TDR研究大纲.doc

浙江省交通投资集团有限公司科技项目研究大纲项目名称：基于TDR技术的高边坡自动化监测与安全预警系统的应用研究 编制单位名称：浙江金丽温高速公路有限公司（公章）编报日期：2009年03月06日基于TDR技术的高边坡自动化监测与安全预警系统的应用研究大纲浙江金丽温高速公路有限公司中铁西北科学研究院有限公司2008年8月大 纲 目 录一、项目概要4二、项目前期研究及工作基础4三、项目研究、开发的背景、必要性6四、项目研究、开发实施方案6五、考核目标和技术经济指标10六、项目研究开发进度10七、承担单位及参加单位概括11八、研究经费预算及资金筹措情况13九、经济和社会效益评估14十、其它需要说明的问题15十一、编写人员名单（见附表1）15十二、承担单位签章（见附表2）16基于TDR技术的高边坡自动化监测与安全预警系统的应用研究大纲一、项目概要随着大规模工程建设向山区发展,以及其他人类改造活动的作用和影响,边坡工程问题相对较为突出,包括道路工程边坡、水利水电边坡、建筑场区边坡、露天采矿边坡和自然边坡滑坡等。近年来,随着国民经济建设和交通工程发展由沿海向山区辐射和延伸,道路边坡工程问题十分突出,特别是面临大量的山区高速公路边坡工程技术难题。历经较为严重的边坡工程地质病害和灾害的经济损失及其交通安全威胁,有关管理部门和广大工程技术人员越来越关心和重视边坡工程的稳定与安全。目前，大多数路堑高边坡在其设计、施工和运行管理中都没有布设相应的自动安全监测系统，观测物理量也没有制定相应的预警指标，山区高速公路总体上存在边坡安全监测系统不完善、观测手段传统落后、信息资料分析严重滞后等问题，导致养护与管理人员不能及时、准确地掌握沿线路堑高边坡实际运行状态，不能为高速公路的有效管理提供科学依据，不但直接影响边坡工程安全的实时监控效率和质量，给日常管理带来诸多的安全隐患，甚至会导致严重恶性事故的发生。因此，有必要建立一种高边坡自动化监测与安全预警系统，研究TDR监测系统正是满足这种高边坡监测的有效手段之一。二、项目前期研究及工作基础TDR技术，即时域反射技术 (Time Domain Reflectometry)，是一种电子测量技术，近年来一直被用于各种物体形态特征的测量和空间定位。在美国，研究人员在90年代中期将时间域反射测试技术用于滑坡等地质灾害变形监测，针对岩石和土体滑坡曾经作过许多的试验研究，取得了令人满意的成绩。Dr. Ching L. Kuo博士针对TDR系统，在岩土工程自动监测中进行了成功开发和应用。测试原理 TDR垂直电缆安装现场图 TDR水平电缆安装现场图数据采集系统预警系统在国内岩土工程或边坡工程领域，目前时域反射( TDR) 技术的研究正在积极地开展，基于其廉价和遥测的特点，主要作为钻孔测斜技术的替代或补充，进行了TDR技术滑坡监测预报的研究与应用。TDR技术的应用研究已经引起研究人员的广泛关注和政府部门的极大重视, 特别是其价格低廉、布设灵活、控制面广、以及便于实现远程实时监测等特点，在高速公路路堑高边坡自动化监测预警领域具有广阔的应用前景。张 青、史彦新、朱汝烈利用TDR技术成功应用于滑坡地质灾害监测，提供了构成TDR滑坡监测的系统技术方案、监测系统的功能与特点，并成功应用于野外滑坡监测。陈贇，陈仁朋针对TDR时域反射法技术在边坡监测中的应用，阐述了 TDR边坡监测系统的组成及测试原理，建立了 TDR测试系统的计算模型。结合试验数据，应用反馈系统理论计算分析了电磁波在同轴电缆中的传播特性及同轴电缆的剪切变形对 TDR波形的影响 ,验证了计算模型的合理性。邬晓岚、涂亚庆根据TDR系统的TDR电缆的反射波进行滑坡监测原理，对TDR系统中的电缆、电缆测试仪、数据记录仪和多路复用器进行研究，并和水平仪、倾斜仪的测试对比。验证了TDR系统的优点。汤立群通过研究阶跃电压信号因电缆的阻抗变化而引起的的反射规律, 推导出了在多个强间断变化阻抗的情况下, 阻抗的相对变化量与反射电压的关系, 以及同轴电缆几何尺寸变化与电缆传输阻抗之间的关系. 指出在小变形的假设下, 它们之间存在着理想的线性关系. 同时, 举例说明了同轴电缆的时域反射技术在交通工程中的应用。贾文超、董冰、李林针对时间域反射测试技术在地质灾害防治、山体滑坡预警, 以及土壤水含量分析等诸多领域的应用, 使用 TDR 技术构建的同轴电缆形变监测算法, 设计了 TDR检测系统硬件电路; 运用等效采样算法, 实现了高速回波信号的等效采样与重构; 通过向同轴电缆施加窄脉冲激励信号, 依据回波信号模式分析完成了同轴电缆形变的有效监测; 实验室中的大量实验数据表明, 将 TDR 技术应用于同轴电缆形变监测原理正确, 文中设计的方案可行。我公司在福建某油库边坡应力自动监测系统。 数据自动采集系统 数据自动传输系统主要参考文献：1、Dr. Ching L. Kuo, P.E. Real Time Monitoring Of Unstable Slopes Using TDR Technology, Professional Services Industries, Inc. (PSI)2、张 青，史彦新，朱汝烈 TDR滑坡监测技术的研究 中国地质科学院水文地质环境地质研究所保定分部；3、陈贇，陈仁朋 TDR边坡检测系统的计算模型及试验初探 浙江大学岩土工程研究所；4、邬晓岚，涂亚庆 滑坡监测的一种新方法TDR技术初探 后勤工程学院自动化工程系；5、汤立群等 同轴电缆的时域反射技术及其在工程中的应用 华南理工大学交通学院；6、贾文超、董冰、李林 同轴电缆形变 TDR监测技术的研究与实现。三、项目研究、开发的背景、必要性近年来，TDR技术作为边坡监测的一种新的技术方法，以方便、安全、经济、数字化及远程控制等优点日益受到有关研究人员的关注。本课题针对当前我国山区高速公路多，且正在大量修建过程中，而且大多数路堑高边坡在其设计、施工和运行管理中都没有相应的自动安全监测系统，以及相应的自动预警指标，导致养护与管理人员不能及时、准确地掌握沿线路堑高边坡实际运行状态的情况，开展基于TDR技术的高边坡自动化监测与安全预警系统的应用研究。课题充分总结国内外既有研究成果与相关工程经验或教训，通过示范工程研究，实现高速公路高边坡地面变形和地下变形的三维立体监测，建立一个高速公路高边坡实时远程自动化监测的集约系统，达到对高速公路重点高边坡进行安全预警的目的。同时，通过对边坡安全监测技术和监测资料处理理论及方法的进一步研究，提出高速公路路堑高边坡安全监测的一般规律认识，指导高速公路有关路堑高边坡监测规范或规定的修订和完善，逐步改善边坡工程监测现状，加快边坡工程安全监测技术以及监控理论的应用，为高速公路路堑高边坡运营养护和安全管理提供科学依据。四、项目研究、开发实施方案为提高高速公路边坡养护与灾害防治的科技水平，采用自动化监测预警是一个重要的手段，也是一个必然的发展趋势。目前, 高速公路边坡养护与灾害防治基于自动化监测的预警系统研究处于起步阶段，国内外尚未有可以应用的模式。因此，需要对高速公路边坡监测预警系统进行理论、方法和技术上的研究以及典型示范路段的工程实践应用。本课题研究依托两龙高速公路高边坡，选择丽龙高速公路稳定性差的边坡：K88+470+600段右侧高边坡，对边坡进行路堑高边坡远程实时监测和安全预警应用技术研究，结合国内外相关资料，开展路堑高边坡监测网布控的研究，数据的采集和远程传输的研究，探索监测数据与边坡稳定性关系，确定路堑高边坡稳定性的预警阀门值。K88+470+600段右侧高边坡TDR监测系统布设示意图基于TDR技术的高边坡自动化监测与安全预警系统由边坡信息采集站、路段信息监控站和远程信息管理站等三个部分组成，如图1所示。其主要研究内容包括以下5个主要方面: TDR边坡立体信息量测技术研究、信息自动采集技术研究、信息传输技术研究、边坡安全评价与预警模型研究、以及本系统管理软件开发与应用研究。图1高边坡自动化监测与安全预警系统示意图该系统的关键技术主要包括边坡立体信息量测技术、信息自动采集技术、信息传输技术、边坡安全评价与预警模型、以及系统管理软件开发与应用等。其相关研究方法、技术路线及技术经济指标分述如下：（1）边坡立体信息量测技术概括边坡监测技术方法一般有宏观迹象描述法、简易观测法、仪器监测法、设站监测法和远程监测法等，常用信息量有裂缝、变形、位移、应力、地下水等，以及其它位移相关信息量（如TDR）、应力相关信息量（如声发射）、或者环境条件相关信息量（如降雨和地温等）。本项目基于高速公路路堑高边坡的工程特点，选择与边坡坡体位移相关的TDR参数作为系统监测信息量，充分利用其造价低廉、量测快捷、数字传输、以及便于实时监测和远程控制等优点。研究高边坡坡面和坡体的TDR测线布设原则和方法，开发TDR边坡立体监测技术。（2）信息自动采集技术针对高速公路高边坡安全监测设施分布范围广且分散的特点，信息自动采集拟采用分布式数据采集。数据采集站是数据采集控制系统的基本测控单元，拟布置在测点附近（即以边坡为单位），以TDR参数为主同时要求应使位移等不同类型的传感器都可接入，能够独立运行并对接入传感器进行自动巡视和选测，将传感器输出的模拟信号转换为抗干扰性能好、便于传送的数据信号。（3）信息传输技术在边坡信息采集站、路段信息监控站和远程信息管理站之间都需要进行信息传输，可以根据实际需要和环境条件选择通讯方式，微波、专用电缆、电话网络以及地球同步数字卫星等都可以作为信息通讯的手段。本系统拟采用3种通讯方式：在传感器与采集站之间是电缆线连接，采集站和监控站之间用微波方式(无线)，而监控站信息可通过电话网络传至任何地方。微波通讯可以采用RS485方式，电话通讯可以采用Modem方式。（4）边坡安全评价与预警模型在高边坡自动监测与安全预警系统中，安全评价与预警模型是至关重要的部分。有了安全评价模型，才能根据监测数据评价边坡的安全，而安全评价的可靠性除了依赖于监测数据的准确性，主要就取决于评价模型的合理性。因此，在高边坡自动监测与安全预警系统设计和研制中，应结合两龙高速公路路堑高边坡的工程特点和稳定性现状，研究建立针对各边坡的具体条件和运行环境的合理的安全评价模型。（5）系统管理软件开发与应用系统软件应实现的主要功能包括：采集、检测、控制、存储、计算处理、安全评价及预测、通信等。软件采用模块结构，有数据采集处理、安全预警和远程位息管理三大模块。数据采集处理模块：设采集站选择菜单，监测边坡及测线布置可以图示和修改；可以随时设置或取消报警限值；采集的数据以测线编号顺序列表、查看、编辑、另存等。安全预警模块：设有采集站选择菜单；调用采集处理模块的数据；有边坡安全分析与预警模型；评价结果自动弹出；当有警情时自动弹出报警窗口、发布报警蜂鸣和电话拨号指令。远程信息管理：接收监控主站的参数与数据库，随时了解边坡安全运行现状；安装有与监控站相同的安全评价与预警软件,以便能够进行远程的安全评价和预警。五、考核目标和技术经济指标（一）项目考核目标1、研究高边坡坡面和坡体的TDR测线布设原则和方法，开发TDR边坡立体监测技术。2、根据高边坡的工程特点和稳定性现状，研究建立针对各边坡的具体条件和运行环境的合理的安全评价模型。3、开发实现包括采集、检测、控制、存储、计算处理、安全评价及预测、通信等系统管理软件。（二）经济指标本项目的主要研究目标是建立一个两龙高速公路高边坡实时远程自动化监测的集约系统，本系统采用TDR技术，具有方便（可实现自动化、数字化和远程传输）、迅速（检测时间短，几分钟可完成数据采集）、经济（监测成本低廉，易于推广）、可靠（滑面定位准确，量程较大） 、安全（不需赴危险现场，以人为本 ）等特点，能够实现对两龙高速公路典型或重点高边坡进行安全监测和预警。六、项目研究开发进度2008年8月12月：课题立项及准备工作2009年1月-2月：文献采集、拟定试验大纲2009年3月4月：TDR边坡立体监测技术研究2009年5月6月：仪器采购与埋设安装2009年7月：TDR数据采集技术研究2009年8月：TDR数据传输技术研究2009年9月2010年2月：TDR系统验证试验2010年3月5月：课题研究报告编写2010年6月：成果鉴定七、承担单位及参加单位概括本项目担单位为浙江金丽温高速公路有限公司，合作单位为中铁西北科学研究院有限公司，项目投资自筹部分来源于金丽温高速公路有限公司2009、2010年度养护经费，补助部份来源于集团公司。（一）项目承担单位概况浙江金丽温高速公路有限公司浙江金丽温高速公路有限公司系根据浙江省人民政府和省国资委批复，由浙江省交通投资集团有限公司与金丽温高速公路沿线七家地方股东发起组建，2005年4月30日正式登记注册，注册资本42亿元。公司经营高速公路投资、建设、维护、管理，以及高速公路相关配套服务。截止2006年12月31日，公司总资产107.93亿元。公司自成立以来，严格依照公司法及其他法律法规的要求建立起规范的法人治理结构，公司股东大会、董事会和监事会均依此规范运作。公司实行董事会授权下的总经理负责制，在营运管理上实行三级监控的管理架构。按照金丽温、两龙一体化管理模式，公司本部设办公室（党群工作部）、人力资源部、计划财务部、营运管理部、事业发展部、路产养护部、安全管理部、工程管理部、信息中心等职能部门。目前管内营运高速公路里程数456公里，采取三级管理模式，下设监控（维管）中心和金华、丽水、温州、龙丽、丽龙5个管理处，全线共有收费所17个（32个收费站点），隧道所10个，服务区7对（其中1对在建）。金丽温、两龙高速公路穿越浙南崇山峻岭，隧道、桥涵多，金丽温高速公路更是有“桥隧俱乐部”之称。公司现有员工1500多人，拥有各类专业技术人员141人，其中副高职称8人，中级职称44人；大专及以上学历541人，其中大学本科124人，硕士研究生9人。（二）项目合作单位概况中铁西北科学研究院有限公司本项目合作单位为中铁西北科学研究院有限公司，该公司（原铁道部科学研究院西北分院）是以特殊地质路基与地质灾害防治为重点专业，以特殊、重大应用理论及灾害防治工程措施研究为主攻方向，集研究、勘测、设计、 咨询、试验、工程检测、监测、施工、监理、环保与环境评价为一体的综合性科技型企业。拥有国内先进的大型滑坡机理和滑坡整治工程结构实验室、岩土工程试验室、低温试验室等。配备有先进的专业测试仪器设备、野外综合测试试验车及勘测、施工等配套设备。设有滑坡与高边坡、冻土与盐湖、黄土与地基基础、沙漠与环境工程地质、裂土（膨胀土）、环保与污水处理、文物加固及建筑纠偏等七个专业。实施以科学研究为依托、科技开发为主体、多种经营为补充的战略方针。滑坡及高边坡研究成果显著，监测预报水平跨入国际先进行列，滑坡预报成功率居国际领先水平，代表我国滑坡防治技术水平的“中国科协咨询中心滑坡防治技术专家委员会”挂靠该院。该院拥有国内外知名滑坡专家徐邦栋、王恭先研究员等一批专家队伍及众多优秀青年科技人才，可以为本项目研究提供可靠的技术支撑和保障资源。（三）项目课题组人员组织情况本项目负责人为余新民，课题组成员由金丽温高速公路有限公司和中铁西北科学研究院有限公司的人员组成，多人具有中高级职称，和学士、硕士、博士学位，大多成员毕业于路桥专业和岩土工程专业，具有多年的公路行业工作经验，且具有三年或以上的工程和科研实践经验，具备本项目课题的研究开发基础和能力。八、研究经费预算及资金筹措情况本项目总投资95万元，自筹费用为90万元，申请补助经费为5万元。（一）路段实施费用630000元包括人工（试验所有劳务费）、材料、设备台班、设备购买、试验费、施工封道等施工过程所发生的一切费用。设备费35万（引进设备及研制设备）、试验材料费5万、土建费（设备安装）5万、机械用车4万、劳务费（技术人员外业津贴）14万。（二）课题研究费用320000元1、跟踪监测费100000元为完成大纲规定要求进行的阶段性跟踪检测所发生的费用，包括跟踪过程人工配合费、封道费、检测费等。2、评审费40000元指针对课题成果应用情况组织召开专家评审及中期鉴定评估会议所发生的费用。3、合作交流费用50000元4、管理费用50000元包括课题研究报告的委托编写与校核、成果申报、刊登发表等发生的费用。5、税费40000元6、其他费用40000元主要用于为完成本项所发生的一些打印装订费、报告制作费、研究报告编、校出版费及成果鉴定等办公类相关费用的开支。上述路段实施费用的950000元（人民币），已从金丽温高速公路有限公司2008年年度计划养护经费中列支。科研研究费用列入2009、2010年年度养护经费及集团公司补助经费计划中，并根据本项目课题进展情况及课题组工作开展需要合理使用。九、经济和社会效益评估(1) 检测时间短：在很短的时间(几分钟) 内即可完成对全孔不间断的变形监测，而倾斜仪读出一个孔的数据根据埋入深度不同要3060 min 的时间，可见TDR 技术能节约大量人工时间。(2) 监测成本低廉：与利用钻孔倾斜仪监测高边坡所用的测斜套管相比，TDR 监测所用的测试电缆成本较低，材料成本得到节约。(3) 变形定位准确：基于TDR 技术的路堑高边坡监测系统在滑动面或其它变形破裂面处电缆受到足够大的剪切时能准确给出滑移面的位置或产生较大变形的部位，定位精度较高，能够满足边坡或滑坡变形监测的要求。(4)可实现实时远程观测：同轴电缆电磁波反射技术只需在现场埋设同轴电缆，并且能同时对多点进行远程测量，具有方便、快捷、自动化的优点，具有较高的实际应用价值，减少长期