滑坡深層位移磁定位測量方法研究

何云飛 吳 劍 汪超盛 聶 寧

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002)

滑坡地質(zhì)災(zāi)害是最為普遍的地質(zhì)災(zāi)害類型,監(jiān)測預(yù)警是應(yīng)對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要工程措施之一.滑坡監(jiān)測主要的監(jiān)測對象是滑坡體的位移,其中包括滑坡地表位移和深部位移.對于大型滑坡,深部位移監(jiān)測可以直接反映滑移面的滑動情況,其監(jiān)測預(yù)警意義重大,所以近些年深部監(jiān)測技術(shù)的研究一直是滑坡監(jiān)測技術(shù)研究中的熱點.

目前滑坡深部位移監(jiān)測主要采用的主要儀器是測斜儀[1],測斜儀主要是通過在測斜管中測量不同深度測斜管的傾斜角來解算整個測斜孔不同深度的位移.為了提高滑坡深部位移監(jiān)測的自動化水平,先后有多種監(jiān)測技術(shù)引入到滑坡深層位移監(jiān)測領(lǐng)域.比如同軸電纜時域反射技術(shù)(TDR,Time-Domain Reflectometry)[2]、陣列式位移計(SAA,Shape Acceleration Array)[3]以及基于霍爾效應(yīng)的地下位移測量技術(shù)[4].盡管這些新的技術(shù)方法的基本測量原理千差萬別,但都是測量監(jiān)測孔內(nèi)不同深度的偏移量,其解算滑坡深部位移的方法是相同的.在解算滑坡深部累計位移曲線時都要以滑帶以下基巖作為位移起算的基點,如果滑坡滑移距離較大,監(jiān)測孔或監(jiān)測管被剪斷,那么監(jiān)測孔將失去解算基點,監(jiān)測孔失效廢棄.所以以上監(jiān)測方法在滑坡出現(xiàn)大位移情況下,難以完成對滑坡深部位移的連續(xù)監(jiān)測.

對滑坡深部位移的監(jiān)測,也可采用光纖光柵傳感技術(shù)[5],主要利用光纖光柵應(yīng)變管對滑坡進(jìn)行監(jiān)測.將光纖光柵應(yīng)變管埋入滑坡體內(nèi)部,通過監(jiān)測應(yīng)變管變形來監(jiān)測滑坡.但此方法造價高、工藝復(fù)雜、受溫度和光纖光柵傳感器粘貼質(zhì)量的影響較為嚴(yán)重、光纖光柵傳感器的組網(wǎng)方式有待進(jìn)一步研究.

很多大型滑坡在深部接近基巖位置存在單一滑移面,滑移面上部滑體大致保持平動[6].而滑帶厚度通常在0.2～1.0 m范圍內(nèi),這意味著如果在滑帶上部的監(jiān)測孔內(nèi)安裝儀器監(jiān)測滑體滑動,監(jiān)測孔內(nèi)的儀器不會被破壞.這為使用磁定位技術(shù)監(jiān)測滑坡深部位移提供了條件.文獻(xiàn)[7]根據(jù)磁定位原理探索采用磁定位技術(shù)對滑坡深部位移進(jìn)行測量,開展了相關(guān)試驗,但其試驗方案未考慮地磁以及環(huán)境磁場對磁信號的影響,需要進(jìn)一步改進(jìn).

1 差分磁定位方法

為消除地磁以及監(jiān)測孔周邊環(huán)境磁場對測量目標(biāo)磁體的影響,需要布置一對磁傳感器同時測量目標(biāo)磁極磁場,如果地磁或環(huán)境磁場強度在一對磁傳感器位置相同,那么通過差分相減就可以消除地磁以及環(huán)境磁場對目標(biāo)磁極磁場的影響,即差分磁定位方法.

1.1 差分磁定位布測方案

圖1是采用差分磁定位方法的測量裝置在監(jiān)測孔中布置圖.測量裝置主要由兩部分構(gòu)成,分別是安裝固定在基巖中的目標(biāo)磁極和滑帶以上的磁場探測儀器.目標(biāo)磁極采用柱狀永磁體,由于目標(biāo)磁極在基巖中,在監(jiān)測孔剪斷后,目標(biāo)磁極的磁場不會移動不會消失,磁場探測儀器可以通過測量目標(biāo)磁極的局部磁場來確定滑體相對基巖的滑動位移.

圖1 監(jiān)測孔內(nèi)裝置布置圖

在安裝目標(biāo)磁極前應(yīng)明確滑坡深部滑帶位置,確保目標(biāo)磁極安裝在滑帶以下,處于基巖之中,不能隨滑體移動.同時在保證目標(biāo)磁極處于滑帶以下的前提下,應(yīng)盡量使目標(biāo)磁極貼近滑帶,因為磁傳感器距離磁極越近,測量的磁場信號越強.

滑帶以上的磁場探測儀器的核心是兩個磁傳感器,兩個磁傳感器在儀器倉中保持測量方向相同間距固定.由于兩個磁傳感器的測量方向一致,那么在兩個磁傳感器位置測量到的地磁或環(huán)境磁場分量應(yīng)相同,兩個磁傳感器測量值的差分量應(yīng)可消除地磁以及環(huán)境磁場的影響.可通過標(biāo)定試驗確定兩個磁傳感器測量信號的差分量與目標(biāo)磁極的位置之間的關(guān)系,并以此解算磁場探測儀器與目標(biāo)磁極之間的位置關(guān)系.

1.2 磁場梯度與磁極位置關(guān)系的推導(dǎo)

差分磁定位布測方案中兩個磁傳感器的間距是固定的,因此兩個位置測量信號差分值實際上是磁極磁場的梯度.如果考慮到作為目標(biāo)磁極的永磁體尺寸較小,可以采用磁偶極子靜磁場公式來分析目標(biāo)磁極周圍磁場梯度的變化規(guī)律.

1.2.1 磁偶極子的靜磁場公式

圖2中永磁體O作為坐標(biāo)原點,豎直向上為Z軸正方向,水平面為OXY面,以水平向右為Y軸正方向,垂直于Y軸水平向外為X軸的正方向,P為磁極周圍某一點,P點坐標(biāo)分別為(x,y,z).

設(shè)O點到P點的矢徑為,如果原點O到場點P的距離r遠(yuǎn)大于磁極的尺寸,可將磁極近似為磁偶極子,設(shè)磁矩矢量為與Z軸正方向的夾角為θ在OXY平面上的投影與X軸正方向的夾角為φ,磁矩大小為Pm.根據(jù)磁偶極子磁場的計算公式,P

圖2 磁偶極子

點處的磁場強度值B的矢量表達(dá)式為:

式中,μ0為真空磁導(dǎo)率

將式(1)在空間坐標(biāo)系中分解,并將各個分量帶入,簡化后各個方向磁場強度值表達(dá)式見式(2):

式(2)即為某磁極周圍任一點的磁場強度分量的理論計算公式.

1.2.2 磁場梯度與磁極位置關(guān)系

在測量時總共可以從一對三維磁通門傳感器采集到6組磁場強度值,分別是B x1、B x2、B y1、B y2、B z1、B z2,安裝磁傳感器時可以選擇B x或B y測向與磁極的橫向變形方向一致.如果選擇B x測軸,那么B x1、B x2、B z1、B z2在下滑過程中會產(chǎn)生明顯變化,而B y1、B y2不會產(chǎn)生明顯變化,因此解算深部位移時,只需要B x1、B x2、B z1、B z2的測量值.根據(jù)圖1中磁極和磁傳感器的位置關(guān)系可以簡化B x1、B x2、B z1、B z2的表達(dá)式為其中,x是磁傳感器相對于磁極水平方向的移動距離,因滑坡體滑動時滑面以上的滑體保持平移運動,所以公式中兩個傳感器的x取相同值.z是下部磁傳感器相對于磁極豎直向距離,Pm磁矩,μ0是磁導(dǎo)率,D是兩個磁傳感器的距離,

將兩個磁傳感器位置的B x和B z分量相減即得到目標(biāo)磁極在兩個磁傳感器位置的磁場強度差分量ΔB x和ΔB z.圖3是ΔB x和ΔB z磁極沿X軸移動時的變化曲線.觀察變化曲線可以發(fā)現(xiàn),ΔB x變化曲線在(-0.5,0.5)這個區(qū)間曲線斜率最大,ΔB z變化曲線在(0.2,1.2)這個區(qū)間曲線斜率最大.曲線斜率越大,意味著磁極移動同樣的距離,相應(yīng)的磁信號變化量越大,越容易辨識磁極的位移.所以磁定位方法不同于大多數(shù)位移測量手段,其測量磁信號與對應(yīng)位移量是基于向量空間的非線性關(guān)系,其關(guān)系曲線的標(biāo)定更為復(fù)雜.

圖3 ΔB x和ΔB z隨磁極移動的變化曲線

2 室內(nèi)試驗

為了驗證差分磁定位方法的可行性,在室內(nèi)模擬磁傳感器相對目標(biāo)磁極移動過程,測量磁極周圍磁場梯度,評價差分信號的辨識精度.

試驗以釹鐵硼(Nd-Fe-B)強磁鐵作為目標(biāo)磁極,磁極由5個直徑為30 mm,厚度為30 mm的柱狀磁鐵串成一個長150 mm的柱狀磁鐵.采集磁信號的傳感器采用MSFG-3C三通道磁通門磁傳感器,其可測量3個垂直方向的磁場強度,測量精度1 n T.兩個磁傳感器與磁極位置關(guān)系以及磁極移動后的位置關(guān)系如圖4所示.其中磁傳感器間距定為1.5 m,磁傳感器連線方向定為Z方向.沿Z方向距離a位置放置磁極,a距離是目標(biāo)磁極與較近的磁傳感器的距離.a越大,磁定位系統(tǒng)可以適應(yīng)滑帶厚度更大的滑坡.試驗中垂直于Z方向移動磁極距離b位置,這代表的是滑坡相對于基巖的滑動.磁極移動到不同位置,兩個磁傳感器測量采集Z向的磁場強度信號,計算兩個信號的差值.

圖4 室內(nèi)試驗磁極與磁傳感器的位置關(guān)系

表1是在a分別為1.5 m、2.0 m和2.5 m情況下橫向移動磁極,兩個磁傳感器測量的Z向磁場強度差分值.

表1 Z向磁場強度差分值 (單位:n T)

b從0到0.5 m這段距離內(nèi),Z向磁場強度差分值從4 192 n T變化到2 662 n T,變化量為1 530 n T.試驗發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)試驗環(huán)境地磁及環(huán)境磁場穩(wěn)定的情況下,Z向磁場強度差分值本身的系統(tǒng)噪聲水平小于10 n T,這意味著超過10 n T的信號變化是可辨識的位移信號.那么在0到0.5 m這段距離內(nèi)通過測量Z向磁場強度差分信號可辨識的位移精度=500 mm×10 n T/1 530 n T=3.3 mm.同理可計算0.5～1.0m范圍的平均可以辨識的位移精度2.8 mm.

表2是a取不同距離情況下不同位移區(qū)間可以辨識的位移精度.

表2 平均可辨識位移量 (單位:mm)

表中數(shù)據(jù)顯示0.5～1.0 m范圍內(nèi)對位移的辨識精度最佳,這是因為在這個位移區(qū)間,Z向的磁場強度變化最為顯著.而在0～0.5 m范圍內(nèi),由于0附近Z向磁場強度變化平緩,這一段的位移辨識精度低于0.5～1.0 m范圍內(nèi)的辨識精度,這與圖3中Z向磁場強度差分值的變化曲線是相符的.根據(jù)表2的數(shù)據(jù),可以確定通過測量目標(biāo)磁極周圍磁場強度梯度值(尤其Z向磁場強度)可以分辨出目標(biāo)磁極的X向移動,分辨精度在0～1.0 m位移范圍內(nèi)小于±2 mm,在1.0～1.5 m范圍內(nèi)小于±5 mm.

3 結(jié) 論

1)為解決滑坡深部位移監(jiān)測孔斷孔失效無法連續(xù)監(jiān)測滑坡深部大位移的問題,結(jié)合滑坡深部監(jiān)測環(huán)境,提出了差分磁定位布測方案;

2)基于磁偶極子周圍磁場的理論計算公式,推導(dǎo)了磁偶極子周圍磁場梯度公式,確定差分磁定位方法中磁場強度差分值的變化特征;

3)室內(nèi)試驗?zāi)M了監(jiān)測孔中磁極和磁傳感器的空間關(guān)系,通過移動磁極,記錄觀察磁場強度的變化.通過分析,監(jiān)測孔中如果磁極與磁傳感器距離為1.5 m,磁極垂直于鉆孔移動,在0～1.0 m位移范圍內(nèi)分辨精度小于±2 mm,而在1.0～1.5 m范圍內(nèi)分辨精度小于±5 mm.