一种用于识别岩质边坡滑移面的声发射监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于识别岩质边坡滑移面的声发射监测方法，主要通过岩质边坡内部布置波导杆阵列，埋入监测孔内的波导杆间隔3m用水泥砂浆充填0.1m，地表波导杆端部安装声发射传感器，岩体内部破裂产生的声发射信号传到水泥砂浆充填部分，再传递到波导杆，波导杆端部的传感器接收到此信号，最后通过无线传输设备把信号传输到室内无线接收基站，通过数据分析，能够迅速地判断出该信号在波导杆的位置，并标记圆圈，连接每根波导杆中圆圈最密集的点即可推断滑移面的趋势。本发明可省去大量传统边坡监测的工作量，实现边坡的全天候自动记录，不受气候和天气的影响，对边坡的滑移趋势做出可靠的定量评价。
【专利说明】
-种用于识别岩质边坡滑移面的声发射监测方法
技术领域
[0001] 本发明设及边坡潜在滑移面监测方法，具体地说，设及一种用于识别岩质边坡滑 移面的声发射监测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，边坡失稳滑塌已成为山区道路交通、矿山、水电等领域的一大安全隐患。边 坡失稳滑塌的产生并非发生在瞬间时间段内，而是经过一定时期不稳定性因素的积累，从 蠕动向失稳滑动发展。对各个时期的边坡变形量、变形速率W及变形发展趋势的连续监测， 是评价边坡能否产生破坏性滑坡，从而及时地对边坡进行安全处置的核屯、，而掌握潜在滑 移面的分布规律是边坡失稳监测与边坡防护的关键，因此，对边坡潜在滑移面进行有效准 确的监测与预测是减轻滑坡灾害损失、减少人员伤亡的最有效途径。现阶段，对边坡潜在滑 移面监测的常规处理方法主要集中在四个方面：
[0003] 其一，位移监测技术
[0004] 运种方法主要是在稳定的地段建立测量基准点，在被测量的地段上设置若干个监 测点或设置有传感器的监测点，用仪器定期监测测点的位移变化或用无线边坡监测系统进 行监测，通过监测数据来推断边坡滑移面发展趋势。目前，该方法中监测点的布置没有明确 规范，即测点如何布置;其次，监测的位移量多大才会滑移也没有公认的标准，故无法识别 其滑移面。比如伸长计监测技术中伸长计的安装长度和角度没有明确的规范，且伸长计测 量的相对位移无法判断滑移面具体位置;测斜仪监测技术中钻孔位置和深度的选择没有明 确的规范，测量的相对位移同样无法判断滑移面，且滑动方向预判不准确，得到的监测结果 将与实际情况相差较大;光学仪器监测技术和卫星定位系统监测技术可W监测大型滑坡体 的发展趋势，但是不能够监测到岩体深部的变化，更不能判断滑移面。
[0005] 其二，应力监测技术
[0006] 应力监测技术主要是利用错杆、错索等作为加固手段，对所用的错杆、错索、主钢 筋等进行应力监测，W便确定被加固岩质边坡的稳定性及其加固效果。其次，也需利用应力 计、钢筋计等仪器直接量测工程岩体±中某点的应力。但该方法中错杆(索）、应力计的布置 没有明确规范，大多根据现场勘探资料和工程师经验来布设，且监测的应力值达到什么样 的标准即可判断岩质边坡滑移，都没有公认的标准，只能岩质边坡当前所处的稳定状态及 其发展趋势提供依据，不能判断其滑移面。比如错杆(索)监测技术中没有明确的规范说明 错杆(索）的布置情况，且错杆(索）的受力状态只能反映岩体工程的支护效果及岩体所处的 稳定状态。
[0007] 其Ξ，声波监测技术
[000引运种方法主要是在边坡布置监测网，通过埋设在测点的探头来接收岩体内部产生 的弹性波或人工在岩体中激发的弹性波，最后分析研究接收的波动信息，来确定岩体的力 学特性，了解其内部缺陷。但该方法中监测网的布设没有明确规范，即监测孔的间距、位置、 孔深的选择主要根据地质资料和工程师经验确定;其次，在分析声波信号过程中，岩体失稳 的声波信号特性参数指标达到什么样的临界值就可判断其滑移，都没有相应的标准，因此 该方法只能够对岩体失稳破坏起到预报预警的作用，无法确定其滑移面位置。比如声发射 监测技术中声发射监测网布设没有明确规范，岩体失稳声发射指标临界值也没有相应标 准，只能对岩体进行失稳预报。
[0009] 其四，电磁法监测技术
[0010] 电磁法监测主要是向地下发射信号，通过地层界面反射后接收上来的反射信号， 对信号的特征参量进行分析，W来表明地层特征信息。但该方法中测线的布置没有明确的 规范，其次，该方法探查滑动层或滑动带的效果明显，对于岩质边坡滑移面中的裂隙和裂缝 无法判断。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种操作简单、全天候监测、技 术适用强的用于识别岩质边坡滑移面的声发射监测方法，有效彻底解决了交通、矿山、水电 等边坡失稳滑塌的安全隐患，避免了边坡滑塌造成的巨大经济损失，保障了交通、矿山、水 电等工程领域生产作业的安全。
[0012] 其具体技术方案为：
[0013] -种用于识别岩质边坡滑移面的声发射监测方法，包括W下步骤：
[0014] 步骤1:边坡滑移面特征和参数的勘查与测绘
[0015] 按照《岩±工程勘查规范KGB5002)和《建筑边坡工程技术规范KGB50330)确定边 坡相关要素具体如下：
[0016] 确定潜在滑移面位置、厚度d(m)、滑移面倾斜长度l(m)、坡高h(m)内摩察角加权平 均值C Γ)、粘聚力加权平均值C化pa)及其与水平面的夹角α(°)，为下一步布置波导杆入± 长度提供依据。
[0017] 步骤2:在边坡主滑移面布置波导杆列阵
[0018] 利用步骤1勘查、测绘确定波导杆的布置，其具体步骤如下：
[0019] 1)监测点钻孔，钻孔与边坡坡顶表面垂直，孔径40mm，深度为:4m-17m(根据不同地 质条件而定），孔壁要冲洗干净；
[0020] 2)波导杆的选择:采用圆钢Q235A标准型，直径20mm，重量2.47kg/m，弹性模量为 210E/GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003化/VI，横波衰减系数0.008化/VI，长度杆为山 = L?l+0.5 单位:米；
[0021] 3)确定波导杆的根数N:根据《岩±工程监测规范KYS5229-07)要求，监测点间距S 为：10m-30m，因不同的地质条件选择不同的孔间距，即可确定波导杆根数N;
[0022] 4)波导杆与孔壁间充填灰砂比为1:4的水泥砂浆，密度为1600kg/m3,弹性模量为 20E/G化，泊松比为0.2，纵波衰减系数0.043化/VI，横波衰减系数0.1化/VI;
[0023] 沿钻孔底部开始，波导杆与孔壁间充填水泥砂浆，充填长度为0.1m，间隔3m充填一 次，依次充填到孔口，充填体底部用托盘定位，防止水泥砂浆掉落，同时起到对中作用，保证 波导杆在钻孔中屯、位置，未充填部分内设长3m直径40mm的PVC管保护孔壁；
[0024] 5)孔口用棉纱塞紧，防止外部噪音干扰，堵塞长度为0.1m;
[0025] 步骤3:声发射传感器的安装
[00%]波导杆在地表露出ο. 5m，端部安装纵波传感器（型号:UT1000SN666)，并用橡胶保 护盖罩住传感器部分，前置放大器采用AE2A型号；
[0027]步骤4:建立信号采集基站
[00%] 放大器连接到Sensor化曲way II监测系统，该系统由太阳能蓄电池供电，并在边 坡稳固部位建立信号采集基站。具体布置见图3。
[0029] 步骤5:信号采集
[0030] 在初始变形阶段，工作人员每周到无线接收基站采集一次数据;在恒定变形阶段， 每两天到无线接收基站采集一次数据;在加速变形阶段，每2小时到无线接收基站采集一次 数据。
[0031] 步骤6:分析处理信号
[0032] 1)波速分析:波在波导杆中传播时，满足式(1)，
[0033]
(1)
[0034] 式中；
[0035] μ为位移矢量；
[0036] ▽为梯度算子；
[0037] 炉为Ξ维拉普拉斯算子；
[003引 为体积应变；
[0039] λ和μ为材料的拉梅常数；
[0040] Ρ为材料的密度。
[0041 ]由室内实验测得，导波在直径为20mm的圆钢Q235A中传播时频率与波速的关系； [0042] 2)波导杆中信号定位
[00创假设：
[0044] L-是某一信号在波导杆中传播的距离;如图5;
[0045] 化1-分别是某频率的信号在错固层波导杆化1)、波导杆化2)中的速度；
[0046] 化2-分别是另一频率的信号在错固层化1)、波导杆化2)中的速度；
[0047] ti、t2-分别是两个不同频率的波到达波导杆端面传感器的时间；
[004引 At-同一信号中不同频带的波到传感器的时间差(在时频图中找出）。
[0049] 波导杆中的速度、由实验得出或者根据波导杆群速度频散曲线得出。
[0050] 根据两个不同频带的波的传播距离相同，得
[0化1 ]
[0化2] 由上式可求出L。
[0053]通过MATLAB软件对所有信号进行小波时频分析，把信号在相平面中进行不同尺度 的分解，根据同一个信号中不同频率信号到达传感器的时间差At,同一信号由不同单一频 率的信号组成，选取两个不同频率信号，即可找出时间差At。
[0054] 由式(2)即可求出每个信号在波导杆中的相对位置，并标记圆圈，相同位置的圆圈 向波导杆一侧移0.1mm;
[0055] 最后在波导杆周围形成很多密集的圆圈，连接每根波导杆中圆圈最密集的点，即 可推断滑移面发展趋势；
[0056] 步骤7:绘制完整滑移面位置
[0057] 由步骤6得出波导杆阵列中每根波导杆中圆圈最密集的点，结合坡面角、坡高，绘 制边坡整个潜在滑移面。
[005引步骤:8:边坡稳定性评价
[0059] 沿滑移面，在水平轴方向取一定距离对滑体进行垂直均匀等距离分条，W每段岩 体对应圆弧的中点作为条块各力作用的合力作用点，其切线角为分条滑移面倾角，运用极 限平衡分析法对边坡所处稳定状态进行评价。
[0060] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0061] 本发明主要通过岩质边坡内部布置波导杆阵列，埋入监测孔内的波导杆间隔3m用 水泥砂浆充填0.1m，地表波导杆端部安装声发射传感器，岩体内部破裂产生的声发射信号 传到水泥砂浆充填部分，再传递到波导杆，波导杆端部的传感器接收到此信号，最后通过无 线传输设备把信号传输到室内无线接收基站，通过数据分析，能够迅速地判断出该信号在 波导杆的位置，并标记圆圈，连接每根波导杆中圆圈最密集的点即可推断滑移面的趋势。本 发明可省去大量传统边坡监测的工作量，实现边坡的全天候自动记录，不受气候和天气的 影响，对边坡的滑移趋势做出可靠的定量评价。
【附图说明】
[0062] 图1是波导杆安装示意图，其中1橡胶保护罩，2声发射传感器，3棉纱，4水泥砂 浆，5岩石，6波导杆，7塑料管，8托盘；
[0063] 图2是边坡波导杆阵列剖面图，其中，9 Sensor Hi曲way II监测系统，5岩石，10 波导杆阵列；
[0064] 图3是Sensor Hi曲way II监测系统的布置，其中，9 Sensor Hi曲way II监测系 统，5岩质边坡，11电缆线，2传感器；
[0065] 图4是纯波导杆模态曲线；
[0066] 图5是信号定位，其中，4水泥砂浆，6波导杆，14信号源；
[0067] 图6是时域与时频图；
[0068] 图7是信号定位标记，其中，2传感器，3棉纱，4水泥砂浆，6波导杆，12信号定 位标记；
[0069] 图8是波导杆阵列信号定位标记；
[0070] 图9是绘制完整滑移面，其中，9 Sensor化曲way II监测系统，13潜在滑移面发 展趋势，5边坡。
【具体实施方式】
[0071] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合附图和具体实例进一步阐述本发明。
[0072] ①边坡滑移面特征和参数的勘查与测绘
[0073] 按照《岩±工程勘查规范KGB5002)和《建筑边坡工程技术规范KGB50330)确定边 坡相关要素具体如下：
[0074] 确定潜在滑移面位置、厚度d(m)、滑移面倾斜长度l(m)、坡高h(m)内摩察角加权平 均值(°)、粘聚力加权平均值C化pa)及其与水平面的夹角η，为下一步布置波导杆入±长 度提供依据。
[0075] ②在边坡主滑移面布置波导杆列阵
[0076] 利用第一步勘查、测绘确定波导杆的布置，其具体步骤如下：
[0077] 1)监测点钻孔，钻孔与边坡坡顶表面垂直，孔径40mm，深度为:4m-17m(根据不同地 质条件而定），孔壁要冲洗干净；
[0078] 2)波导杆的选择:采用圆钢Q235A标准型，直径20mm，重量2.47kg/m，弹性模量为 210E/GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003化/VI，横波衰减系数0.008化/VI，长度杆为山 = L?l+0.5 单位:米；
[0079] 3)确定波导杆的根数N:根据《岩±工程监测规范KYS5229-07)要求，监测点间距S 为：10m-30m，因不同的地质条件选择不同的孔间距，即可确定波导杆根数N;
[0080] 4)波导杆与孔壁间充填灰砂比为1:4的水泥砂浆，密度为1600kg/m3,弹性模量为 20E/G化，泊松比为0.2，纵波衰减系数0.043化/VI，横波衰减系数0.1化/VI。
[0081] 沿钻孔底部开始，波导杆与孔壁间充填水泥砂浆，充填长度为0.1m，间隔3m充填一 次，依次充填到孔口，充填体底部用托盘定位，防止水泥砂浆掉落，同时起到对中作用，保证 波导杆在钻孔中屯、位置，未充填部分内设长3m直径40mm的PVC管保护孔壁，见图1，边坡布置 波导杆列阵剖面图见图2所示。
[0082] 5)孔口用棉纱塞紧，防止外部噪音干扰，堵塞长度为0.1m。
[0083] ③声发射传感器的安装
[0084] 波导杆在地表露出0.5m，端部安装纵波传感器(型号:UT1000 SN666)，并用橡胶保 护盖罩住传感器部分。前置放大器采用AE2A型号。
[0085] ④建立信号采集基站
[0086] 放大器连接到Sensor化曲way II监测系统，该系统由太阳能蓄电池供电，并在边 坡稳固部位建立信号采集基站。具体布置见图3。
[0087] ⑤信号采集
[0088] 在初始变形阶段，工作人员每周到无线接收基站采集一次数据;在恒定变形阶段， 每两天到无线接收基站采集一次数据;在加速变形阶段，每2小时到无线接收基站采集一次 数据。
[0089]⑥分析处理信号
[0090] 1)波速分析:波在波导杆中传播时，满足式(1)，
[0091]
(1)
[0092] 式中；
[0093] μ为位移矢量；
[0094] ▽为梯度算子；
[00巧]庐为Ξ维拉普拉斯算子；
[0096] 而I.为体积应变；
[0097] λ和μ为材料的拉梅常数；
[009引Ρ为材料的密度。
[0099] 由室内实验测得，导波在直径为20mm的圆钢Q235A中传播时频率与波速的关系如 图4所示。
[0100] 2)波导杆中信号定位
[0101] 假设：
[0102] L-是某一信号在波导杆中传播的距离;如图5;
[0103] 化1-分别是某频率的信号在错固层波导杆化1)、波导杆化2)中的速度；
[0104] 化2-分别是另一频率的信号在错固层化1)、波导杆化2)中的速度；
[0105] ti、t2-分别是两个不同频率的波到达波导杆端面传感器的时间；
[0106] At-同一信号中不同频带的波到传感器的时间差(在时频图中找出）。
[0107] 波导杆中的速度、由实验得出或者根据波导杆群速度频散曲线得出。
[0108] 根据两个不同频带的波的传播距离相同，得
[0109]
(2)
[0110] 由上式可求出L。
[0111] 通过MATLAB软件对所有信号进行小波时频分析，把信号在相平面中进行不同尺度 的分解，根据同一个信号中不同频率信号到达传感器的时间差At,如图6所示，同一信号由 不同单一频率的信号组成，选取两个不同频率信号，即可找出时间差At。
[0112] 由式(2)即可求出每个信号在波导杆中的相对位置，并标记圆圈，相同位置的圆圈 向波导杆一侧移0.1mm，见图7。
[0113] 最后在波导杆周围形成很多密集的圆圈，连接每根波导杆中圆圈最密集的点，即 可推断滑移面发展趋势，见图8。
[0114] ⑦绘制完整滑移面位置
[0115] 由第六步得出波导杆阵列中每根波导杆中圆圈最密集的点，结合坡面角、坡高，绘 制边坡整个潜在滑移面，见图9。
[0116] ⑧边坡稳定性评价
[0117] 沿滑移面，在水平轴方向取一定距离对滑体进行垂直均匀等距离分条，W每段岩 体对应圆弧的中点作为条块各力作用的合力作用点，其切线角为分条滑移面倾角，运用极 限平衡分析法对边坡所处稳定状态进行评价。
[0118] W上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明 披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的 保护范围内。
【主权项】
1. 一种用于识别岩质边坡滑移面的声发射监测方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1:边坡滑移面特征和参数的勘查与测绘 按照《岩±工程勘查规范KGB5002)和《建筑边坡工程技术规范KGB50330)确定边坡相 关要素具体如下： 确定潜在滑移面位置、厚度d(m)、滑移面倾斜长度l(m)、坡高h(m)内摩察角加权平均值 C (°)、粘聚力加权平均值C化pa)及其与水平面的夹角α(°)，为下一步布置波导杆入±长度 提供依据； 步骤2:在边坡主滑移面布置波导杆列阵 利用步骤1勘查、测绘确定波导杆的布置，其具体步骤如下： 1) 监测点钻孔，钻孔与边坡坡顶表面垂直，孔径40mm，深度为：4m-17m，孔壁要冲洗干 净； 2) 波导杆的选择:采用圆钢Q235A标准型，直径20mm，重量2.47kg/m，弹性模量为210E/ GPa，泊松比为0.3，纵波衰减系数0.003化/VI，横波衰减系数0.008化/VI，长度杆为山=L?L+ 0.5单位:米； 3) 确定波导杆的根数N:根据《岩±工程监测规范》要求，监测点间距S为：10m-30m，因不 同的地质条件选择不同的孔间距，即确定波导杆根数N; 4) 波导杆与孔壁间充填灰砂比为1:4的水泥砂浆，密度为1600kg/m3,弹性模量为20E/ GPa，泊松比为0.2，纵波衰减系数0.043化/VI，横波衰减系数0.1化/VI; 沿钻孔底部开始，波导杆与孔壁间充填水泥砂浆，充填长度为0.1 m，间隔3m充填一次， 依次充填到孔口，充填体底部用托盘定位，防止水泥砂浆掉落，同时起到对中作用，保证波 导杆在钻孔中屯、位置，未充填部分内设长3m直径40mm的PVC管保护孔壁； 6巧L 口用棉纱塞紧，防止外部噪音干扰，堵塞长度为0.1 m; 步骤3:声发射传感器的安装 波导杆在地表露出0.5m，端部安装纵波传感器，型号:UT1000SN666,并用橡胶保护盖罩 住传感器部分，前置放大器采用AE2A型号； 步骤4:建立信号采集基站 放大器连接到Sensor Highway II监测系统，该系统由太阳能蓄电池供电，并在边坡稳 固部位建立信号采集基站； 步骤5:信号采集 在初始变形阶段，工作人员每周到无线接收基站采集一次数据;在恒定变形阶段，每两 天到无线接收基站采集一次数据；在加速变形阶段，每2小时到无线接收基站采集一次数 据； 步骤6:分析处理信号 1)波速分析:波在波导杆中传播时，满足式(1)，(1) 式中： μ为位移矢量； ▽为梯度算子； 护为Ξ维拉普拉斯算子； 7u为体积应变； λ和μ为材料的拉梅常数； Ρ为材料的密度； 由室内实验测得，导波在直径为20mm的圆钢Q235A中传播时频率与波速的关系； 2)波导杆中信号定位 假设： L-是某一信号在波导杆中传播的距离； Vbi-分别是某频率的信号在错固层波导杆Li、波导杆L2中的速度； Vb2-分别是另一频率的信号在错固层。、波导杆L2中的速度； t4、t2-分别是两个不同频率的波到达波导杆端面传感器的时间； At-同一信号中不同频带的波到传感器的时间差； 波导杆中的速度、由实验得出或者根据波导杆群速度频散曲线得出； 根据两个不同频带的波的传播距离相同，得(2) 由上式求出L 通过MATLAB软件对所有信号进行小波时频分析，把信号在相平面中进行不同尺度的分 解，根据同一个信号中不同频率信号到达传感器的时间差At,同一信号由不同单一频率的 信号组成，选取两个不同频率信号，即找出时间差A t; 由式(2)即求出每个信号在波导杆中的相对位置，并标记圆圈，相同位置的圆圈向波导 杆一侧移0.1mm; 最后在波导杆周围形成很多密集的圆圈，连接每根波导杆中圆圈最密集的点，即可推 断滑移面发展趋势； 步骤7:绘制完整滑移面位置 由步骤6得出波导杆阵列中每根波导杆中圆圈最密集的点，结合坡面角、坡高，绘制边 坡整个潜在滑移面； 步骤:8:边坡稳定性评价 沿滑移面，在水平轴方向取一定距离对滑体进行垂直均匀等距离分条，W每段岩体对 应圆弧的中点作为条块各力作用的合力作用点，其切线角为分条滑移面倾角，运用极限平 衡分析法对边坡所处稳定状态进行评价。
【文档编号】E02D33/00GK105971027SQ201610380233
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】赵奎, 何文, 王晓军, 许振华, 李海港, 李国平, 李刚
【申请人】江西理工大学