高填方变形无线远程综合监测系统及安装监测方法

高填方变形无线远程综合监测系统及安装监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高填方变形监测领域，特别是一种高填方变形无线远程综合监测系统 及安装监测方法。
【背景技术】
[0002] 在"18亿亩耕地"不能触碰的红线下，山区城镇化建设和"一带一路"战略实施所需 求的建设用地，大多通过削山填沟造地的方式来解决，削山填沟即会产生大量的高填方地 基和高填方边坡。如山西吕梁机场最大填方81. 9m，四川九黄机场最大填筑高度达102m的 高填方机场工程；另外，十堰、兰州和延安都正在进行大规模的平山造地工程，2012年开始 兰州新区平整土地约25km2,延安一期工程(北区)造地10. 5km2,最大填土厚度105m，是目前 世界上黄土地区规模最大的填方工程。这些高填方工程均存在不均匀沉降或侧向变形，其 原因复杂：①山区和丘陵地区，地形高差大、工程地质条件与水文地质条件复杂；②高填方 地基土石方量大，工期长，不均匀沉降和工后沉降难以控制；③高填方工程在建设过程中， 会产生大量新的挖、填方高边坡；④高填方施工均会破坏原始地形，改变地表水径流及地下 水渗流路径，造成土体强度变化，严重时引发填方湿化变形或滑坡等灾害。时有发生的高填 方边坡滑塌灾害不断挑战着削山填沟造地战略的科学性，如宜昌三峡机场滑坡、云南丽江 机场滑坡、贵州某机场滑坡、九黄机场滑坡、攀枝花机场多次滑坡等均造成了重大生命财产 损失或严重社会影响；因此需要进行综合监测。
[0003] 截至目前，有关高填方的专门技术规范尚未形成，高填方设计和施工均处于初级 的经验积累阶段。因为设计方法不成熟，高填方施工过程中，工程师们常采用所谓的信息化 施工技术，即通过人工频繁的变形观测监控施工过程（目前高填方常规监测项目及监测方 法见表1 )，并及时将观测成果反馈，供决策者调整设计和施工时参考，但这只能依赖于工程 师们的经验判断，而且，上述信息化施工技术多显得盲目与被动。如表1中高填方表面变形 监测和内部变形的水平位移监测方法均过于传统，且测量干扰因素多、误差大、耗时费力、 无法达到实时监测；内部变形的分层沉降监测的仪器施工不便、埋设沉降管的部位不便进 行压实施工作业、强夯或冲击碾压施工易破坏；地下水监测一般只监测水位，高填方施工过 程和工后的含水量、孔隙水压力及土压力变化未见综合监测实例。因此，高填方变形设计与 施工经验不足，事故多发。
[0004] 表1高填方常规监测项目及监测方法
解决此问题最有效的途径就是开发一种新的监测系统，伴随施工过程和工后对高填方 进行综合实时原位监测，其中高填方地基主要监测分层沉降与总沉降、土压力、孔隙水压力 及含水量时空变化；高填方边坡主要监测坡顶沉降、深层水平位移、坡体内部孔隙水压力时 空变化。本系统的安装实施可真正实现信息化设计和施工，有效减少高填方施工过程或工 后沉降，对高填方边坡变形及地下水环境改变等可能引发的地质灾害提前预警，且具有重 要的社会和经济效益。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是提供一种高填方变形无线远程综合监测系统及安装监测方法。
[0006] 本发明是高填方变形无线远程综合监测系统及安装监测方法，高填方变形无线远 程综合监测系统，由传感器系统1、数据采集系统9、无线传输系统13和数据管理分析系统 17构成，高填方施工过程中和工后的多种信息能通过传感器系统1和数据采集系统9采集、 存储数据，经过无线传输系统13将数据信号传递到监测单位上网电脑21的数据管理分析 系统17 ; 传感器系统1包括监测高填方地基27总沉降和分层沉降的单点沉降计2、监测高填方 地基27不同填高土层土压力的土压力盒5、监测高填方地基27不同填高土层内孔隙水压力 的孔隙水压力计6、监测高填方地基27不同填高土体内含水量的土壤湿度传感器7和监测 高填方边坡28不同填高坡体内孔隙水压力的孔隙水压力计6、监测高填方边坡28不同填高 坡体深层水平位移的测斜仪8 ;各传感器伴随填土施工埋设到设计点位，通过测试导线3与 数据采集系统9连接，埋设测试导线3前套上PVC钢丝软管4 ; 数据采集系统9依据接入各传感器信号传输的不同有A型数据采集模块10和I型数 据采集模块11，二者通过太阳能供电设备12供电；其中单点沉降计2、土压力盒5和孔隙水 压力计6属于智能型弦式传感器，用A型数据采集模块10采集数据；测斜仪8输出电压信 号，用I型数据采集模块11采集数据，土壤湿度传感器7输出电流信号，根据其软件通讯协 议，添加高精密电阻后，将电流信号转变为电压信号，接入I型数据采集模块11采集数据； 数据采集系统9的各采集模块用测试导线3串联； 无线传输系统13包括DTU手机上网模块14、GRPS无线数据互联网15和DNS域名解析 16 ;其中域名服务商提供的域名设置到现场的DTU手机上网模块14中，通过太阳能供电设 备12供电，用户电脑在现场或远程通过域名服务商提供的登录软件，建立使用者电脑的IP 与域名联系；现场DTU手机上网模块14通过GRPS无线数据互联网15上网，经DNS域名解 析16找到与该域名对应的IP地址，实现传感器采集的数据无线远程传输； 数据管理分析系统17包括DSC无线数据系统18、UDP联系19和数据库20 ;其中DSC无 线数据系统18在使用者的上网电脑上安装，利用GRPS无线数据互联网15的互联网功能， 通过约定域名的方式，建立DTU手机上网模块14与上网电脑之间的UDP联系19,采集积累 数据、形成数据库20。
[0007] 高填方变形无线远程综合监测系统的安装监测方法，其所包含的步骤如下： A、传感器系统1埋设安装： (1)单点沉降计2埋设安装： ①原地基平整、清理后，根据监测方案确定测试点并钻孔，孔径在90mm~127mm之间，钻 孔铅垂，孔深达到基岩； ② 根据孔深计算出所需加长杆的长度，并配齐加长杆接头； ③ 将底层锚头、PVC管、拉杆等底层锚固组件与一节加长杆相连接，然后往PVC管内注 满混凝土浆； ④ 将尼龙绳一端与PVC管上麻绳相连，绳长至少比孔深长3m; ⑤ 将灌好浆的锚固组件插入孔内，下放至孔口处连接下一节加长杆，继续插入孔内并 连接下一节加长杆，直至将所有加长杆连接完后最后连接单点沉降计； ⑥ 用力压安装压杆，直到把底层锚头压至基岩为止； ⑦ 底层锚头安装到位后，用力拉尼龙绳，PVC管被拉出孔底，混凝土浆沉入孔底，锚固底 层锚头，然后剪断尼龙绳； ⑧ 用综合测试仪对单点沉降计2进行全程监控，保证单点沉降计2处于最大量程的状 态； ⑨ 用沙子回填，压实； ⑩ 装好单点沉降计2后，将测试导线3套上PVC钢丝软管4,挖槽引出至高填方坡脚处， 待下一步施工； 伴随高填方施工的进行，在不同设计标高处安装多个单点沉降计2,并将测试导线3套 上PVC钢丝软管4,挖槽引出至高填方坡面处，待下一步施工；如此，即可实时监测高填方地 基27施工过程和工后不同填高土体处的分层沉降和总沉降； (2) 土压力盒5埋设安装： ① 原地基平整、清理后，根据监测方案确定测试点并挖孔，挖孔深约40cm，孔径不小于 30cm； ② 土压力盒5承压膜面朝上放入孔内，底部填入10cm深中砂压实垫平，用水平尺控制 将土压力盒5安装水平； ③ 在其周围覆盖30cm厚的中砂，压实； ④ 土压力盒5的测试导线3套上PVC钢丝软管4进行保护，挖槽引出至高填方坡脚处， 待下一步施工； 伴随高填方施工的进行，在不同设计标高处安装多个土压力盒5,并将测试导线3套上PVC钢丝软管4,挖槽引出至高填方坡面处，待下一步施工；如此，即可实时监测高填方地基 27施工过程和工后不同填高土体处所受压力； (3) 孔隙水压力计6埋设安装： ① 原地基平整、清理后，根据监测方案确定测试点并挖孔，挖孔深约40cm，孔径不小于 20cm； ② 孔隙水压力计6竖直放入孔内，底部填入5cm深中砂压实垫平，在其周围用中砂填 满、压实； ③ 孔隙水压力计6的测试导线3套上PVC钢丝软管4进行保护，挖槽引出至高填方坡 脚处，待下一步施工； 伴随高填方施工的进行，在高填方地基和高填方边坡不同设计标高处分别安装多个孔 隙水压力计6,并将测试导线3套上PVC钢丝软管4,前者挖槽引出至高填方坡面处，后者在 高填方边坡平台上适当保护，待下一步施工；如此，即可实时监测高填方施工过程和工后不 同填高处地基和边坡内部土体孔隙水压力的大小； (4) 土壤湿度传感器7埋设安装： ① 原地基平整、清理后，根据监测方案确定测试点并挖孔，挖孔深约40cm，孔径不小于 20cm； ② 用填料制作泥浆，土壤湿度传感器7竖直插入孔内，底部填入5cm深中砂压实垫平， 在其周围用泥浆填满； ③ 土壤湿度传感器7的测试导线3套上PVC钢丝软管4进行保护，挖槽引出至高填方 坡脚处，待下一步施工； 伴随高填方施工的进行，在不同设计标高处安装多个土壤湿度传感器7,并将测试导线 3套上PVC钢丝软管4,挖槽引出至高填方坡面处，待下一步施工；如此，即可实时监测高填 方地基27施工过程和工后不同填高土体处含水量的大小； (5) 测斜仪8埋设安装： ① 高填方边坡施工至设计标高处后，将平台平整、清理后，根据监测方案确定测试点并 钻孔，孔径在127mm左右，钻孔铅垂，孔深达到基岩； ② 根据实际孔深，把测斜管一节一节连接起来、放入孔内，节与节需连紧，用土工布缠 绕2~3圈把接头部分全部包裹，最后在土工布两端用塑料扎带或细铁丝扎牢，防止泥沙等 异物从接头部位进入管内； ③ 根据孔深和滑动式倾角综合探头自身长度计算出所需加长杆的长度，并配齐加长杆 万向接头； ④ 采用万向接头和加长杆将滑动式倾角综合探头连接，下放至孔口处连接下一节加长 杆，继续插入孔内并连接下一节加长杆和滑动式倾角综合探头，直至将所有滑动式倾角综 合探头连接下放完后，将其固定在管口处，并将管口包裹严实； ⑤ 测斜仪8的测试导线3套上PVC钢丝软管4进行保护，在高填方边坡28平台上挖槽 适当保护，待下一步施工； 伴随高填方施工的进行，在高填方边坡不同设计标高处分别安装测斜仪8,并将测试导 线3套上PVC钢丝软管4,后者在高填方边坡平台上适当保护，待下一步施工；如此，即可实 时监测高填方施工过程和工后不同填高处边坡内部土体侧向位移的大小； B、数据采集系统9设计与安装： 单点沉降计2、土压力盒5和孔隙水压力计6属于智能型弦式传感器，用A型数据采集 模块10采集数据，根据接入测试导线3线路个数的多少，选择1A、8A、16A和32A四种A型 数据采集模块10进行组合，组合模块的总通道数等于或略大于传感器个数；测斜仪8输出 电压信号，用I型数据采集模块11采集数据，土壤湿度传感器7输出电流信号，根据其软件 通讯协议，添加高精密电阻后，电流信号转变为电压信号，可接入I型数据采集模块11实现 实时无线远程监测，根据接入测试导线3线路个数的多少，选择11、81、161和321四种I型 数据采集模块11进行组合，组合模块的总通道数等于或略大于传感器个数； 根据不同填方高度处埋设传感器的个数，考虑A型数据采集模块10和I型数据采集模 块11的布设位置及个数，同时使得各传感器接入采集模块的测试导线3最短、施工过程中 采集数据最大化；采集模块具体安装步骤如下： ①根据现场实际情况，确定数据采集系统埋入地下或固定在适合位置，修筑若干附属 构筑物，分别安装A型数据采集模块10或I型数据采集模块1