基于TDR技術(shù)的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用分析

彭小平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

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基于TDR技術(shù)的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用分析

彭小平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

在高速公路工程的建設(shè)過(guò)程中，做好邊坡監(jiān)測(cè)工作具有重要意義，是保證邊坡穩(wěn)定、公路運(yùn)行安全的基礎(chǔ)。主要結(jié)合晴隆滑坡，分析了基于TDR技術(shù)的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。

晴隆滑坡；TDR技術(shù)；邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 TDR系統(tǒng)概述

1.1 TDR系統(tǒng)原理

TDR是時(shí)域反射法的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是一種遠(yuǎn)程電子測(cè)量技術(shù)。一個(gè)完整的TDR滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由TDR同軸電纜、電纜測(cè)試儀、數(shù)據(jù)記錄儀、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備以及數(shù)據(jù)分析軟件等幾部分組成。

在使用TDR系統(tǒng)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，首先需要在滑坡的某個(gè)位置鉆孔，并將TDR同軸電纜安放在鉆孔中。然后，將TDR電纜與電纜測(cè)試儀相連。電纜測(cè)試儀作為信號(hào)源，發(fā)出步進(jìn)的電壓脈沖通過(guò)電纜進(jìn)行傳輸，同時(shí)反映從電纜中反射回來(lái)的脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)記錄儀連接到電纜測(cè)試儀之上，它對(duì)電纜測(cè)試儀起控制作用，記錄和存儲(chǔ)從電纜中反射回來(lái)的脈沖供以后分析。此外，數(shù)據(jù)記錄儀還可連接遠(yuǎn)程通訊設(shè)備如移動(dòng)電話(huà)或是短波無(wú)線(xiàn)電裝置等，將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)處。TDR系統(tǒng)中還可配備多路復(fù)用器，以對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 TDR系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

TDR系統(tǒng)與傾斜儀等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器相比有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)價(jià)格低廉。與昂貴的傾斜儀外殼相比，TDR電纜的價(jià)格優(yōu)勢(shì)十分明顯。(2)檢測(cè)時(shí)間短?？梢栽诓坏? min時(shí)間內(nèi)了解TDR電纜的信號(hào)狀況，而讀出一個(gè)傾斜儀的數(shù)據(jù)則需要0.5～1 h的時(shí)間。(3)可遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。TDR系統(tǒng)可以與數(shù)據(jù)記錄器、普通電話(huà)或便攜式電話(huà)相連，從而方便地實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。(4)數(shù)據(jù)提供快捷。TDR不需要先將數(shù)據(jù)從讀數(shù)顯示箱下載到計(jì)算機(jī)內(nèi)，然后再繪制出結(jié)果。電纜測(cè)試儀的屏幕可以直接顯示電纜的信號(hào)。(5)安全性高。使用TDR，技術(shù)人員不再需要冒著滑坡和巖崩的危險(xiǎn)親臨不穩(wěn)定的滑坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 基于TDR技術(shù)的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 主要監(jiān)測(cè)儀器

晴隆滑坡監(jiān)測(cè)要求設(shè)計(jì)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，可以接入TDR、孔隙水壓力計(jì)、固定式測(cè)斜儀、雨量計(jì)等獲取邊坡監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。主要儀器包括有：

(1)測(cè)斜儀及傾斜計(jì)

對(duì)于一個(gè)處于滑移狀態(tài)的邊坡，用傾斜計(jì)監(jiān)測(cè)可以確定滑移方向、圈定變形區(qū)域，而且多數(shù)情況下可以判定滑移的力學(xué)機(jī)理。

傾斜計(jì)和測(cè)斜儀聯(lián)合使用，構(gòu)成一個(gè)適合多數(shù)邊坡和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)查的有效方法。在初期評(píng)估監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的滑移時(shí)，可以根據(jù)傾斜計(jì)的成果確定是否需要測(cè)斜儀、使用測(cè)斜儀測(cè)試的次數(shù)多寡，以及測(cè)斜鉆孔位置的分布等。從另一方面來(lái)看，測(cè)斜儀可以探測(cè)邊坡滑移三維幾何參數(shù)。

(2)固定式測(cè)斜儀和TDR

TDR時(shí)域反射儀，是一種新型而便宜的監(jiān)測(cè)地表下沿著剪切面的移動(dòng)變形的方法。它每200微秒給測(cè)試電纜激發(fā)一次超速脈沖電壓，在遇到斷裂的地方阻抗特性發(fā)生變化，于是脈沖被反射回到電纜測(cè)試儀，而在電纜特性曲線(xiàn)上顯示為一個(gè)峰值，如圖1所示。每一個(gè)獨(dú)立的反射分別確定一個(gè)對(duì)應(yīng)的斷裂位置。

在垂直的鉆孔中使用TDR，其安裝費(fèi)用比安裝通常的測(cè)斜管要便宜。TDR自身只能指出發(fā)生移動(dòng)的深度位置和相對(duì)位移大小。但是，TDR與其它儀器配合使用，可以得出地下條件的更多信息。比如TDR、固定式測(cè)斜儀和孔隙水壓力計(jì)在同一鉆孔中的聯(lián)合作用。

圖1 TDR測(cè)試電纜特性曲線(xiàn)

2.2 邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

晴隆滑坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四種傳感器組成，分別是：(1)TDR同軸電纜；(2)固定式測(cè)斜儀；(3)滲壓計(jì)；(4)雨量計(jì)。這四種傳感器的輸出信號(hào)類(lèi)型，見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)測(cè)試儀器的輸出信號(hào)類(lèi)型

用于傳感器管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬x器有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儀與MODEM，主要用來(lái)管理、存儲(chǔ)和發(fā)送四種傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儀與計(jì)算機(jī)之間，經(jīng)過(guò)GSM，用MODEM進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，即計(jì)算機(jī)中。另外還有下載數(shù)據(jù)軟件和

數(shù)據(jù)處理軟件，用來(lái)存儲(chǔ)、計(jì)算、圖形化所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)表2。

可在邊坡上設(shè)置一小工房，將TDR測(cè)試儀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儀、MODEM等存放在里面，采用220 V交流電作為電源，雨量計(jì)則可以固定在房子屋面。

邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)在：①可按項(xiàng)目要求設(shè)置采樣率，實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)觀測(cè)；②克服了人工讀數(shù)誤差，避免混淆數(shù)據(jù)而導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)論，極大地提高了測(cè)試精度；③如果邊坡滑移超過(guò)警戒限值，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警；④系統(tǒng)可以通過(guò)串行接口直接與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)配置和下載，也可以通過(guò)電話(huà)、無(wú)線(xiàn)電來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

表2 邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器及軟件

圖2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)同邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

2.3 TDR監(jiān)測(cè)成果分析

用PCTDR軟件收集TDR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后用TDRPlot軟件對(duì)TDR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，得到TDR測(cè)試電纜相對(duì)反射系數(shù)隨孔深的變化情況，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3、圖4中的尖峰信號(hào)所對(duì)應(yīng)的深度即為滑面所處位置，從中可以看出，CXK6滑面位置在11.5 m，與人工深部位移監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果吻合。

CXK4-1的TDR波形顯示，SYV-75-5型同軸電纜在15 m處出現(xiàn)短路信號(hào)，SYWV-75-7型同軸電纜在23 m處出現(xiàn)一弱尖峰信號(hào)，SYWV-75-9型同軸電纜在23 m處出現(xiàn)短路信號(hào)，結(jié)合人工測(cè)斜結(jié)果，可以判斷滑面位置在23 m

處?？偟膩?lái)說(shuō)，TDR測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更快速、更精準(zhǔn)地確定潛在滑面位置。

圖3 CXK4-1監(jiān)測(cè)孔TDR監(jiān)測(cè)波形

圖4 CXK6監(jiān)測(cè)孔TDR監(jiān)測(cè)波形

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，TDR系統(tǒng)是進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)的一個(gè)新技術(shù)，其具有成本低、監(jiān)測(cè)時(shí)間短、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于我國(guó)TDR邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)還處于起步階段，其發(fā)展還需大量的試驗(yàn)和實(shí)踐應(yīng)用研究來(lái)豐富。

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[3] 武博強(qiáng),張衛(wèi)東,楊永健.幾種常用的邊坡深部水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)分析[J].山西建筑,2014,(19):53-54.

2015-01-07

U416.1

C

1008-3383(2015)09-0023-02