高填方變形無線遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測系統(tǒng)及安裝監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高填方變形監(jiān)測領(lǐng)域，特別是一種高填方變形無線遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測系統(tǒng) 及安裝監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在"18億畝耕地"不能觸碰的紅線下，山區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)和"一帶一路"戰(zhàn)略實(shí)施所需 求的建設(shè)用地，大多通過削山填溝造地的方式來解決，削山填溝即會產(chǎn)生大量的高填方地 基和高填方邊坡。如山西呂梁機(jī)場最大填方81. 9m，四川九黃機(jī)場最大填筑高度達(dá)102m的 高填方機(jī)場工程；另外，十堰、蘭州和延安都正在進(jìn)行大規(guī)模的平山造地工程，2012年開始 蘭州新區(qū)平整土地約25km2,延安一期工程(北區(qū))造地10. 5km2,最大填土厚度105m，是目前 世界上黃土地區(qū)規(guī)模最大的填方工程。這些高填方工程均存在不均勻沉降或側(cè)向變形，其 原因復(fù)雜：①山區(qū)和丘陵地區(qū)，地形高差大、工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復(fù)雜；②高填方 地基土石方量大，工期長，不均勻沉降和工后沉降難以控制；③高填方工程在建設(shè)過程中， 會產(chǎn)生大量新的挖、填方高邊坡；④高填方施工均會破壞原始地形，改變地表水徑流及地下 水滲流路徑，造成土體強(qiáng)度變化，嚴(yán)重時引發(fā)填方濕化變形或滑坡等災(zāi)害。時有發(fā)生的高填 方邊坡滑塌災(zāi)害不斷挑戰(zhàn)著削山填溝造地戰(zhàn)略的科學(xué)性，如宜昌三峽機(jī)場滑坡、云南麗江 機(jī)場滑坡、貴州某機(jī)場滑坡、九黃機(jī)場滑坡、攀枝花機(jī)場多次滑坡等均造成了重大生命財產(chǎn) 損失或嚴(yán)重社會影響；因此需要進(jìn)行綜合監(jiān)測。
[0003] 截至目前，有關(guān)高填方的專門技術(shù)規(guī)范尚未形成，高填方設(shè)計和施工均處于初級 的經(jīng)驗積累階段。因為設(shè)計方法不成熟，高填方施工過程中，工程師們常采用所謂的信息化 施工技術(shù)，即通過人工頻繁的變形觀測監(jiān)控施工過程（目前高填方常規(guī)監(jiān)測項目及監(jiān)測方 法見表1 )，并及時將觀測成果反饋，供決策者調(diào)整設(shè)計和施工時參考，但這只能依賴于工程 師們的經(jīng)驗判斷，而且，上述信息化施工技術(shù)多顯得盲目與被動。如表1中高填方表面變形 監(jiān)測和內(nèi)部變形的水平位移監(jiān)測方法均過于傳統(tǒng)，且測量干擾因素多、誤差大、耗時費(fèi)力、 無法達(dá)到實(shí)時監(jiān)測；內(nèi)部變形的分層沉降監(jiān)測的儀器施工不便、埋設(shè)沉降管的部位不便進(jìn) 行壓實(shí)施工作業(yè)、強(qiáng)夯或沖擊碾壓施工易破壞；地下水監(jiān)測一般只監(jiān)測水位，高填方施工過 程和工后的含水量、孔隙水壓力及土壓力變化未見綜合監(jiān)測實(shí)例。因此，高填方變形設(shè)計與 施工經(jīng)驗不足，事故多發(fā)。
[0004] 表1高填方常規(guī)監(jiān)測項目及監(jiān)測方法
解決此問題最有效的途徑就是開發(fā)一種新的監(jiān)測系統(tǒng)，伴隨施工過程和工后對高填方 進(jìn)行綜合實(shí)時原位監(jiān)測，其中高填方地基主要監(jiān)測分層沉降與總沉降、土壓力、孔隙水壓力 及含水量時空變化；高填方邊坡主要監(jiān)測坡頂沉降、深層水平位移、坡體內(nèi)部孔隙水壓力時 空變化。本系統(tǒng)的安裝實(shí)施可真正實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計和施工，有效減少高填方施工過程或工 后沉降，對高填方邊坡變形及地下水環(huán)境改變等可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害提前預(yù)警，且具有重 要的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種高填方變形無線遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測系統(tǒng)及安裝監(jiān)測方法。
[0006] 本發(fā)明是高填方變形無線遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測系統(tǒng)及安裝監(jiān)測方法，高填方變形無線遠(yuǎn) 程綜合監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9、無線傳輸系統(tǒng)13和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng) 17構(gòu)成，高填方施工過程中和工后的多種信息能通過傳感器系統(tǒng)1和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9采集、 存儲數(shù)據(jù)，經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)13將數(shù)據(jù)信號傳遞到監(jiān)測單位上網(wǎng)電腦21的數(shù)據(jù)管理分析 系統(tǒng)17 ; 傳感器系統(tǒng)1包括監(jiān)測高填方地基27總沉降和分層沉降的單點(diǎn)沉降計2、監(jiān)測高填方 地基27不同填高土層土壓力的土壓力盒5、監(jiān)測高填方地基27不同填高土層內(nèi)孔隙水壓力 的孔隙水壓力計6、監(jiān)測高填方地基27不同填高土體內(nèi)含水量的土壤濕度傳感器7和監(jiān)測 高填方邊坡28不同填高坡體內(nèi)孔隙水壓力的孔隙水壓力計6、監(jiān)測高填方邊坡28不同填高 坡體深層水平位移的測斜儀8 ;各傳感器伴隨填土施工埋設(shè)到設(shè)計點(diǎn)位，通過測試導(dǎo)線3與 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9連接，埋設(shè)測試導(dǎo)線3前套上PVC鋼絲軟管4 ; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9依據(jù)接入各傳感器信號傳輸?shù)牟煌蠥型數(shù)據(jù)采集模塊10和I型數(shù) 據(jù)采集模塊11，二者通過太陽能供電設(shè)備12供電；其中單點(diǎn)沉降計2、土壓力盒5和孔隙水 壓力計6屬于智能型弦式傳感器，用A型數(shù)據(jù)采集模塊10采集數(shù)據(jù)；測斜儀8輸出電壓信 號，用I型數(shù)據(jù)采集模塊11采集數(shù)據(jù)，土壤濕度傳感器7輸出電流信號，根據(jù)其軟件通訊協(xié) 議，添加高精密電阻后，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，接入I型數(shù)據(jù)采集模塊11采集數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9的各采集模塊用測試導(dǎo)線3串聯(lián)； 無線傳輸系統(tǒng)13包括DTU手機(jī)上網(wǎng)模塊14、GRPS無線數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)15和DNS域名解析 16 ;其中域名服務(wù)商提供的域名設(shè)置到現(xiàn)場的DTU手機(jī)上網(wǎng)模塊14中，通過太陽能供電設(shè) 備12供電，用戶電腦在現(xiàn)場或遠(yuǎn)程通過域名服務(wù)商提供的登錄軟件，建立使用者電腦的IP 與域名聯(lián)系；現(xiàn)場DTU手機(jī)上網(wǎng)模塊14通過GRPS無線數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)15上網(wǎng)，經(jīng)DNS域名解 析16找到與該域名對應(yīng)的IP地址，實(shí)現(xiàn)傳感器采集的數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)程傳輸； 數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)17包括DSC無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)18、UDP聯(lián)系19和數(shù)據(jù)庫20 ;其中DSC無 線數(shù)據(jù)系統(tǒng)18在使用者的上網(wǎng)電腦上安裝，利用GRPS無線數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)15的互聯(lián)網(wǎng)功能， 通過約定域名的方式，建立DTU手機(jī)上網(wǎng)模塊14與上網(wǎng)電腦之間的UDP聯(lián)系19,采集積累 數(shù)據(jù)、形成數(shù)據(jù)庫20。
[0007] 高填方變形無線遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測系統(tǒng)的安裝監(jiān)測方法，其所包含的步驟如下： A、傳感器系統(tǒng)1埋設(shè)安裝： (1)單點(diǎn)沉降計2埋設(shè)安裝： ①原地基平整、清理后，根據(jù)監(jiān)測方案確定測試點(diǎn)并鉆孔，孔徑在90mm~127mm之間，鉆 孔鉛垂，孔深達(dá)到基巖； ② 根據(jù)孔深計算出所需加長桿的長度，并配齊加長桿接頭； ③ 將底層錨頭、PVC管、拉桿等底層錨固組件與一節(jié)加長桿相連接，然后往PVC管內(nèi)注 滿混凝土漿； ④ 將尼龍繩一端與PVC管上麻繩相連，繩長至少比孔深長3m; ⑤ 將灌好漿的錨固組件插入孔內(nèi)，下放至孔口處連接下一節(jié)加長桿，繼續(xù)插入孔內(nèi)并 連接下一節(jié)加長桿，直至將所有加長桿連接完后最后連接單點(diǎn)沉降計； ⑥ 用力壓安裝壓桿，直到把底層錨頭壓至基巖為止； ⑦ 底層錨頭安裝到位后，用力拉尼龍繩，PVC管被拉出孔底，混凝土漿沉入孔底，錨固底 層錨頭，然后剪斷尼龍繩； ⑧ 用綜合測試儀對單點(diǎn)沉降計2進(jìn)行全程監(jiān)控，保證單點(diǎn)沉降計2處于最大量程的狀 態(tài)； ⑨ 用沙子回填，壓實(shí)； ⑩ 裝好單點(diǎn)沉降計2后，將測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4,挖槽引出至高填方坡腳處， 待下一步施工； 伴隨高填方施工的進(jìn)行，在不同設(shè)計標(biāo)高處安裝多個單點(diǎn)沉降計2,并將測試導(dǎo)線3套 上PVC鋼絲軟管4,挖槽引出至高填方坡面處，待下一步施工；如此，即可實(shí)時監(jiān)測高填方地 基27施工過程和工后不同填高土體處的分層沉降和總沉降； (2) 土壓力盒5埋設(shè)安裝： ① 原地基平整、清理后，根據(jù)監(jiān)測方案確定測試點(diǎn)并挖孔，挖孔深約40cm，孔徑不小于 30cm； ② 土壓力盒5承壓膜面朝上放入孔內(nèi)，底部填入10cm深中砂壓實(shí)墊平，用水平尺控制 將土壓力盒5安裝水平； ③ 在其周圍覆蓋30cm厚的中砂，壓實(shí)； ④ 土壓力盒5的測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4進(jìn)行保護(hù)，挖槽引出至高填方坡腳處， 待下一步施工； 伴隨高填方施工的進(jìn)行，在不同設(shè)計標(biāo)高處安裝多個土壓力盒5,并將測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4,挖槽引出至高填方坡面處，待下一步施工；如此，即可實(shí)時監(jiān)測高填方地基 27施工過程和工后不同填高土體處所受壓力； (3) 孔隙水壓力計6埋設(shè)安裝： ① 原地基平整、清理后，根據(jù)監(jiān)測方案確定測試點(diǎn)并挖孔，挖孔深約40cm，孔徑不小于 20cm； ② 孔隙水壓力計6豎直放入孔內(nèi)，底部填入5cm深中砂壓實(shí)墊平，在其周圍用中砂填 滿、壓實(shí)； ③ 孔隙水壓力計6的測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4進(jìn)行保護(hù)，挖槽引出至高填方坡 腳處，待下一步施工； 伴隨高填方施工的進(jìn)行，在高填方地基和高填方邊坡不同設(shè)計標(biāo)高處分別安裝多個孔 隙水壓力計6,并將測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4,前者挖槽引出至高填方坡面處，后者在 高填方邊坡平臺上適當(dāng)保護(hù)，待下一步施工；如此，即可實(shí)時監(jiān)測高填方施工過程和工后不 同填高處地基和邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力的大??； (4) 土壤濕度傳感器7埋設(shè)安裝： ① 原地基平整、清理后，根據(jù)監(jiān)測方案確定測試點(diǎn)并挖孔，挖孔深約40cm，孔徑不小于 20cm； ② 用填料制作泥漿，土壤濕度傳感器7豎直插入孔內(nèi)，底部填入5cm深中砂壓實(shí)墊平， 在其周圍用泥漿填滿； ③ 土壤濕度傳感器7的測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4進(jìn)行保護(hù)，挖槽引出至高填方 坡腳處，待下一步施工； 伴隨高填方施工的進(jìn)行，在不同設(shè)計標(biāo)高處安裝多個土壤濕度傳感器7,并將測試導(dǎo)線 3套上PVC鋼絲軟管4,挖槽引出至高填方坡面處，待下一步施工；如此，即可實(shí)時監(jiān)測高填 方地基27施工過程和工后不同填高土體處含水量的大小； (5) 測斜儀8埋設(shè)安裝： ① 高填方邊坡施工至設(shè)計標(biāo)高處后，將平臺平整、清理后，根據(jù)監(jiān)測方案確定測試點(diǎn)并 鉆孔，孔徑在127mm左右，鉆孔鉛垂，孔深達(dá)到基巖； ② 根據(jù)實(shí)際孔深，把測斜管一節(jié)一節(jié)連接起來、放入孔內(nèi)，節(jié)與節(jié)需連緊，用土工布纏 繞2~3圈把接頭部分全部包裹，最后在土工布兩端用塑料扎帶或細(xì)鐵絲扎牢，防止泥沙等 異物從接頭部位進(jìn)入管內(nèi)； ③ 根據(jù)孔深和滑動式傾角綜合探頭自身長度計算出所需加長桿的長度，并配齊加長桿 萬向接頭； ④ 采用萬向接頭和加長桿將滑動式傾角綜合探頭連接，下放至孔口處連接下一節(jié)加長 桿，繼續(xù)插入孔內(nèi)并連接下一節(jié)加長桿和滑動式傾角綜合探頭，直至將所有滑動式傾角綜 合探頭連接下放完后，將其固定在管口處，并將管口包裹嚴(yán)實(shí)； ⑤ 測斜儀8的測試導(dǎo)線3套上PVC鋼絲軟管4進(jìn)行保護(hù)，在高填方邊坡28平臺上挖槽 適當(dāng)保護(hù)，待下一步施工； 伴隨高填方施工的進(jìn)行，在高填方邊坡不同設(shè)計標(biāo)高處分別安裝測斜儀8,并將測試導(dǎo) 線3套上PVC鋼絲軟管4,后者在高填方邊坡平臺上適當(dāng)保護(hù)，待下一步施工；如此，即可實(shí) 時監(jiān)測高填方施工過程和工后不同填高處邊坡內(nèi)部土體側(cè)向位移的大??； B、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9設(shè)計與安裝： 單點(diǎn)沉降計2、土壓力盒5和孔隙水壓力計6屬于智能型弦式傳感器，用A型數(shù)據(jù)采集 模塊10采集數(shù)據(jù)，根據(jù)接入測試導(dǎo)線3線路個數(shù)的多少，選擇1A、8A、16A和32A四種A型 數(shù)據(jù)采集模塊10進(jìn)行組合，組合模塊的總通道數(shù)等于或略大于傳感器個數(shù)；測斜儀8輸出 電壓信號，用I型數(shù)據(jù)采集模塊11采集數(shù)據(jù)，土壤濕度傳感器7輸出電流信號，根據(jù)其軟件 通訊協(xié)議，添加高精密電阻后，電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，可接入I型數(shù)據(jù)采集模塊11實(shí)現(xiàn) 實(shí)時無線遠(yuǎn)程監(jiān)測，根據(jù)接入測試導(dǎo)線3線路個數(shù)的多少，選擇11、81、161和321四種I型 數(shù)據(jù)采集模塊11進(jìn)行組合，組合模塊的總通道數(shù)等于或略大于傳感器個數(shù)； 根據(jù)不同填方高度處埋設(shè)傳感器的個數(shù)，考慮A型數(shù)據(jù)采集模塊10和I型數(shù)據(jù)采集模 塊11的布設(shè)位置及個數(shù)，同時使得各傳感器接入采集模塊的測試導(dǎo)線3最短、施工過程中 采集數(shù)據(jù)最大化；采集模塊具體安裝步驟如下： ①根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)埋入地下或固定在適合位置，修筑若干附屬 構(gòu)筑物，分別安裝A型數(shù)據(jù)采集模塊10或I型數(shù)據(jù)采集模塊1