一種用于識別巖質邊坡滑移面的聲發射監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于識別巖質邊坡滑移面的聲發射監測方法，主要通過巖質邊坡內部布置波導桿陣列，埋入監測孔內的波導桿間隔3m用水泥砂漿充填0.1m，地表波導桿端部安裝聲發射傳感器，巖體內部破裂產生的聲發射信號傳到水泥砂漿充填部分，再傳遞到波導桿，波導桿端部的傳感器接收到此信號，最后通過無線傳輸設備把信號傳輸到室內無線接收基站，通過數據分析，能夠迅速地判斷出該信號在波導桿的位置，并標記圓圈，連接每根波導桿中圓圈最密集的點即可推斷滑移面的趨勢。本發明可省去大量傳統邊坡監測的工作量，實現邊坡的全天候自動記錄，不受氣候和天氣的影響，對邊坡的滑移趨勢做出可靠的定量評價。
【專利說明】
-種用于識別巖質邊坡滑移面的聲發射監測方法
技術領域
[0001] 本發明設及邊坡潛在滑移面監測方法，具體地說，設及一種用于識別巖質邊坡滑 移面的聲發射監測方法。
【背景技術】
[0002] 目前，邊坡失穩滑塌已成為山區道路交通、礦山、水電等領域的一大安全隱患。邊 坡失穩滑塌的產生并非發生在瞬間時間段內，而是經過一定時期不穩定性因素的積累，從 蠕動向失穩滑動發展。對各個時期的邊坡變形量、變形速率W及變形發展趨勢的連續監測， 是評價邊坡能否產生破壞性滑坡，從而及時地對邊坡進行安全處置的核屯、，而掌握潛在滑 移面的分布規律是邊坡失穩監測與邊坡防護的關鍵，因此，對邊坡潛在滑移面進行有效準 確的監測與預測是減輕滑坡災害損失、減少人員傷亡的最有效途徑。現階段，對邊坡潛在滑 移面監測的常規處理方法主要集中在四個方面：
[0003] 其一，位移監測技術
[0004] 運種方法主要是在穩定的地段建立測量基準點，在被測量的地段上設置若干個監 測點或設置有傳感器的監測點，用儀器定期監測測點的位移變化或用無線邊坡監測系統進 行監測，通過監測數據來推斷邊坡滑移面發展趨勢。目前，該方法中監測點的布置沒有明確 規范，即測點如何布置;其次，監測的位移量多大才會滑移也沒有公認的標準，故無法識別 其滑移面。比如伸長計監測技術中伸長計的安裝長度和角度沒有明確的規范，且伸長計測 量的相對位移無法判斷滑移面具體位置;測斜儀監測技術中鉆孔位置和深度的選擇沒有明 確的規范，測量的相對位移同樣無法判斷滑移面，且滑動方向預判不準確，得到的監測結果 將與實際情況相差較大;光學儀器監測技術和衛星定位系統監測技術可W監測大型滑坡體 的發展趨勢，但是不能夠監測到巖體深部的變化，更不能判斷滑移面。
[0005] 其二，應力監測技術
[0006] 應力監測技術主要是利用錯桿、錯索等作為加固手段，對所用的錯桿、錯索、主鋼 筋等進行應力監測，W便確定被加固巖質邊坡的穩定性及其加固效果。其次，也需利用應力 計、鋼筋計等儀器直接量測工程巖體±中某點的應力。但該方法中錯桿(索）、應力計的布置 沒有明確規范，大多根據現場勘探資料和工程師經驗來布設，且監測的應力值達到什么樣 的標準即可判斷巖質邊坡滑移，都沒有公認的標準，只能巖質邊坡當前所處的穩定狀態及 其發展趨勢提供依據，不能判斷其滑移面。比如錯桿(索)監測技術中沒有明確的規范說明 錯桿(索）的布置情況，且錯桿(索）的受力狀態只能反映巖體工程的支護效果及巖體所處的 穩定狀態。
[0007] 其Ξ，聲波監測技術
[000引運種方法主要是在邊坡布置監測網，通過埋設在測點的探頭來接收巖體內部產生 的彈性波或人工在巖體中激發的彈性波，最后分析研究接收的波動信息，來確定巖體的力 學特性，了解其內部缺陷。但該方法中監測網的布設沒有明確規范，即監測孔的間距、位置、 孔深的選擇主要根據地質資料和工程師經驗確定;其次，在分析聲波信號過程中，巖體失穩 的聲波信號特性參數指標達到什么樣的臨界值就可判斷其滑移，都沒有相應的標準，因此 該方法只能夠對巖體失穩破壞起到預報預警的作用，無法確定其滑移面位置。比如聲發射 監測技術中聲發射監測網布設沒有明確規范，巖體失穩聲發射指標臨界值也沒有相應標 準，只能對巖體進行失穩預報。
[0009] 其四，電磁法監測技術
[0010] 電磁法監測主要是向地下發射信號，通過地層界面反射后接收上來的反射信號， 對信號的特征參量進行分析，W來表明地層特征信息。但該方法中測線的布置沒有明確的 規范，其次，該方法探查滑動層或滑動帶的效果明顯，對于巖質邊坡滑移面中的裂隙和裂縫 無法判斷。

【發明內容】

[0011] 本發明的目的在于克服上述技術存在的缺陷，提供一種操作簡單、全天候監測、技 術適用強的用于識別巖質邊坡滑移面的聲發射監測方法，有效徹底解決了交通、礦山、水電 等邊坡失穩滑塌的安全隱患，避免了邊坡滑塌造成的巨大經濟損失，保障了交通、礦山、水 電等工程領域生產作業的安全。
[0012] 其具體技術方案為：
[0013] -種用于識別巖質邊坡滑移面的聲發射監測方法，包括W下步驟：
[0014] 步驟1:邊坡滑移面特征和參數的勘查與測繪
[0015] 按照《巖±工程勘查規范KGB5002)和《建筑邊坡工程技術規范KGB50330)確定邊 坡相關要素具體如下：
[0016] 確定潛在滑移面位置、厚度d(m)、滑移面傾斜長度l(m)、坡高h(m)內摩察角加權平 均值C Γ)、粘聚力加權平均值C化pa)及其與水平面的夾角α(°)，為下一步布置波導桿入± 長度提供依據。
[0017] 步驟2:在邊坡主滑移面布置波導桿列陣
[0018] 利用步驟1勘查、測繪確定波導桿的布置，其具體步驟如下：
[0019] 1)監測點鉆孔，鉆孔與邊坡坡頂表面垂直，孔徑40mm，深度為:4m-17m(根據不同地 質條件而定），孔壁要沖洗干凈；
[0020] 2)波導桿的選擇:采用圓鋼Q235A標準型，直徑20mm，重量2.47kg/m，彈性模量為 210E/GPa，泊松比為0.3，縱波衰減系數0.003化/VI，橫波衰減系數0.008化/VI，長度桿為山 = L?l+0.5 單位:米；
[0021] 3)確定波導桿的根數N:根據《巖±工程監測規范KYS5229-07)要求，監測點間距S 為：10m-30m，因不同的地質條件選擇不同的孔間距，即可確定波導桿根數N;
[0022] 4)波導桿與孔壁間充填灰砂比為1:4的水泥砂漿，密度為1600kg/m3,彈性模量為 20E/G化，泊松比為0.2，縱波衰減系數0.043化/VI，橫波衰減系數0.1化/VI;
[0023] 沿鉆孔底部開始，波導桿與孔壁間充填水泥砂漿，充填長度為0.1m，間隔3m充填一 次，依次充填到孔口，充填體底部用托盤定位，防止水泥砂漿掉落，同時起到對中作用，保證 波導桿在鉆孔中屯、位置，未充填部分內設長3m直徑40mm的PVC管保護孔壁；
[0024] 5)孔口用棉紗塞緊，防止外部噪音干擾，堵塞長度為0.1m;
[0025] 步驟3:聲發射傳感器的安裝
[00%]波導桿在地表露出ο. 5m，端部安裝縱波傳感器（型號:UT1000SN666)，并用橡膠保 護蓋罩住傳感器部分，前置放大器采用AE2A型號；
[0027]步驟4:建立信號采集基站
[00%] 放大器連接到Sensor化曲way II監測系統，該系統由太陽能蓄電池供電，并在邊 坡穩固部位建立信號采集基站。具體布置見圖3。
[0029] 步驟5:信號采集
[0030] 在初始變形階段，工作人員每周到無線接收基站采集一次數據;在恒定變形階段， 每兩天到無線接收基站采集一次數據;在加速變形階段，每2小時到無線接收基站采集一次 數據。
[0031] 步驟6:分析處理信號
[0032] 1)波速分析:波在波導桿中傳播時，滿足式(1)，
[0033]
(1)
[0034] 式中；
[0035] μ為位移矢量；
[0036] ▽為梯度算子；
[0037] 爐為Ξ維拉普拉斯算子；
[003引 為體積應變；
[0039] λ和μ為材料的拉梅常數；
[0040] Ρ為材料的密度。
[0041 ]由室內實驗測得，導波在直徑為20mm的圓鋼Q235A中傳播時頻率與波速的關系； [0042] 2)波導桿中信號定位
[00創假設：
[0044] L-是某一信號在波導桿中傳播的距離;如圖5;
[0045] 化1-分別是某頻率的信號在錯固層波導桿化1)、波導桿化2)中的速度；
[0046] 化2-分別是另一頻率的信號在錯固層化1)、波導桿化2)中的速度；
[0047] ti、t2-分別是兩個不同頻率的波到達波導桿端面傳感器的時間；
[004引 At-同一信號中不同頻帶的波到傳感器的時間差(在時頻圖中找出）。
[0049] 波導桿中的速度、由實驗得出或者根據波導桿群速度頻散曲線得出。
[0050] 根據兩個不同頻帶的波的傳播距離相同，得
[0化1 ]
[0化2] 由上式可求出L。
[0053]通過MATLAB軟件對所有信號進行小波時頻分析，把信號在相平面中進行不同尺度 的分解，根據同一個信號中不同頻率信號到達傳感器的時間差At,同一信號由不同單一頻 率的信號組成，選取兩個不同頻率信號，即可找出時間差At。
[0054] 由式(2)即可求出每個信號在波導桿中的相對位置，并標記圓圈，相同位置的圓圈 向波導桿一側移0.1mm;
[0055] 最后在波導桿周圍形成很多密集的圓圈，連接每根波導桿中圓圈最密集的點，即 可推斷滑移面發展趨勢；
[0056] 步驟7:繪制完整滑移面位置
[0057] 由步驟6得出波導桿陣列中每根波導桿中圓圈最密集的點，結合坡面角、坡高，繪 制邊坡整個潛在滑移面。
[005引步驟:8:邊坡穩定性評價
[0059] 沿滑移面，在水平軸方向取一定距離對滑體進行垂直均勻等距離分條，W每段巖 體對應圓弧的中點作為條塊各力作用的合力作用點，其切線角為分條滑移面傾角，運用極 限平衡分析法對邊坡所處穩定狀態進行評價。
[0060] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0061] 本發明主要通過巖質邊坡內部布置波導桿陣列，埋入監測孔內的波導桿間隔3m用 水泥砂漿充填0.1m，地表波導桿端部安裝聲發射傳感器，巖體內部破裂產生的聲發射信號 傳到水泥砂漿充填部分，再傳遞到波導桿，波導桿端部的傳感器接收到此信號，最后通過無 線傳輸設備把信號傳輸到室內無線接收基站，通過數據分析，能夠迅速地判斷出該信號在 波導桿的位置，并標記圓圈，連接每根波導桿中圓圈最密集的點即可推斷滑移面的趨勢。本 發明可省去大量傳統邊坡監測的工作量，實現邊坡的全天候自動記錄，不受氣候和天氣的 影響，對邊坡的滑移趨勢做出可靠的定量評價。
【附圖說明】
[0062] 圖1是波導桿安裝示意圖，其中1橡膠保護罩，2聲發射傳感器，3棉紗，4水泥砂 漿，5巖石，6波導桿，7塑料管，8托盤；
[0063] 圖2是邊坡波導桿陣列剖面圖，其中，9 Sensor Hi曲way II監測系統，5巖石，10 波導桿陣列；
[0064] 圖3是Sensor Hi曲way II監測系統的布置，其中，9 Sensor Hi曲way II監測系 統，5巖質邊坡，11電纜線，2傳感器；
[0065] 圖4是純波導桿模態曲線；
[0066] 圖5是信號定位，其中，4水泥砂漿，6波導桿，14信號源；
[0067] 圖6是時域與時頻圖；
[0068] 圖7是信號定位標記，其中，2傳感器，3棉紗，4水泥砂漿，6波導桿，12信號定 位標記；
[0069] 圖8是波導桿陣列信號定位標記；
[0070] 圖9是繪制完整滑移面，其中，9 Sensor化曲way II監測系統，13潛在滑移面發 展趨勢，5邊坡。
【具體實施方式】
[0071] 為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結 合附圖和具體實例進一步闡述本發明。
[0072] ①邊坡滑移面特征和參數的勘查與測繪
[0073] 按照《巖±工程勘查規范KGB5002)和《建筑邊坡工程技術規范KGB50330)確定邊 坡相關要素具體如下：
[0074] 確定潛在滑移面位置、厚度d(m)、滑移面傾斜長度l(m)、坡高h(m)內摩察角加權平 均值(°)、粘聚力加權平均值C化pa)及其與水平面的夾角η，為下一步布置波導桿入±長 度提供依據。
[0075] ②在邊坡主滑移面布置波導桿列陣
[0076] 利用第一步勘查、測繪確定波導桿的布置，其具體步驟如下：
[0077] 1)監測點鉆孔，鉆孔與邊坡坡頂表面垂直，孔徑40mm，深度為:4m-17m(根據不同地 質條件而定），孔壁要沖洗干凈；
[0078] 2)波導桿的選擇:采用圓鋼Q235A標準型，直徑20mm，重量2.47kg/m，彈性模量為 210E/GPa，泊松比為0.3，縱波衰減系數0.003化/VI，橫波衰減系數0.008化/VI，長度桿為山 = L?l+0.5 單位:米；
[0079] 3)確定波導桿的根數N:根據《巖±工程監測規范KYS5229-07)要求，監測點間距S 為：10m-30m，因不同的地質條件選擇不同的孔間距，即可確定波導桿根數N;
[0080] 4)波導桿與孔壁間充填灰砂比為1:4的水泥砂漿，密度為1600kg/m3,彈性模量為 20E/G化，泊松比為0.2，縱波衰減系數0.043化/VI，橫波衰減系數0.1化/VI。
[0081] 沿鉆孔底部開始，波導桿與孔壁間充填水泥砂漿，充填長度為0.1m，間隔3m充填一 次，依次充填到孔口，充填體底部用托盤定位，防止水泥砂漿掉落，同時起到對中作用，保證 波導桿在鉆孔中屯、位置，未充填部分內設長3m直徑40mm的PVC管保護孔壁，見圖1，邊坡布置 波導桿列陣剖面圖見圖2所示。
[0082] 5)孔口用棉紗塞緊，防止外部噪音干擾，堵塞長度為0.1m。
[0083] ③聲發射傳感器的安裝
[0084] 波導桿在地表露出0.5m，端部安裝縱波傳感器(型號:UT1000 SN666)，并用橡膠保 護蓋罩住傳感器部分。前置放大器采用AE2A型號。
[0085] ④建立信號采集基站
[0086] 放大器連接到Sensor化曲way II監測系統，該系統由太陽能蓄電池供電，并在邊 坡穩固部位建立信號采集基站。具體布置見圖3。
[0087] ⑤信號采集
[0088] 在初始變形階段，工作人員每周到無線接收基站采集一次數據;在恒定變形階段， 每兩天到無線接收基站采集一次數據;在加速變形階段，每2小時到無線接收基站采集一次 數據。
[0089]⑥分析處理信號
[0090] 1)波速分析:波在波導桿中傳播時，滿足式(1)，
[0091]
(1)
[0092] 式中；
[0093] μ為位移矢量；
[0094] ▽為梯度算子；
[00巧]廬為Ξ維拉普拉斯算子；
[0096] 而I.為體積應變；
[0097] λ和μ為材料的拉梅常數；
[009引Ρ為材料的密度。
[0099] 由室內實驗測得，導波在直徑為20mm的圓鋼Q235A中傳播時頻率與波速的關系如 圖4所示。
[0100] 2)波導桿中信號定位
[0101] 假設：
[0102] L-是某一信號在波導桿中傳播的距離;如圖5;
[0103] 化1-分別是某頻率的信號在錯固層波導桿化1)、波導桿化2)中的速度；
[0104] 化2-分別是另一頻率的信號在錯固層化1)、波導桿化2)中的速度；
[0105] ti、t2-分別是兩個不同頻率的波到達波導桿端面傳感器的時間；
[0106] At-同一信號中不同頻帶的波到傳感器的時間差(在時頻圖中找出）。
[0107] 波導桿中的速度、由實驗得出或者根據波導桿群速度頻散曲線得出。
[0108] 根據兩個不同頻帶的波的傳播距離相同，得
[0109]
(2)
[0110] 由上式可求出L。
[0111] 通過MATLAB軟件對所有信號進行小波時頻分析，把信號在相平面中進行不同尺度 的分解，根據同一個信號中不同頻率信號到達傳感器的時間差At,如圖6所示，同一信號由 不同單一頻率的信號組成，選取兩個不同頻率信號，即可找出時間差At。
[0112] 由式(2)即可求出每個信號在波導桿中的相對位置，并標記圓圈，相同位置的圓圈 向波導桿一側移0.1mm，見圖7。
[0113] 最后在波導桿周圍形成很多密集的圓圈，連接每根波導桿中圓圈最密集的點，即 可推斷滑移面發展趨勢，見圖8。
[0114] ⑦繪制完整滑移面位置
[0115] 由第六步得出波導桿陣列中每根波導桿中圓圈最密集的點，結合坡面角、坡高，繪 制邊坡整個潛在滑移面，見圖9。
[0116] ⑧邊坡穩定性評價
[0117] 沿滑移面，在水平軸方向取一定距離對滑體進行垂直均勻等距離分條，W每段巖 體對應圓弧的中點作為條塊各力作用的合力作用點，其切線角為分條滑移面傾角，運用極 限平衡分析法對邊坡所處穩定狀態進行評價。
[0118] W上所述，僅為本發明最佳實施方式，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明 披露的技術范圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的 保護范圍內。
【主權項】
1. 一種用于識別巖質邊坡滑移面的聲發射監測方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1:邊坡滑移面特征和參數的勘查與測繪 按照《巖±工程勘查規范KGB5002)和《建筑邊坡工程技術規范KGB50330)確定邊坡相 關要素具體如下： 確定潛在滑移面位置、厚度d(m)、滑移面傾斜長度l(m)、坡高h(m)內摩察角加權平均值 C (°)、粘聚力加權平均值C化pa)及其與水平面的夾角α(°)，為下一步布置波導桿入±長度 提供依據； 步驟2:在邊坡主滑移面布置波導桿列陣 利用步驟1勘查、測繪確定波導桿的布置，其具體步驟如下： 1) 監測點鉆孔，鉆孔與邊坡坡頂表面垂直，孔徑40mm，深度為：4m-17m，孔壁要沖洗干 凈； 2) 波導桿的選擇:采用圓鋼Q235A標準型，直徑20mm，重量2.47kg/m，彈性模量為210E/ GPa，泊松比為0.3，縱波衰減系數0.003化/VI，橫波衰減系數0.008化/VI，長度桿為山=L?L+ 0.5單位:米； 3) 確定波導桿的根數N:根據《巖±工程監測規范》要求，監測點間距S為：10m-30m，因不 同的地質條件選擇不同的孔間距，即確定波導桿根數N; 4) 波導桿與孔壁間充填灰砂比為1:4的水泥砂漿，密度為1600kg/m3,彈性模量為20E/ GPa，泊松比為0.2，縱波衰減系數0.043化/VI，橫波衰減系數0.1化/VI; 沿鉆孔底部開始，波導桿與孔壁間充填水泥砂漿，充填長度為0.1 m，間隔3m充填一次， 依次充填到孔口，充填體底部用托盤定位，防止水泥砂漿掉落，同時起到對中作用，保證波 導桿在鉆孔中屯、位置，未充填部分內設長3m直徑40mm的PVC管保護孔壁； 6巧L 口用棉紗塞緊，防止外部噪音干擾，堵塞長度為0.1 m; 步驟3:聲發射傳感器的安裝 波導桿在地表露出0.5m，端部安裝縱波傳感器，型號:UT1000SN666,并用橡膠保護蓋罩 住傳感器部分，前置放大器采用AE2A型號； 步驟4:建立信號采集基站 放大器連接到Sensor Highway II監測系統，該系統由太陽能蓄電池供電，并在邊坡穩 固部位建立信號采集基站； 步驟5:信號采集 在初始變形階段，工作人員每周到無線接收基站采集一次數據;在恒定變形階段，每兩 天到無線接收基站采集一次數據；在加速變形階段，每2小時到無線接收基站采集一次數 據； 步驟6:分析處理信號 1)波速分析:波在波導桿中傳播時，滿足式(1)，(1) 式中： μ為位移矢量； ▽為梯度算子； 護為Ξ維拉普拉斯算子； 7u為體積應變； λ和μ為材料的拉梅常數； Ρ為材料的密度； 由室內實驗測得，導波在直徑為20mm的圓鋼Q235A中傳播時頻率與波速的關系； 2)波導桿中信號定位 假設： L-是某一信號在波導桿中傳播的距離； Vbi-分別是某頻率的信號在錯固層波導桿Li、波導桿L2中的速度； Vb2-分別是另一頻率的信號在錯固層。、波導桿L2中的速度； t4、t2-分別是兩個不同頻率的波到達波導桿端面傳感器的時間； At-同一信號中不同頻帶的波到傳感器的時間差； 波導桿中的速度、由實驗得出或者根據波導桿群速度頻散曲線得出； 根據兩個不同頻帶的波的傳播距離相同，得(2) 由上式求出L 通過MATLAB軟件對所有信號進行小波時頻分析，把信號在相平面中進行不同尺度的分 解，根據同一個信號中不同頻率信號到達傳感器的時間差At,同一信號由不同單一頻率的 信號組成，選取兩個不同頻率信號，即找出時間差A t; 由式(2)即求出每個信號在波導桿中的相對位置，并標記圓圈，相同位置的圓圈向波導 桿一側移0.1mm; 最后在波導桿周圍形成很多密集的圓圈，連接每根波導桿中圓圈最密集的點，即可推 斷滑移面發展趨勢； 步驟7:繪制完整滑移面位置 由步驟6得出波導桿陣列中每根波導桿中圓圈最密集的點，結合坡面角、坡高，繪制邊 坡整個潛在滑移面； 步驟:8:邊坡穩定性評價 沿滑移面，在水平軸方向取一定距離對滑體進行垂直均勻等距離分條，W每段巖體對 應圓弧的中點作為條塊各力作用的合力作用點，其切線角為分條滑移面傾角，運用極限平 衡分析法對邊坡所處穩定狀態進行評價。
【文檔編號】E02D33/00GK105971027SQ201610380233
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】趙奎, 何文, 王曉軍, 許振華, 李海港, 李國平, 李剛
【申請人】江西理工大學