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基于惯性测量的滑坡位移监测研究

张永权  
【摘要】:滑坡灾害具有临界突发性、破坏力巨大等特点,常常给滑坡区居民的生命财产安全带来严重威胁。在近几十年里,随着人类工程活动的日趋频繁,滑坡灾害也变得越来越频发,造成的损失也越来越大,甚至有些重大工程建设所引发的滑坡问题具有很强的隐蔽性,不借助先进的监测仪器设备很难发现其存在的安全隐患。为了有效避免或减轻滑坡地质灾害所带来的损失,国内外学者对滑坡进行了大量试验和实践性研究,并在滑坡的认知、发现、监测、预报、防治等方面取得了一系列的显著成果。在滑坡的整个研究发展过程中,可靠的监测手段始终是其他方面研究的基础,有效准确的监测及早期预测预报也是减轻灾害损失、减少人员伤亡最有效的途径。在我国,一方面滑坡灾害分布广泛,工程防治、机理研究、预测预报等亟待解决的问题研究中,几乎各项工作都有赖于滑坡的监测数据来展开,而另一方面年却面临着国内滑坡监测仪器和监测方法发展滞后的局面。因此,开展滑坡监测仪器的研发、监测方法的探索及监测数据的应用研究具有重大的科研和工程意义。影响滑坡的因素很多,因此滑坡监测的内容也可以很广泛,但滑坡位移监测始终是滑坡监测中不可或缺的内容之一。滑坡位移监测研究是滑坡灾害研究的支撑性课题,为滑坡的机理分析、工程防治、预测预报等工作提供直观的量化参考数据。其中深部位移监测研究是位移监测研究的一个重要组成部分,涉及到位移的测量原理、测量方法、测量仪器、测量数据处理、监测结果与影响因素对应关系分析等诸多内容。本文以滑坡深部位移监测和分析为主线,从测量原理分析、测量仪器研发、管土变形耦合分析、位移与外部影响因素对应关系量化、研究成果综合应用等方面对该课题进行了系统性的研究,主要研究内容和研究成果如下:(1)结合滑坡深部位移测量的环境要求对惯性测量原理进行分析和引入。惯性测量系统的基本原理是利用惯性器件来感应载体相对于惯性空间的线运动和角运动,通过测量结果在时间轴上的积分计算,可以得到载体相对于惯性空间的线速度、姿态角、位置等信息;惯性测量系统的测量过程不需要依赖于任何外部的声、光、电、磁等信息,也不需要对外辐射信号,是一种完全自主、极度封闭、过程实时的测量系统,原理上非常适用于地下空间姿态和位置信息的测量。但是,相对于惯性测量系统的分辨率来说,滑坡滑动速率的量级远远小于系统的分辨率量级,因此惯性测量系统不能对滑坡体的运动进行直接测量,针对这个问题提出了相应解决办法,在滑坡体内埋设变形耦合管道,用以耦合滑坡体的变形,把滑坡体在时间上的累积位移量转换成沿管道分布的变形量,只需要分时对管道轨迹进行短时测量便可获取管道轨迹并推算出滑坡的位移量。传统惯性测量系统功能和结构上都存在冗余,不利于测量顺利进行的问题,依据测量环境特点,对惯性测量系统的功能结构进行取舍和简化,把部分物理量(如沿管道线速率和位置)的获取方式转换为接触式测量。(2)针对坡体深部位移以水平位移为主、主要考虑水平位移在竖直方向上分布、不需要考虑竖直方向沉降和膨胀的深部位移监测场合,研制了水平位移竖向分布测量仪器(柔性测斜仪)。以重力加速度作为测量基准,利用加速度计测量重力分量换算角度的原理,设计两轴角度测量单元,把若干个测量单元串接后用硅胶进行灌注封装,形成一条柔性的测斜探头,同时设计与探头对接的控制器和配套PC机软件;在室内对所设计的样机进行校验,把柔性探头随机摆放在垂直固定的方格纸上,从方格纸上读取出探头的形状位置并和探头所测数据进行对比,对比结果显示,测量数据按角度插值后再计算位移的计算方法具有最优的计算误差,400 mm长探头顶端位移均方差优于1.17 mm。柔性测斜仪非常适用于室内物理模型试验,在有辅助支撑基板的情况下也可以安装于野外进行现场监测。(3)针对坡体横向摆动位移可忽略而主要考虑主滑方向位移沿横向分布的测量场合,研制了横向位移分布测量仪器(横向轨迹仪)。结合横向变形耦合管道轨迹测量要求,对测量仪器方案进行对比论证,其中以惯性元件为最简的方案所需测量的物理量有水平方位角、俯仰角、滚动角和沿管道轴向的线速度,对应于所需测量的物理量,使用“单轴陀螺+两轴加速度计+外部滚轮编码器”组成的半捷联-半平台式结构对仪器进行详细设计;仪器的设计内容包括机械结构、硬件电路、控制程序及轨迹算法,在轨迹算法中,考虑了管道轴向线加速度对俯仰角测量加速度计会造成一定的影响,因此通过轴向速度的微分对其进行补偿能够消除测量过程中不均匀牵引造成的深度方向误差。(4)结合地基沉降类比模型推导了管-土相互作用的数学模型,同时基于D-P(Drucker-Prager)准则利用ANSYS有限元软件对管-土相互作用的受力模式和应力应变分布进行了模拟分析。数学模型推导中,主要考虑滑坡岩土体非线性特征和管道线弹性特征,基于邓肯张(Ducan-Chang)非线性土体本构模型、布辛奈斯克(Boussinesq)解以及管道线弹性方程建立管-土的相互作用耦合力学模型;基于管-土受力模型进一步推导了管道耦合滑坡体变形中管道相对于土体的位移差,即通过管道获取滑坡体位移的误差。ANSYS分析结果表明:管后土体受压,管前土体主要受剪;沿测斜管轴向方向,随着埋深的减小,土体所受压、剪应力逐渐降低。由此产生的土体弹性压缩变形及剪应变具有相同的变形规律。(5)依据所推导的管-土相互作用数学模型及数值模拟结果,提出了变形耦合管道选型原则和位移补偿建议。所选管道的挠曲刚度应当尽可能小,但需要兼顾管道的径向承压能力;管道径向尺寸尽可能大,但需要考虑管道成本及施工工艺等问题,在实际应用中可通过增加辅助的锚力结构来增加管道的径向受力面积,提高管道耦合变形的协调性。依照管道选型原则,很容易得到理想的变形耦合管道,因此建议优先考虑从管道选型上消除管-土耦合变形的不协调性,而尽量避免利用数学模型对位移测量数据进行补偿。(6)对土质滑坡位移影响因素的作用模式进行探讨,并结合马家沟1号滑坡体地质特征和监测数据总结归纳外部影响因素对位移的影响规律。滑坡位移影响因素按作用方式的不同分为内因和外因两大类,内因与滑坡的物质成分、地质特性和物理力学参数相关,参数获取困难;外因与外部环境条件的变化相关,容易监测。分析时,把内因封装为一个系统黑箱,视为一个外部影响因素作用下的位移响应系统,重点分析位移与外部影响因素之间的映射关系。对比马家沟1号滑坡体GPS位移监测数据与相应时间段内的降雨和库水位参数,可知降雨参数与位移呈正相关关系,库水位与位置呈负相关关系;位移对外部影响因素的响应具有时间延迟、输入饱和及受不同因素影响比重不同等特征,这种现象在滑坡的不同位置表现不一致。(7)根据外部影响因素对滑坡位移的影响规律,提出滑坡位移与外部影响因素映射关系的量化指标和判据。针对常规滑坡位移预测预报模式,对外部影响因素的输入进行量化,量化指标为位移对外部影响因素响应的时间延迟T和输入饱和闽值s;量化依据是位移和外部影响因素之间存在一定的线性关系,引入相关性系数作为量化判据,用以评判量化取值的优劣,从而求取具有最大相关性的量化指标值。滑坡不同位置对外部影响因素的位移响应是不一致的,所以量化分析的适用范围为单个监测点,或具有相似变形量及变形规律的监测组。(8)依据滑坡位移监测和分析的应用流程对研究成果进行汇总综合。以滑坡位移监测和分析为主线,把监测项目管理、变形耦合分析、位移量化分析的过成依次集合到所开发的PC软件,软件数据获取端与仪器对接,从所研发的仪器读取或导入滑坡位移测量数据,经过变形协调性分析补偿后,传入位移与降雨和库水位关系的量化分析模块,量化分析后生成报告。(9)结合室内物理模型试验实例,阐述了柔性测斜仪在物理模型试验中的应用以及在滑坡现场应用中的拓展方法。柔性测斜仪具有极好的挠曲变形能力,同时可以承受一定的纵向拉伸变形,普遍适用于加桩或不加桩滑坡物理模型试验中深部位移的实时监测;柔性测斜仪在滑坡体中的布置,可以直接贴靠在抗滑桩的前后壁表面上,监测滑坡造成的桩身变形,也可以直接埋设在滑坡体中,监测滑坡体内部的位移分布;通过加桩物理模型试验测试结果与模型剖面裂缝的对比,验证了测斜仪在物理模型试验中的可行性和准确性。此外,柔性测斜仪亦适用于滑坡现场监测,但安装时需要借助于加固基板(加固基板可以是抗滑桩)进行定位。(10)结合马家沟1号滑坡体测试现场,阐述了横向轨迹仪及系统在滑坡横向位移分布测量中的应用。以马家沟1号滑坡体为试点,结合滑坡体形态特征和物质组成,选择了170 m高程处阶地作为布管位置,对管道类型和埋管过程进行了介绍,且在管道埋设完成后对管道的初始位置和轨迹进行了测定。鉴于现场测试管道埋设时间较短,暂未形成明显的轨迹差,还无法获取有效的滑坡位移数据,因此借助于已有的GPS位移监测数据对系统的量化分析进行阐述;以马家沟1号滑坡体J01监测点数据对量化过程进行实例分析,分析结果显示,J01监测点受降雨参数影响的相关性系数为0.44903,对降雨参数响应的时间延迟为10天,月降雨量输入饱和值为78 mm/月;J01监测点主要受到库水位波动速率的影响,其相关性系数为-0.70655,对库水位下降速率的响应时间延迟为77天,而且在所观察的时间段内库水位的速率未达到饱和。本文主要创新点归纳如下:(1)惯性测量系统在滑坡位移监测中的引入及原理匹配。提出了利用预埋管道来耦合滑坡体的变形,通过分时测量预埋管道三维轨迹位置差,从而反映滑坡体位移信息的滑坡位移场测量方法;该测量方法可以在滑坡体的任意方向和深度布置测线,但依据测量原理、滑坡体测量环境及仪器结构成本,把测量仪器按竖向位移分布和横向位移分布的测量形式分成两类,使得惯性测量原理对应于具体的测量形式具有最好的匹配效果。(2)管-土变形耦合分析。针对滑坡位移测量的应用环境,分析变形耦合管道和管道所接触土体的受力情况,推导计算管道和土体之间的变形差异,能够为工程应用中管道的选择和位移的补偿提供参考依据。(3)滑坡位移-外部影响因素量化分析。依据滑坡不同位置对外部影响因素的响应差异,提出了针对具体滑坡具体位置的时间延迟、影响因素饱和阈值和影响权重量化指标,为量化指标的求取设定了相关性系数判据,编程实现量化过程的计算和指标求取。


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