GPS的 热潮 开发和应用GPS技术的势头发展很快 已经从理论研究走向实用阶段 工程实践证明 GPS定位精度可达毫米级 完全适用于边坡工程的位移监测 近景摄影测量法该方法是把近景摄影仪 摄影经纬仪或量测相机 安置在2个不同位置的固定测点上 同时对边坡范围内观测点摄影构成立体像对 利用立体坐标仪量测像片上各观测点三维坐标的一种方法 其周期性重复摄影方便 外业省时省力 可以同时测定许多观测点在某一瞬间的空间位置 并且所获得的像片资料是边坡地表变化的实况记录 可随时进行比较 目前 采用近景 一般指100m以内的摄影距离 摄影方法进行滑坡变形测量时 在观测的绝对精度方面还不及某些传统的测量方法 而对于滑坡监测中 可以满足崩滑体处于速变 剧变阶段的监测要求 即适合危岩临空陡壁裂缝变化 如链子崖陡壁裂缝 或滑坡地表位移量变化速率较大时的监测 由于设站受到地形条件限制 内业工作量较大 专业化程度较高及摄影仪有待改进等 故在崩塌 滑坡的位移监测中应用得还不够广泛 2 4仪表观测法仪表观测法是指用精密仪器仪表对变形斜坡进行地表及深部的位移 倾斜 沉降 动态 裂缝相对张 闭 沉 错变化及地声 应力应变等物理参数与环境影响因素进行监测 目前 监测仪器的类型 一般可分为位移监测 地下倾斜监测 地下应力测试和环境监测四大类 按所采用的仪表可分为机械式仪表观测法 简称机测法 和电子仪表观测法 简称电测法 其共性是监测的内容丰富 精度高 灵敏度高 测程可调 仪器便于携带 可以避免恶劣环境对测试仪表的损害 观测成果直观可靠度高 适用于斜坡变形的中 长期监测 1 简单地下位移监测 塑料管钢棒观测法在钻孔中埋入塑料管 联结要光滑 到预计滑动面以下3 5m 然后定期用直径略小于管内径的钢棒放人管中测量 当滑坡位移将塑料管挤弯时 钢棒在滑面处被阻就可以测出滑动面的位置 这种方法只能测出上层滑动面的位置 当滑动面多于两层时 可以事先放一棒在孔底 用提升的办法测下层滑带的位置 变形井监测为了观测地面以下各点的位移 可以利用勘探井 在井中放置一串叠置的井圈 混凝土圈或钢圈 圈外充填密实 从地面上向井底稳定层吊一垂球作观测基线 当各个圈随滑坡位移而变位时 即可测出不同深度各圈的位移量 并可判定滑动面的位置 钻孔伸长仪 钻孔内测量岩体移动时 常采用钻孔伸长仪测量钻孔轴向的位移量 它既可以用来测量岩体浅部的位移 也可用来测量岩体的深部位移 剪切带 剪切带的作用是探测滑动面的位置 剪切带的衬带1由柔软的酚质材料制成 衬带的两侧有2条平行的铜质薄膜2 铜膜之间按一定距离并联若干电阻丝3 电阻丝间距大小按测量要求而确定 可采用10 100cm 整个剪切带的外面有橡胶保护层 对已发出移动的边坡 当需要了解滑动面的确切位置时 可用剪切带测出 它的工作原理是 在需要测定的地方钻孔 深度需穿过可能的滑动面 然后将剪切带放入钻孔内 用水泥砂浆将它和岩体固结成整体 剪切带铜膜的上 下两端各有导线穿过橡胶保护层引出地面 能分别构成闭合电路 当边坡发生滑动时 剪切带将被剪断 铜膜错开后电流不能在断开处通过 电流在上半段和下半段2个铜片之间经电阻丝分别构成单独的闭合回路 通过电表可测出各个回路电阻值 按测定的结果 测量剪切带上 下端至断开处的长度 从而可确定出破坏面的位置 使用这种方法只能确定滑动面的位置 不能测出位移量 2 应变管监测 应变管 就是将电阻应变片粘贴于硬质聚氯乙烯管或金属管上 埋入钻孔中 管外充填密实 管随滑坡位移而变形 电阻应变片的电阻值也跟着变化 由此分析判断出地下位移和滑动面的位置 贴电阻应变片的方式有二 一为当滑动方向为已知时 可沿滑向对贴两片 成半桥联结 埋管时必须注意其方向性 二为当滑动方向不明确时 在互相垂直的两个方向贴4片 成全桥联结 由观测结果判定滑动方向 用该方法的关键是贴片工艺和防潮 在孔中有水时使用寿命有限 其缺点是不易直接测出位移值 3 测斜仪监测 惠斯登电桥摆锤式是由一个单摆在阻力线圈中作磁性阻尼摆动 把角度变成电信号 一个探头测一个平面方向的变化 应变计式摆锤上部的刚性薄片上贴电阻应变片或振动弦应变计进行角度变化测量 仍是变为电信号 一个探头测一个平面方向的变化 加速度计式是一个封闭环伺服加速度计电路 一个探头也在一个平面内测量 一般每套 双轴的 用两个探头 以上为固定式钻孔测斜仪 电解泡倾斜仪和斜度仪 倾斜仪和斜度仪均可用于监测滑坡的加速度和方向 它们利用了共同的原理 电解泡原理 在电解泡中 导电液在三个电节点A B C间流动 其中C位于电解泡的底部且固定不动 A B固定在顶部且距C的间隔相等 当节点通电后 可测出电解液的阻抗 顺时针倾斜时A B间的阻抗增加 B C间的阻抗减少 逆时针时 情况正好相反 由于阻抗变化正比于倾斜的角度 因此可测出倾角的改变 在现场使用时 倾斜仪需要加上保护壳才能被安放于钻孔内 并将配线埋入地下 钻孔用固定帽覆盖 倾斜仪和斜度仪的不同点是 倾斜仪一般被放在钻孔内 斜度仪一般置于地面上 它特别适用于坡度陡峭无法设立钻孔平台或由于经济原因而无法钻孔的情况 同倾斜仪一样 斜度仪也要加上保护外壳 将配线埋入地下 活动式测斜仪监测测量垂直钻孔内测点相对于孔底的位移 钻孔径向 测量深度可达百米且能连续测出钻孔不同深度的相对位移的大小和方向 因此 这类仪器是观测岩土体深部位移 确定潜在滑动面和研究边坡变形规律较理想的手段 目前在边坡深部位移量测中得到广泛采用 如大冶铁矿边坡 长江新滩滑坡 黄腊石滑坡 链子崖岩体破坏等均运用了此类仪器进行岩土深层位移观测 钻孔倾斜仪由四大部件组成 测量探头 传输电缆 读数仪及测量导管其结构 其工作原理是 利用仪器探头内的伺服加速度测量埋设于岩土体内的导管沿孔深的斜率变化 由于它是自孔底向上逐点连续测量的所以 任意两点之间斜率变化累积反映了这两点之间的相互水平变化通过定期重复测量可提供岩土体变形的大小和方向 根据位移一深度关系曲线随时间的变化中可以很容易地找出滑动面的位置 同时对滑移的位移大小及速率进行估计 钻孔倾斜仪测量成功与否 很大程度上取决于导管的安装质量 导管的安装包括钻孔的形成 导管的吊装以及回填灌浆 图为一个典型的钻孔倾斜仪成果曲线 从图中可清楚地看到 在深度10 0m处变形加剧 可以断定该处就是滑动控制面 4 钻孔伸长计监测 简易钻孔伸长计武汉钢铁公司大冶铁矿在 号滑体的量测中使用了自制的简易钻孔伸长计 如图所示 它的安装方法与测量原理是 在一根外径为50mm 壁厚为3mm的塑料管上 其长度按测量深度而定 按要求布置测点 在测点处的管壁上沿直径方面钻一直径为1 5mm的小孔 将直径为1mm的钢丝与8 铁丝相扭在一起 并同时在塑料管上缠绕2圈 然后将铁丝扭紧 这时钢丝就被铁丝捆紧在塑料管上 将钢丝一端留一小段 约10cm 在管外 另一端从管壁的小孔穿入管内 再从管内引至管口外标出测点标号 在塑料管内充满黄油 以防钢丝生锈 最后将塑料管送入钻孔中 塑料管与孔壁之间注入水泥砂浆 使之与孔壁岩体粘结 这样将塑料管和留在管外的一段钢丝固定在预定的测量位置 在孔口的钢丝头上系一重锤 当塑料管某处受力变形时就牵动钢丝使锤下移 这时便可了解测孔内岩体的移动情况 钻孔多点精密伸长计这种伸长计可探测岩体是否移动以及不同深度岩体的位移量 即当边坡表面未显示出明显的位移 需要了解岩体是否沿潜在滑动面发生移动 可打一钻孔穿过滑动面的上下盘 把能传递岩体位移的若干条 一般为6条 金属丝的一端在不同深度处锚在孔壁上 上锚固点应选择在地质结构面的上下盘 把金属丝的另一端固定在变形敏感的悬臂式薄片上 其上贴有应变片 薄片如有微小的变形就可由电阻应变仪测出 这样便可知道钻孔内岩体移动的情况 沉降仪 沉降仪是安装埋设在边坡及其支档结构物内 外表面的一种观测仪器 用来监测边坡的垂直位移 并结合水平位移和转动位移的观测对边坡的变形情况作全面的综合分析 常用的沉降仪有横梁管式沉降仪 电磁式沉降仪 干簧管式沉降仪 水管式沉降仪和钢弦式沉降仪等 下图是江苏南瑞集团 国电自动化研究院 生产的NCJM电磁式沉降仪和南京葛南实业有限公司生产的WLS 1型水管式沉降仪 适用于土石坝 土堤 边坡 路基等结构物内部的长期沉降监测 5 边坡应力监测 电测式压力测力计 测量精度高 可远距离和长期观测 电测式压力测力计又可分为应变式 钢弦式 差动变压式 差动电阻式等 钢弦压力盒与传压囊装配图1 机油 2 底版 3 连接套管 4 压紧套管 5 钢弦压力盒 6 拧紧插孔 6 密封圈 8 油囊 9 注油嘴 6 岩石边坡地应力监测 边坡地应力监测主要是针对大型岩石边坡工程 为了了解边坡地应力或在施工过程中地应力变化而进行的一项重要监测工作 地应力监测包括绝对应力测量和地应力变化监测 绝对应力测量在边坡开挖前和边坡开挖中期以及边坡开挖完成后各进行1次 以了解三个不同阶段的地应力场情况 采用的方法一般是深孔应力解除法 地应力变化监测即在开挖前利用原地质勘探平洞埋设应力监测仪器 以了解整个开挖过程中地应力变化的全过程 Yoke应力计Yoke应力计为电阻应变片式传感器 该应力计在三峡工程船闸高边坡监测中使用 它由钻孔径向互成r的3个应变片测量元件组成 根据读数可以计算测点部位岩体的垂直于钻孔平面上的二维应力 电容应力计电容式应力计最初主要用于地震测报中监测地应力活动情况 其结构与Yoke压力计类似 也是由垂直于钻孔方向上的3个互成60 的径向元件组成 不同之处是3个径向元件安装在1个薄壁钢筒中 钢筒则通过灌浆与孔壁固结合在一起 压磁式应力计压磁式压力计由6个不同方向上布置的压磁感应元件组成 即3个互成60 的径向元件和3个与钻孔轴线成45 夹角的斜向元件组成 其结构如图6 53所示 从理论上讲 压磁式应力计可以量测测点部位岩体的三维应力变化情况 7 边坡锚固应力测试 锚杆轴力的量测 机械式量测锚杆是在中空的杆体内放人四根细长杆 将其头部固定在锚杆内预定的位置上 量测锚杆一般长度在6m以内 测点最多为4个 用千分表直接读数 量出各点间的长度变化 计算出应变值 然后乘以钢材的弹性模量 便可得到各测点间的应力 通过长期监测 从而可以得到锚杆不同部位应力随时间的变化关系 电阻应变片式量测锚杆是在中空锚杆内壁或在实际使用的锚杆上轴对称贴四块应变片 以四个应变的平均值作为量测应变值 测得的应变再乘以钢材的弹性模量 得各点的应力值 对预应力锚索应力监测 其目的是为了分析锚索的受力状态 锚固效果及预应力损失情况 因预应力的变化将受到边坡的变形和内在荷载的变化的影响 通过监控锚固体系的预应力变化可以了解被加固边坡的变形与稳定状况 通常一个边坡工程长期监测的锚索数 不少于总数的5 监测设备一般采用圆环形测力计 液压式或钢弦式 或电阻应变式压力传感器 目前采用埋设传感器的方法进行预应力监测 一方面由于传感器的价格昂贵 一般只能在锚固工程中个别点上埋设传感器 存在以点代面的缺陷 另一方面由于须满足在野外的长期使用 因此对传感器性能 稳定性以及施工时的埋设技术要求较高 如果在监测过程中传感器出现问题无法挽救 这将直接影响到工程的整体稳定性的评价 因此研究高精度 低成本 尤损伤 并可进行全面监测的测试手段已成为目前预应力锚固工程中亟待解决的关键技术问题 针对上述情况 已有人提出了锚索预应力的声测技术 但该技术目前仍处于应用研究阶段 8 边坡地下水监测 地下水是边坡失稳的主要诱发因素 对边坡工程而言 地下水动态监测也是一项重要的监测内容 特别是对于地下水丰富的边坡 应特别引起重视 地下水动态监测以了解地下水位为主 根据工程要求 可进行地下水孔隙水压力 扬压力 动水压力 地下水水质监测等 地下水位监测 WLT 1020地下水位动态监测仪 该仪器用进口的压力传感器和国产温度传感器材装于一体 构成水位一温度复合式探头 采用特制的带导气管的信号电缆 水位和温度转变为电压信号 传至地面仪器中 经放大和A D变换 由液晶屏显示出水位和水温值 通过译码和接口电路 送至数字打印机打印记录 仪器的特点是小型轻便 高精度 高稳定性 抗干扰 微功耗 数字化 全自动 不受孔深孔斜和水位埋深的限制 专业观测孔和抽水井中均可使用 孔隙水压力监测 孔隙水压力仪 1 液压式孔隙水压力仪 土体中孔隙水压力通过透水测头作用于传压管中液体 液体即将压力变化传递到地面上的测压计 由测压计直接读出压力值 2 电气式孔隙水压力仪 包括电阻 电感和差动电阻式三种 孔隙水压力通过透水金属板作用于金属薄膜上 薄膜产生变形引起电阻或电磁的变化 3 气压式孔隙水压力仪 孔隙水压力作用于传感器的薄膜 薄膜变形使接触钮接触而自接通电路 压缩空气立即从进气口进入以增大薄膜内气压 当内气压与外部孔隙水压平衡薄膜恢复原状时 接触钮脱离 电路断开 进气停止 量测系统量出的气压值即为孔隙水压力值 4 钢弦式孔隙水压力仪 传感器内的薄膜承受孔降水压力产生的变形引起钢弦松紧的改变 于是产生不同的振动频率调节接收器频率使与之和谐 查阅率定的频率一压力线求得孔隙水压力值 5远程监测法伴随着电子技术及计算机技术的发展 各种先进的自动遥控监测系统相继问世 为边坡工程 特别是边坡崩塌和滑坡的自动化连续遥测创造了有利条件 电子仪表观测的内容 基本上能实现连续观测 自动采集 存储 打印和显示观测数据 远距离无线传输是该方法最基本的特点 由于其自动化程度高 可全天候连续观测 故省时 省力和安全 是当前和今后一个时期滑坡监测发展的方向 同时 无线监测也为我们进行边坡监测提供了一个很好的途径 通过无线监测 我们可以真正的实现测试的多参数 它除了能测量变形体上张裂隙的变形外 还能自动测试雨量 泉水量 地下水位 地下温度场 滑面位置及变形量 岩体内部破裂位置 范围 同时能确定滑体活动方向等参数 是研究矿山边坡和建筑物稳定性及活动规律的有力工具 远程网络监控系统结构示意图 现场监控中心 现场监测系统结构示意图 现场无线传输结构 2 6声发射方法岩石或岩体受力作用时会不断地发生破坏 主要表现为裂纹的产生 扩展及岩体断裂 裂纹形成或扩展时 造成应力松弛 贮存的部分能量以应力波的形式释放出来 产生声发射 AcousticEmission简称AE 通过对监测到的岩体声发射信号进行分析和研究 可推断岩石内部的形态变化 反演岩石的破坏机制 因此 声发射作为一种探测岩体内部状态变化的手段 近年来越来越多地为人们所重视 凯塞尔效应 KaiserEffection 应力成因的裂纹 仅当荷载达到并超过岩体所受最大先期荷载时力一有声发射现象出现 研究表明 岩体声发射水平和应力量级之间存在着一定关系 一般情况下岩体临近破坏前 声发射频度和幅度都有显著增加 破坏之后 达到新的平衡 声发射频度和幅度也随之减小 因此 对由 震源 传至岩面的岩体声发射进行检测和分析 可以判断岩体的承载程度 预测岩体的稳定性 2 7时域反射法TDR TimeDomainReflectometry 时域反射测试技术 TimeDomainReflectometry 是一种电子测量技术 早在30年代 美国的研究人员开始运用时间域反射测试技术检测通讯电缆的通断情况 从20世纪70年代起开始应用于岩土工程领域 主要应用于测定土体含水量 监测岩体和土体变形 边坡稳定性及结构变形等方面 在80年代初期 国外的研究人员将时间域反射测试技术用于下程地质勘查和监测下作 尤其在煤田地质方面应用较为广泛 常用于监测地下煤层和岩层的变形位移等 到90年代中期 美国的研究人员将时间域反射测试技术开始用于滑坡等地质灾害变形监测的研究 针对岩石和土体滑坡曾经作过许多的试验研究 TDR技术并以方便 安全 经济 数字化及远程控制等优点而受到广泛应用于边坡稳定性监测方面 目前 TDR技术在国内边坡监测领域的应用还处于起步阶段 基本的理论分析和大量室内试验是将其应用于实际工程必小可少的阶段 简单地说 TDR的原理与雷达相似 在TDR滑坡监测系统中 同轴电缆是直接与滑坡产生接触的部分 可将其看作是一个特殊的传感器 同轴电缆的中心是一根金属导体 其周围为绝缘介质 绝缘介质外面有金属的导体环绕 最外层有保护层 在真空中 电能以光速传播 电在电缆中传播时 其速度会稍微减慢 即通常所称的传播速度 由于特定电缆的传播速度是已知的 电缆测试仪通过测量发送脉冲与反射脉冲之间的时间延迟就可以确定任何电缆反射点的距离 另一方面 同轴电缆的特性阻抗是由自身的材料组成及结构决定的 当电缆发生形变时 内层与外层导体间的距离也发生改变 从而使得电缆的阻抗和反射的电压脉冲发生变化 在TDR系统中 如果岩体的移动使得TDR电缆产生一各种形变 如出现弯皱 扭折 渗水或断裂 电缆的特性阻抗就会发生相应的变化 反射的电压脉冲波形也将改变 TDR监测系统的测试原理 TDR监测系统的埋设 矩形区域1 深度48 8m 中的负值尖峰信号随着开采面的接近其幅值逐渐增加 的剪切变形逐渐增大 区域2处的TDR信号为剪切变形所引起同轴电缆的断裂 大幅值正值信号前存在明显的负值尖峰信号 在区域3 深度36 6m 处 大幅值正值信号前并无明显的负值尖峰信号表明该处是拉伸变形所引起的同轴电缆断裂 区域5中间隔均匀的负值尖峰信号是由埋设同轴电缆前所做的标定缺陷产生的 用于更精确地对变形位置进行定位 上图所示为局部放大后的TDR信号 两信号分别取自B孔距开采面15 2m及开采面正好位于B孔之下时 深度51 8m至67 lm 可见 随着开采面的接近 位于56 4m和62 8m深度处的反射系数幅值分别由10和13增至21和19 将此增量与室内试验结果相结合 可得两处相应的同轴电缆剪切变形分别由8 3mm和8 5mm增至9 0mm和8 9mm 从而定量分析了剪切变形值 确定了此两深度处上覆层岩体和土体的变形量 与测斜仪相比 TDR技术具有以下优点 1 信号可信度高 测试过程快速方便 耗电量低 且一套TDR设备可同时监测几百个测点 2 将TDR技术与GIS技术相结合 可利用通讯网络远距离传输监测数据及信号 3 技术人员只需在室内便可对各个测点进行远程监控 监测工作安全性大大提高 2 8光时域反射法 OTDR OpticsTimeDomainReflectometry OTDR检测方法源于光学检测和测距及激光雷达技术 后来又被发展用于光纤通信中的故障定位 现在普遍用于分布式光纤传感系统中 这一方法的实质是 传感器输出信号反映了被测参数 如裂缝 在空间上的变化情况 输出信号主要沿光纤前向传输 但还有部分光信号被后向散射并与所经历的传输时间有 再考虑光波的传输速度 即可确定光源到被测验点距离的信息 光时域反射技术是一种结合激光技术和TDR的新检测技术 能够实时在线地检测和分析阵列输出的并行信号 从而快速确定滑坡中变形 应力的大小 以及失效面的位置 真正实现多点准分布式测量 虽然利用微弯机制的强度调制光时域反射技术 可以作为分布式光纤传感的技术基础 但是光纤传感真正用于滑坡监测 在技术和施工两方面都具有相当高的难度 3 监测数据的处理 3 1监测数据的预处理 由于是多参数的监测 每个监测数据可能具有不同的属性或者不同的单位 因此有必要对数据进行预先处理来完成数据的协同和同步 数据的曲线拟合 趋势叠加 趋势叠加法的基本原理就是 根据滑坡所处的阶段 用一个函数先拟合所要处理数据的总体发展状态 用这个趋势函数和周期函数进行叠加建立模型 如某滑坡体处于匀速蠕滑变形阶段 尚没有进入加速变形阶段 因此我们可以将变形模型表示为线性趋势和周期叠加模型 即 对于上式线性叠加模型 根据已观测得到的位移数序列 采用最小二乘法可算得模型参数 数据的滤波处理 监测的数据往往是一个长期的过程 其影响因素也是众多的 为了消除其中的某些随机因素的影响 我们可以把一个长期过程中监测的数据序列 按照一定的时间间隔进行统计 可以通过一些滤波算法把一些干扰因素的影响去掉 卡尔曼滤波 卡尔曼滤波方法的一个重要特征是 通过采用不断获取的新观测数据进行逐步跟踪的实时预报 这种实时预报可以及时根据近期获得的反映边坡系统最新物理特征的数据修正预报模型 并进行观测误差的校正 小波趋势提取 多元非线性相关分析 其基本思路和方法是将较多与滑坡活动有关的因素作为预测因子集 将其与经过了卡尔曼滤波方法的时间一位移曲线进行相关检验 通过相关检验对预测因子集进行筛选 根据 当选者 的最佳拟合初等函数建立线性方程 采用最小二乘求得待定系数 然后建立回归方程 再将回归方程还原为非线性方程 对滑坡进行逐步跟踪的中期预报 具体方法如下 1 筛选预报因子 当所研究的因素个数为m 获得m个观测数据列 可以取得任意两因素间的相关系数 可以得到一个相关系数矩阵 3 2监测数据的常规处理 3 2 1回归分析 多元线性回归分析 非线性回归分析 可以通过自变量因子变换 使非线性回归转化为线性回归 然后求解系数 并予以还原 另一种是不能用自变量因子变换化为线性回归的情况 将回归函数按泰勒级数展开 取线性项 具体做法如下 3 2 2时间序列分析 时间序列预测方法的基本思想是 预测一个现象的未来变化时 用该现象的过去行为来预测未来 即通过时间序列的历史数据揭示现象随时间变化的规律 将这种规律延伸到未来 从而对该现象的未来作出预测 1 自回归模型 AR模型 自回归 Auto regressive 模型 利用时间序列不同时刻数值之间的一定的相关性 t时刻的数值是对其过去时刻的数值进行回归 故称其为自回归模型 其表达式为 2 滑动平均模型 MA模型 滑动平均 MovingAverage MA 模型是考虑过去时刻观测值误差和现在的观测值误差与现在观测值之间的相关性 观测值是误差值的线性组合 其表达式为 3 自回归 滑动平均混合模型 ARMA模型 当模型中既包含自回归部分也包括滑动平均部分 这就是自回归一滑动平均 Autoregressive MovingAverageARMA 模型 其表达式为 以上方法均可用MATLAB和大型统计软件SPSS进行分析计算 3 3监测数据的非线性处理 1非线性动力学模型 对于象滑坡体这样的实际非线性系统 尽管我们不知道描述这些系统的动力模型 但是我们却知道这些模型的一系列特解 这就是多年来积累的实际观测资料 如果把这些观测资料看成是该动力模型的一系列离散值 解与数值求解相反的问题 即可反演出较为理想的非线性动力学模型 2滑坡非线性动力学模型的建立 滑坡系统为一开放体系 与其环境有着力学的 能量的以及化学的等各种耦合作用 按照非线性动力学的观点 系统的演化总是趋向于一种吸引子态 然而 在不稳定的吸引子态时 一经外部触发 体系的状态就会发生突变 系统向着新的稳定的吸引子态演化 这就是滑坡演化的特征及灾变产生的规律性 一般的动力学系统分析都建立在模型化的基础之上 从支配着演化的机制出发去探讨演化的途径 吸引子及其稳定性 然而 系统的复杂性使得模型化非常困难 耗散结构理论及协同学的宏观研究方法 使得处理一些相互作用不很清楚的过程成为可能 即从时间序列数据重建复杂系统动力学 据此 我们可以建立滑坡的非线性模型 考察d与n的关系 如果超过某一n值后 d就达到某一饱和值 则该时间序列所表征的动态存在的饱和值d即为吸引子的维数 刚出现饱和值时n的临界值为把吸引子描述的性能模型化提供了必须的最小数目 即描述该系统至少需要的变量数目 求出变量数目后 兼顾到监测资料的限制 选择具有代表性的变量 尽量使所有的变量总能反映整个系统的运动特征 进而通过前面的反演方法建立模型 混沌是指确定性系统中出现的一种貌似无规则的 类似随机的现象 对于一个混沌时间序列 一般采用相空间重构的方法来研究吸引子的结构和特征 并且应用这些特征量来进行预测 混沌时间序列预测是80年代末发展起来的一种非线性预测新方法 它已在天气预报 经济预测 电力负荷预测 股市预测等方面得到成功应用 混沌时间序列预测的常用方法 全域法 局域法 加权一阶局域法 基于Lyapunov指数的