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        山區(qū)公路滑坡實時遠程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

        2017-04-26 21:59:23焦盼飛
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年8期
        關(guān)鍵詞:預(yù)警

        焦盼飛

        摘 要:利用精度為1mm的拉索式位移計和精度為0.1mm的雨量計測量公路邊坡的表面位移和降雨量,并將測量數(shù)據(jù)通過GPRS系統(tǒng)傳送到遠程計算機,以實現(xiàn)公路滑坡的實時遠程監(jiān)控和預(yù)警。同時采用太陽能供電設(shè)備為整個系統(tǒng)提供電力。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟、節(jié)能、自動化、高效等優(yōu)點。

        關(guān)鍵詞:公路滑坡;實時遠程監(jiān)控;預(yù)警

        引言

        中國山區(qū)面積是全國面積的69%。公路滑坡是山區(qū)最常見的自然災(zāi)害。公路滑坡造成交通堵塞,人員傷亡,經(jīng)濟損失和環(huán)境破壞。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,遠程監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)被開發(fā)并應(yīng)用于水電站,采礦和隧道。但在公路工程中并不常用。實際上,公路邊坡的特點是沿路分布,區(qū)間長,規(guī)模小,數(shù)量多并且缺乏統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這就導(dǎo)致了監(jiān)控成本高,預(yù)警困難。目前,常用的檢測方法依舊是手動操作,不能夠在糟糕的環(huán)境和氣候條件中獲取數(shù)據(jù)。盡管GPS可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控,但精度只有3-5mm。

        本文介紹一種遠程監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng),硬件系統(tǒng)是由位移計,網(wǎng)格雨量計,數(shù)據(jù)采集和傳輸單元,太陽能供電設(shè)備集成。本文介紹的實時遠程監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)具有低成本,節(jié)能,自動化程度高,高效的優(yōu)點。

        1 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

        該系統(tǒng)主要包括位移計、雨量計、數(shù)據(jù)采集和傳輸單元。數(shù)據(jù)傳輸主要基于GPRS系統(tǒng)實現(xiàn)。GPRS是一種基于全球移動通信系統(tǒng)的無線分組交換服務(wù)系統(tǒng)。它可以提供點對點,廣域無線互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接。在GSM覆蓋的任何地方,GPRS可用于提供強大的便捷的數(shù)據(jù)傳輸方案。

        數(shù)據(jù)收集器從觸發(fā)式位移計和網(wǎng)格雨量計采集數(shù)據(jù),并輸送數(shù)據(jù)到GPRS模塊,該模塊負責將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換并傳輸至GPRS無線基站。通過數(shù)據(jù)接收軟件,監(jiān)測和控制中心的服務(wù)器可以從互聯(lián)網(wǎng)實時接收數(shù)據(jù),并且儲存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫,以供數(shù)據(jù)管理、查詢、分析和網(wǎng)絡(luò)共享。

        1.1 拉索式位移計

        拉索式位移計是用來測量待測點與相對固定點之間的相對位移。測量精度為1mm,測量范圍為400mm。當拉索超過1mm,將觸發(fā)脈沖信號并發(fā)送到發(fā)射機。短距離無線通信功能可以在數(shù)米距離不用電纜。通常對于一個滑坡而言,若干位移計需要監(jiān)測不同位置的位移。為了方便聯(lián)網(wǎng)工作,在發(fā)射器和接收器之間設(shè)立短距離的無線通信裝置。接收器可以同時從8個發(fā)射器接收無線信號,然后發(fā)送到具有標準通信接口RS-232的收集器。

        1.2 網(wǎng)格式雨量計

        高精度的網(wǎng)格式位移傳感器被用于網(wǎng)格式雨量計,可以將分辨率和測量精度分別提高到0.01mm和0.1mm。在水容器中兩個電動閥門可以自動控制雨量的進入和排出。并且這種設(shè)計可以防止雨量的流失,即使在暴雨天氣下。這種雨量流失常發(fā)生在虹吸和桶狀雨量器。

        1.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸單元

        數(shù)據(jù)采集和傳輸單元是由數(shù)據(jù)采集器,GPS模塊和太陽能供應(yīng)設(shè)備組成。數(shù)據(jù)采集器從不同的傳感器收集數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相同的格式然后發(fā)送到GPRS模塊。接通電源后將準備好的域名錄在GPRS模塊并與域名系統(tǒng)服務(wù)器聯(lián)系,并找到監(jiān)控中心的IP地址,然后無線通信就可以建立了。

        在陽光充足的天氣,太陽能電池板可以為蓄電池充電,為整個系統(tǒng)提供電力。在沒有陽光的陰天,蓄電池可以支持系統(tǒng)持續(xù)工作大約20天。

        2 監(jiān)測預(yù)警方法

        2.1 位移預(yù)測

        系統(tǒng)提供平滑模型進行監(jiān)控數(shù)據(jù)預(yù)處理,灰色動態(tài)模型和Verhulst反函數(shù)模型做短期預(yù)測,利用最小二乘擬合模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型做中長期預(yù)測。

        當數(shù)據(jù)達到預(yù)先設(shè)定的臨界值時,監(jiān)測點將閃爍四種顏色:藍色、橙色、黃色和紅色,分別對應(yīng)著四種預(yù)警級別。同時,預(yù)警的短消息會自動發(fā)送到目標手機。

        2.2 位移預(yù)警方法

        對于大多數(shù)山區(qū)公路滑坡,由于缺乏計算參數(shù),比如力學(xué)參數(shù),滲透系數(shù)和水土特征曲線,將給穩(wěn)定性分析計算造成困難。本文提出一種簡化的方法。首先,邊坡機械參數(shù)的不同組合E、C、?準(變形模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力)被設(shè)計在合適的范圍內(nèi)。然后運用有限元分析軟件PLAXIS對邊坡進行強度折減分析和塑性分析。最后根據(jù)計算結(jié)果,建立邊坡安全系數(shù)與表面位移的關(guān)系,然后可以提出相應(yīng)的位移預(yù)警臨界值。

        3 實際工程應(yīng)用

        實時遠程監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于陜西省漢中市G210楊家河段滑坡監(jiān)測中。2015年6月1日,在該路段邊坡上安裝了7個拉索觸發(fā)式位移計和一個網(wǎng)格式雨量計來監(jiān)控位移和降雨量。

        根據(jù)上文提到的位移預(yù)警方法,通過數(shù)值計算不同參數(shù)組合,建立了表面位移和安全系數(shù)的關(guān)系。如圖1。A、B、C、D點是曲線的轉(zhuǎn)折點,并且可以作為預(yù)警點。從六月一日到現(xiàn)在,最大的監(jiān)測位移是2mm,這就意味著滑坡是低風險。

        2015年6月末,該地區(qū)遭到暴雨襲擊。該系統(tǒng)監(jiān)測到位移和降雨量數(shù)據(jù)。雖然每天的最大降雨量達到80mm,最大有效降雨量達到110mm,位移沒有任何改變,這就意味著邊坡在暴雨下是穩(wěn)定的。

        4 結(jié)束語

        本文提出的實施遠程監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)在山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中具有低成本,節(jié)能,自動化程度高,效率高的優(yōu)點。該系統(tǒng)具有邊坡三維地質(zhì)建模與可視化,數(shù)據(jù)查詢和繪圖,穩(wěn)定性計算,位移預(yù)測,實時預(yù)警的功能。工程應(yīng)用表明,該系統(tǒng)是成功的,它可以為公路運輸提供安全保障,并減少環(huán)境破壞。

        參考文獻

        [1]文海家,張永興,柳源.滑坡預(yù)報國內(nèi)外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2004,15(1):1-4.

        [2]張勇慧,李紅旭.基于表面位移的公路滑坡監(jiān)測預(yù)警研究[J].巖土力學(xué),2010,31(11):3671-3677.

        [3]高華喜,殷坤龍.降雨與滑坡災(zāi)害相關(guān)性分析及預(yù)警預(yù)報閾值之探討[J].巖土力學(xué),2007,28(5):1055-1060.

        [4]張衛(wèi)中,尹光志,等.失穩(wěn)路塹邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2008,17(3):69-74.

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