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技术与应用

PCIE高速声发射仪/千兆网络声发射仪

技术与应用

声发射的边坡灾害无线 智能监控预警系统

发布日期:2019-07-16 15:23    浏览次数:

 

     随着我国经济的持续快速发展和城镇化的推进,大量的公路建设所形成的露天边坡、自然风化和水蚀等因素形成的需要进行灾害治理的边坡正在逐年增加。由此带来的边坡地质灾害将会给人民的生命和财产安全带来严重威胁,使国民经济遭到重大损失。 

 
     贵州地处青藏高原东侧,受青藏高原持续隆升的影响,形成高山峡谷的地貌景观。不仅导致高边坡“景观”发育,而且导致由于边坡失稳造成的崩滑地质灾害极为频繁,并且具有规模大、机理复杂、危害大、防治难度高的特点,影响和制约着这一地区社会经济发展和西部大开发战略实施。

     随着一系列举世瞩目的重大工程,如“西电东送”、南水北调工程、高速和高等级公路网建设等已经或即将实施。毫无疑问,这一地区的进一步开发,也必将带来更大规模、更大范围的边坡地质灾害及相关的环境问题亟待研究解决。经我们调研统计,镇胜高速公路的K2006至K2010+200段就有20多个边坡,大多数整体稳定性不好,存在潜在滑坡的趋势。 

     本研究不仅可以有效避免重大地质灾害发生,而且也将促进防灾减灾与公共安全和服务于工程建设的社会经济效益。 

     1. 国内研究情况 

     国内外滑坡监测的方法很多,包括全站仪、经纬仪、水准仪、倾斜仪以及新近发展的G PS手机监测和InSA R 技术等。这类方法由于都是采用单点定位,预测预报准确度十分有限,测量都是从宏观上去把握。而最近国内研究的超前摄动力的实时监测系统,虽然抓住了边坡失稳的本质特征,但由于西南地区边坡机理复杂,建立“抗滑力”与“下滑力”之间的力学模型存在很大的难度。 

     对此,我们提出了一种基于声发射原理的边坡地质灾害的远程实时监测预警系统,可以从细观上对破坏点进行定位,而且便于信息传输,因而受到人们的广泛重视。 

     2.设计原理 

     2.1设计思路 

 
     岩石受力破坏的过程是其内部微破裂萌生、扩展和断裂的过程,在这个过程中岩石会产生声发射现象。此时,传感器阵列接收到岩土体产生的声发射,传感器把捕捉到的信号无线传输给接收器,接收器再传输给边坡灾害分析预警控制中心。最后,控制中心智能分析系统将信号滤波后,以基于声发射源三维时差定位方法定位声源的具体位置,计算比较声发射值与阈值的相关关系,作出相应级别的预警措施,从而达到边坡灾害智能预警的目的。

 

                         

      2.2声发射原理 

 
      声发射是材料受外力或内力作用而产生变形或断裂时,以弹性波的形式释放能量的现象。在岩体材料中,声发射波主要以纵波(P波)、横波(S波)的形式在介质中传播。它们的波速不一样,P波最快,S波次之。
                

     2.3远程实时监测设备组成 

    (1)远程实时监控系统拓扑结构 

 
     该系统在获取数据时各套设备之间采取完全的无线传输方式,没有任何连接线缆,传感器阵列可分散布置,数据采集发射设备对应着多个传感器。监测点的设备都采用电池供电;接收的数据能够远距离传输给监控主机。
                     
 

    (2)智能声音传感、接收装置 

     由声发射源三维时差定位方法可知:最少需要4个传感器求出声发射源位置坐标,但是,当传感器个数≥5时,可以减小干扰误差,计算出的声发射源坐标也就更为准确。接收装置包括电池组和天线,完成数据的采集和远程发射任务,电池组根据使用情况应定期更换。 

 
     为了更好的全天候、全方位、全过程对滑坡进行监测,传感器采用无线传感器网络(W SN ,W ireless Sensor Net-w orks),它是一种全新的网络化信息获取与处理技术,具有自组网、无线多跳路由和多路径数据传输功能,结合数据融合技术,平衡网络负载,延长网络生命周期;传感器节点成本低,可实现对整个滑坡监测区域进行大范围的节点布置,保证数据采集的深度,为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础。

                             各个传感器的位置坐标(单位:m m ) 

 
   (3)控制中心智能分析系统
    智能接收分析系统由数据接收设备和数据处理计算机。数据接收设备用来接收数据发射设备的数据信号并将采集的信号传递给数据处理计算机,数据处理计算机通过计算比较声发射值与阈值的相关关系,做出相应级别的预警措施。为了连续接收现场数据信号,数据接收设备电源要保持接通状态,数据处理计算机最好配置不间断工作电源。                                                                                          
                     
     3.声发射实时监控预警模型

     3.1实验要求 

 
    岩石的种类很多,为了使研究具有普遍意义,以下对不同岩性的岩石的声发射活动规律进行分析,进而揭示不同岩性岩石的声发射活动特性。试验选取三种在我国西南地区分布广泛的岩石(花岗岩、灰岩)将岩样加工成长方体试件,试件尺寸为40m m ×40m m ×80m m 。为了消除试件端部与压力盘之间因摩擦而产生的噪声,试验时在试件两端抹上一层硬脂酸。在声发射探头的检测面上抹上一层黄油耦合剂,声源定位试验至少需要4个探头。
                  

 

    3.2岩石全过程的声发射特征 

   (1)岩石破坏全过程中细观损伤定位 

 
    图6是岩石破坏过程中程中细观损伤三维定位结果,在开始加载时试件不会产生细裂纹,也就不存在事件数(events);当加载一段时间后,岩石试件内部开始产生细裂纹,这时所布置的传感器探头就会接收到声发射信号,可以对损伤点进行定位,一个定位点就是一个事件数;随着加载时间的增长,事件数会继续增加,最后所有的事件数形成岩石试件的宏观破裂面,此时,声发射事件数也不再增加,最终导致岩石试件的破坏。试验研究表明:可以用声发射方法监测岩石的细观破坏的演化过程。
            

 
   (2)试件在加载下的声发射能量变化

    滑坡时,岩体中的应力是瞬时变化的,为了更好地得出边坡滑坡时声发射能量的峰值,我们做了在冲击荷载作用下的白云岩声发射试验。在80us时,有一个很大的声发射能量出现,此时试件接近于破坏状态,但并没有完全破坏,还具有一定的承载能力,裂纹会进一步扩展,直到最后完全破坏。 

    3.3声发射实时监控预警模型

 
    通过大量实验统计分析,确定出了滑坡时的声发射能量峰值,为了超前对滑坡进行预测,监控预警过程采用预警准则:

 

                                       

    上式中: 为预警阈值, 为滑坡时的声发射能量峰值。 

 
    基于上述的原理,提出了滑坡预警模式,采用预警准则,即根据预先设定阈值自动报警。该模式警戒曲线总体存在与监控曲线相交的趋势,警戒曲线与监控曲线最终产生交点,监控预警时间即为交点位置对应横坐标,当监控曲线超过警戒曲线达到某一值后,边坡发生滑坡破坏。

 

                     

    4.结论 

   (1)研究表明将声发射技术应用于边坡预警,能在边坡宏观破坏前进行坡体全局、动态实时监测预警。 

   (2)论文针对边坡滑坡监测,提出基于声发射的以无线传感器网络技术为基础的理念。采用无线监控技术,能有效避免人为活动和气候对传感器的影响。实现对监测区域的远程实时监护,并通过对采集数据的分析和处理,实现了对滑坡灾害和边坡稳态的实时远程智能监测。 

   (3)随着声发射技术在滑坡灾害监测中成功应用和推广,所带来的经济效益和社会效益显著。其中滑坡监测的前兆现象十分明显,在时间上比常规预测方法大为提前,为滑坡灾害预测预报提供了有效的手段。 

   (4)该监测系统应用前景较为广泛:在道路建设中,公路边坡预警,滑坡、泥石流监测,隧道开挖地面沉降,路堤沉陷破坏等的预测预警;在水利水电建设方面,可用于大坝、大堤位移和沉陷的智能监测预警;在岩土工程方面,可用于高边坡、建筑物、基坑、挡土墙破坏的监测预警。 

 
   (5)提出了滑坡预警模式,但由于岩体边坡的机理复杂性,预警阈值的确定有一定的局限性,随着课题的研究深入,我们会充分利用相关领域的先进技术,不断改进更新,在智能系统开发等方面多做工作,以求研制出一套具有国际先进水平的基于声发射边坡地质灾害无线智能实时监控预警系统,为滑坡提供更为准确的地质灾害预报。