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地质灾害监测是集地质灾害形成机理、监测仪器、时空持续和预测预报技术为一体的综合技术。伴随着电子技术、计算机技术、信息技术和空间技术发展,国内外地质灾害调查与监测方法和相关理论得到长足发展,促进了一大批地质灾害监测新仪器的研制和生产,时域反射滑坡位移监测系统就是其中之一。时域反射测试技术是一种电子测量技术,多年以来一直用于各种物体的形态特征的检测及空间定位,将其用于地质灾害监测是近几年的事情。
时间域反射测试技术(Time Domain Reflectometry)简称TDR,产生于二十世纪三十年代,最初应用于电力和电讯工业中电缆线路缺陷的定位和识别。目前,在通讯、电力等应用领域,用于电缆检测的TDR技术已经日益成熟。二十世纪八十年代初期,时间域反射测试技术开始用于地质勘查工作,主要在测定土体含水量、监测岩体和土体变形等。直到九十年代中期,TDR技术才开始用于地质灾害的监测工作,TDR技术运用于崩塌、滑坡的监测尚属于研究的起步阶段。
时域反射测试技术的原理与雷达技术的原理基本相同,同轴电缆的TDR技术被称之为“闭路雷达”。在同轴电缆TDR测试过程中,采用同轴电缆作为传输具有一定能量的瞬时脉冲的传播介质,向同轴电缆发射电脉冲信号,同时对反射波信号的传播时间进行测量,就可以确定其传播时间和速度,进一步可以推算电缆的状态等。TDR技术用于滑坡监测时,首先根据滑坡的实际情况,用钻孔打穿滑动面后直达稳定的地层,将同轴电缆放入监测孔内,然后回填钻孔,使同轴电缆与周围地层紧密结合。在埋设好测试同轴电缆之后,滑坡体一旦产生滑移变形,其位移就会引起同轴电缆产生形变,电缆变形导致电缆阻抗特性的变化。这时,安装在地面上的滑坡监测系统对钻孔内的测试同轴电缆的这种形变进行监测。对监测数据(包括反射信号到达的时间和反射信号的幅度)进行分析和处理,就能得到同轴电缆变形处地层的变化信息。定期对滑坡体进行TDR监测,就可以得到滑坡体的变形趋势,实现对滑坡的动态监测,为滑坡预测、预报、评价以及防治研究提供可靠的数据基础。
依据地质灾害.滑坡监测的特点,根据时间域反射测试技术的原理,运用开放式工业自动化控制技术,设计了基于TDR技术滑坡监测系统。TDR滑坡监测系统可分为硬件与软件两大部分,硬件由四个部分组成,包括测试同轴电缆、计算机监测、交直流转换、蓄电池等四个部分。其中计算机监测是系统的核心组成部分,交直流转换与蓄电池主要为系统提供电源。测试电缆在系统中相当于传感器的作用。在发射信号源的设计过程中,采用了并联技术、阻抗匹配技术及隔离与屏蔽技术等,获得了频率可调、上升速度快、驱动能力强的高精度发射信号;在信号接收与数据采集电路模块设计中,采用了等效采样技术来提高数据采样率,获得了高达200GHz/s的采样速率,大大提高了TDR滑坡监测系统的测量精度。软件主要是通过编程实现监测系统本身的数据采集控制、数据存储、资料处理等功能,同时,它还包括了虚拟仪器与PC仪器的部分功能。为了得出TDR特征信号与电缆变形量之间的对应关系,本文研究选择了SYWY-75-12、SYKV-75-5两种型号的同轴电缆进行拉伸、剪切试验,总结了同轴电缆在拉伸、剪切作用下TDR波形变化规律。室内模拟试验中,电缆不论拉伸或剪切变形都分为两个阶段,第一阶段为电缆受挤压变形阶段,TDR波形幅度随着电缆挤压程度的加大而增大,第二阶段为电缆拉伸或剪切变形阶段,拉伸时,TDR波形幅度随电缆拉伸变形量的增大而减小,剪切时,TDR波形幅度随电缆剪切变形量的增大而增大。通过对室内模拟试验数据进行处理和分析,并对所得到的剪切、拉伸位移变化量与TDR异常幅值变化量数据曲线进行数据拟合,初步得出了剪切、拉伸位移变化量与TDR异常幅值变化量之间的对应关系。
本文为了研究TDR滑坡监测的实际应用效果,选取四川雅安峡口滑坡进行了三次TDR监测,并与钻孔倾斜仪监测结果进行了对比分析。由实际观测结果来看,TDR滑坡监测系统已监测到滑坡变形,并且监测到的变形位置与钻探揭示的滑带位置、钻孔倾斜仪的监测结果能很好吻合,可见TDR技术用于滑坡监测是可行的,至于滑坡的变形量和变形趋势的变化还需进行进一步的观测。
通过本文的研究试验,发现利用TDR技术进行滑坡监测具有监测省时、监测成本低廉、定位准确等优点,在滑坡监测领域具有广阔的发展前景。