蔣 凡 ，郝文杰 ，王洪磊

（1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051）

針對(duì)滑坡、邊坡等災(zāi)害體地表單點(diǎn)裂縫位移監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段已開展了大量深入研究，手段豐富。但面對(duì)單處多級(jí)裂縫或區(qū)域多級(jí)裂縫的面上分布式監(jiān)測(cè)的措施相對(duì)匱乏。本文以地表多級(jí)裂縫位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)為研究對(duì)象，采用磁致伸縮傳感技術(shù)對(duì)滑坡地表多點(diǎn)位移分布式監(jiān)測(cè)預(yù)警展開技術(shù)方法研究及裝置的研制。

1 分布式多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)裝置研制

1.1 磁致伸縮位移傳感原理

磁致伸縮傳感技術(shù)是利用稀土超磁致伸縮材料在磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，沿磁化方向發(fā)生巨大伸縮變形這一物理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物體位置傳感。該技術(shù)由于非接觸、精度高、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)，在發(fā)達(dá)國家中的油田、化工、電力、工程檢測(cè)等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用與研究[1]。

磁致伸縮位移傳感器核心為應(yīng)用磁致伸縮傳感技術(shù)獲取位置信息，通過高精度的弱信號(hào)檢測(cè)間接解算出位移。其結(jié)構(gòu)主要由激勵(lì)脈沖電路、波導(dǎo)絲（磁致伸縮材料）、波導(dǎo)絲阻尼器、移動(dòng)磁環(huán)、回波檢測(cè)電路等5部分組成。其原理及結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 磁致伸縮位移傳感器原理及結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Magnetostrictive displacement sensor principle

磁致伸縮位移傳感器內(nèi)部的激勵(lì)脈沖電路產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，沿波導(dǎo)絲方向傳播，作為時(shí)間計(jì)數(shù)的起始脈沖。激勵(lì)脈沖產(chǎn)生垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)形磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)遇到可移動(dòng)的磁環(huán)產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)相疊加，就會(huì)產(chǎn)生一螺旋狀磁場(chǎng)，根據(jù)威德曼（Wiedemann）效應(yīng)，波導(dǎo)絲會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)形變，而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波將以一恒定的速度沿波導(dǎo)絲向兩側(cè)傳播，傳到末端時(shí)，其能量將被波導(dǎo)絲阻尼器吸收，而返回的扭轉(zhuǎn)波遇到回波檢測(cè)電路中的傳感換能元件，產(chǎn)生感應(yīng)電流脈沖即終止脈沖，通過測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差即可精確地確定被測(cè)位移量。因?yàn)榕まD(zhuǎn)波在波導(dǎo)管中是以恒速（接近于3 km/s）傳播的，所以只要測(cè)出脈沖發(fā)射與脈沖接收兩者之間的時(shí)間間隔t，也就測(cè)出了磁環(huán)相對(duì)于規(guī)定零點(diǎn)的位置，其工作波形圖如圖2所示。由于整個(gè)感應(yīng)過程是連續(xù)的并且響應(yīng)時(shí)間很短，故每當(dāng)磁環(huán)移動(dòng)到一個(gè)新的位置，就能很快地測(cè)量出來[2-3]。

圖2 磁致伸縮位移傳感器工作波形Fig.2 Magnetostrictive displacement sensor operating waveform diagram

1.2 磁致伸縮位移傳感器選型

根據(jù)應(yīng)用于滑坡、邊坡等野外場(chǎng)地特征，本裝置選用MTS公司的R系列帶柔性測(cè)桿的磁致伸縮位移傳感器。該傳感器的柔性測(cè)桿可以適應(yīng)滑坡、邊坡等滑動(dòng)面的起伏不定的特征，能有效貼合滑動(dòng)面地形，且易于安裝。多個(gè)移動(dòng)磁環(huán)與測(cè)桿非接觸測(cè)量實(shí)現(xiàn)多級(jí)裂縫位移的連續(xù)監(jiān)測(cè)。該傳感器單條測(cè)桿最多可掛載15個(gè)移動(dòng)磁環(huán)，等同單條測(cè)線上最多可以監(jiān)測(cè)15級(jí)裂縫。傳感器的數(shù)據(jù)輸出為CAN總線格式，最遠(yuǎn)傳輸距離2.5 km（傳輸距離與數(shù)據(jù)傳輸速率有關(guān)），同時(shí)采用CAN總線輸出方式易于組網(wǎng)，多個(gè)傳感器進(jìn)行編號(hào)后組成網(wǎng)絡(luò)，形成監(jiān)測(cè)區(qū)域的分布式監(jiān)測(cè)，達(dá)到整個(gè)滑動(dòng)面上的多級(jí)區(qū)域監(jiān)測(cè)。其防水等級(jí)達(dá)到IP67，適合野外工作環(huán)境。

1.3 多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)

分布式磁致伸縮多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)裝置由磁致伸縮位移傳感器、CAN總線轉(zhuǎn)換器、上層控制軟件、電源控制系統(tǒng)4部分組成。分布式磁致伸縮多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)裝置利用磁致伸縮位移傳感器實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)面地表多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)，以磁致伸縮位移傳感器柔性測(cè)桿上的磁環(huán)感知滑坡多級(jí)滑動(dòng)體的蠕變，測(cè)得的位置傳感信號(hào)通過CAN總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上的上層控制軟件，通過控制軟件數(shù)據(jù)解析與處理，計(jì)算出滑動(dòng)位移量與位移速度，根據(jù)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)滑坡裂縫位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。監(jiān)測(cè)裝置原理如圖3所示。

圖3 分布式磁致伸縮多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Distributed multipoint magnetostrictive displacement monitoring system

2 上層控制軟件設(shè)計(jì)

上層控制軟件采用Visual C++6.0平臺(tái)編寫，以Windows事件驅(qū)動(dòng)的模式開發(fā)設(shè)計(jì)控制軟件，完成磁致伸縮位移傳感器CAN總線數(shù)據(jù)的提取、解析等總線操作，完成原始位移數(shù)據(jù)的解算，計(jì)算出速度、加速度等信息，最后以分級(jí)預(yù)警的思路，根據(jù)解算出的位移量、速度、加速度等綜合信息完成實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警。程序流程如圖4所示。

圖4 上層控制軟件流程Fig.4 Control software flow chart

分布式磁致伸縮多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)裝置上層控制軟件在室內(nèi)做了模擬測(cè)試，其中測(cè)試試驗(yàn)中選擇磁致伸縮位移傳感器量程6 m，柔性測(cè)桿上掛載6個(gè)移動(dòng)磁環(huán)，采樣間隔為1 s，連續(xù)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行效果如圖5所示。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 野外應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

圖5 上層控制軟件運(yùn)行效果Fig.5 Control software runs renderings

固定磁致伸縮位移傳感器的傳感器頭于滑坡后緣穩(wěn)定體上，其柔性測(cè)桿順滑坡滑動(dòng)方向展開，以柔性測(cè)桿提高位移傳感器對(duì)坡面不規(guī)則的適應(yīng)性。監(jiān)測(cè)時(shí)在測(cè)桿上搭載多枚移動(dòng)磁環(huán)，移動(dòng)磁環(huán)嵌入于滑坡滑動(dòng)體上，不同磁環(huán)嵌入滑動(dòng)體上的不同滑動(dòng)面的多點(diǎn)位置，使之隨著滑動(dòng)體一起滑動(dòng)，當(dāng)滑坡某個(gè)滑動(dòng)面開始滑動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)嵌入的磁環(huán)移動(dòng)，磁致伸縮位移傳感器通過檢測(cè)套于其測(cè)桿上的磁環(huán)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)滑坡滑動(dòng)面的滑動(dòng)監(jiān)測(cè)，形成滑動(dòng)面多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方案示意如圖6所示。

圖6 多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)方案示意Fig.6 Multi-displacement monitoring programme schematic

3.2 云南大關(guān)監(jiān)測(cè)實(shí)例及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

云南省昭通市大關(guān)縣在云南省東北部烏蒙山區(qū)，地勢(shì)南北高、中間低，境內(nèi)地形地貌深受區(qū)域地層、構(gòu)造的控制，整個(gè)縣域地貌以峽谷山岳地形地貌為主[4]。大關(guān)縣地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡和崩塌，其次為泥石流、不穩(wěn)定斜坡等[5]。

分布式磁致伸縮多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)野外示范區(qū)選擇在大關(guān)縣城職業(yè)中學(xué)操場(chǎng)北端存在多級(jí)裂縫的擋土墻上，利用磁致伸縮位移傳感器柔性測(cè)桿的便利性，在擋土墻上實(shí)施了三級(jí)裂縫位移監(jiān)測(cè)。

由于連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，本文以2009年10月14日10 min內(nèi)的多級(jí)裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例對(duì)磁致伸縮多點(diǎn)裂縫位移監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 磁致伸縮多點(diǎn)裂縫位移監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Fig.7 Magnetostrictive multi crack displacement monitoring means for monitoring real-time data

數(shù)據(jù)圖表中“一級(jí)裂縫位移點(diǎn)”靠近裝置的頂端，安裝在擋土墻的頂端靠上位置；“三級(jí)裂縫位移點(diǎn)”位于擋土墻底端，即最明顯貫穿裂縫的底端；“二級(jí)裂縫位移點(diǎn)”居中。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況來看，三級(jí)裂縫位移值在開始階段減少，一級(jí)裂縫位移值在結(jié)束時(shí)間變大，二級(jí)裂縫位移值幾乎不變。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查驗(yàn)證，由于擋土墻底端根部當(dāng)?shù)匾炎黾庸坦こ讨ёo(hù)，造成底端相對(duì)穩(wěn)定，而擋土墻頂端在重力及整體蠕動(dòng)等作用下緩慢向下滑移，造成第三級(jí)裂縫的根部擠壓，位移值變小。擋土墻整體緩慢蠕動(dòng)，造成第一級(jí)裂縫位移值緩慢加大。第二級(jí)裂縫由于處于相對(duì)滑動(dòng)塊中間位置，相對(duì)位移量不大，數(shù)據(jù)保持不變，調(diào)查結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

4 結(jié)語

分布式磁致伸縮多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)裝置利用磁致伸縮位移傳感器的非接觸磁環(huán)作為滑動(dòng)體多級(jí)裂縫位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)滑坡、邊坡等地表多點(diǎn)裂縫位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其柔性測(cè)桿能較好適應(yīng)滑坡、邊坡等特殊地形，通過柔性測(cè)桿上的磁環(huán)檢測(cè)滑坡滑動(dòng)體的蠕變，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、大量程滑坡位移連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過在云南省大關(guān)縣職業(yè)中學(xué)進(jìn)行的野外測(cè)試試驗(yàn)，從試驗(yàn)效果來看，實(shí)現(xiàn)了擋土墻面的多級(jí)裂縫位移變化連續(xù)監(jiān)測(cè)。該裝置及其監(jiān)測(cè)方法為滑坡、邊坡等滑動(dòng)體的地表多點(diǎn)裂縫位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了一種有效的監(jiān)測(cè)措施與技術(shù)手段。

[1]代前國，周新志.大位移磁致伸縮傳感器的彈性波建模與分析[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（2）：195-196.

[2]向先波，徐國華.基于單片機(jī)的磁致伸縮位移傳感器數(shù)字化處理系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003（2）：93-94.

[3]陳明聰.基于磁致伸縮位移傳感器的船閘閘門控制系統(tǒng)[J].中國科技信息，2014，23：148-151.

[4]唐春，羅吉祥，汪梅.大關(guān)縣滑坡災(zāi)害發(fā)育特征及成因分析[J].中國水土保持，2009（7）：35-36.

[5]凌炳，余敏.滑坡災(zāi)害坡度坡向敏感性分析研究-以云南大關(guān)縣為例[J].城市地質(zhì)，2015，10（3）：66-68.