一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统及方法与流程

本发明涉及边坡工程监测技术领域，尤其涉及一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统及方法。

背景技术：

植被护坡技术，是综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知识对边坡进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合护坡系统的护坡技术，是一种利用自然植物对边坡水土流失、边坡失稳等问题进行改善的技术。植物护坡的净化空气、美化环境、后续支护成本低的特点是传统边坡支护技术如喷射混凝土、锚杆支护并不具备的。而在边坡工程中，由于适用生态护坡的植物种类较多，各植被的根系特点、适用范围与边坡具体情况也存在差异，因此，在植物护坡工程中选择最合适的植物以及在工程实施过程中重视养护管理与效果监测，以保障植物护坡的效果就显得尤为关键。然而，目前国内外尚无有效的监测系统及方法，因此，亟需开发研制相应的监测系统及方法。

技术实现要素：

本发明所需要解决的技术问题在于，克服现有的技术缺陷，提供一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统及方法。

本申请实施例提供一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统，分布式光纤传感模块、分布式解调仪、数据处理器、计算机数据管理系统；

所述分布式光纤传感模块用于采集获取植物根系所在层边坡岩土的应变信息；

所述分布式解调仪用于对所述植物根系所在层边坡岩土的应变信息进行传感光纤波长的解算，获得波长变化信息；

所述数据处理器用于根据所述波长变化信息获得植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、植物根系对边坡岩土的锚固力数据；

所述计算机数据管理系统用于接收所述植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、所述植物根系对边坡岩土的锚固力数据，并与边坡参数信息和气候参数信息进行数据汇总，形成边坡植物选型数据库。

优选的，所述分布式光纤传感模块包括：分布式传感光纤、温度补偿模块；

所述分布式传感光纤预埋设在边坡垂直坡面以下的预设深度处，所述预设深度为预选边坡植物的根系生长长度；

所述温度补偿模块用于对所述分布式传感光纤进行温度补偿修正。

优选的，所述分布式传感光纤以弓字型排列方式进行预埋设，并布满监测区域；所述分布式传感光纤的一端直接与所述分布式解调仪连接，所述分布式传感光纤的另一端经过边坡监测路径后与所述分布式解调仪连接。

优选的，所述温度补偿模块包括：自由光纤、防护管；

所述自由光纤布设在所述防护管内，所述自由光纤的预埋设深度与所述分布式传感光纤的预埋设深度一致，所述自由光纤用于消除温度对应变监测结果的影响。

优选的，所述数据处理器与第一无线传输模块连接，所述计算机数据管理系统与第二无线传输模块连接，所述第一无线传输模块与所述第二无线传输模块通过无线方式连接。

优选的，所述计算机数据管理系统包括：应变数据收集模块、锚固力数据收集模块、边坡参数收集模块、气候条件参数收集模块、边坡植物选型数据库；

所述应变数据收集模块用于收集存储所述植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据，并对应力应变数据进行汇总处理；

所述锚固力数据收集模块用于收集存储所述植物根系对边坡岩土的锚固力数据，并对锚固力数据进行汇总处理；

所述边坡参数收集模块用于收集存储边坡参数信息；

所述气候条件参数收集模块用于收集存储监测的边坡所在地的气候参数信息；

所述边坡植物选型数据库用于根据所述植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、所述植物根系对边坡岩土的锚固力数据、所述边坡参数信息、所述气候参数信息获得边坡匹配植物。

优选的，所述边坡参数信息包括边坡的坡率、坡高、坡面面积、重力密度、粘聚力、内摩擦角参数；所述气候参数信息包括温度变化、降雨量、风速、光照时间。

优选的，所述边坡植物选型数据库包括：参数输入模块、植物检索模块；

所述参数输入模块用于输入所述边坡参数信息、所述气候参数信息；

所述植物检索模块用于根据所述植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、所述植物根系对边坡岩土的锚固力数据、所述边坡参数信息、所述气候参数信息获得边坡匹配植物。

本申请实施例提供一种植物根系对边坡岩土锚固力监测方法，采用上述植物根系对边坡岩土锚固力监测系统，方法包括以下步骤：

步骤s1、通过分布式光纤传感模块采集获取植物根系所在层边坡岩土的应变信息，并传输至分布式解调仪；所述分布解调仪对所述植物根系所在层边坡岩土的应变信息进行传感光纤波长的解算，获得波长变化信息，并将所述波长变化信息传输至数据处理器；

步骤s2、所述数据处理器根据所述波长变化信息获得植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、植物根系对边坡岩土的锚固力数据，并将所述植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、所述植物根系对边坡岩土的锚固力数据传输至计算机数据管理系统；

步骤s3、所述计算机管理系统根据所述植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、所述植物根系对边坡岩土的锚固力数据、边坡参数信息、气候参数信息形成边坡植物选型数据库。

优选的，所述步骤2中，所述数据处理器根据所述波长变化信息获得植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、植物根系对边坡岩土的锚固力数据的具体方法如下：

所述分布式光纤传感模块获取的第i个测点的应变值记为εi，边坡岩土的压缩模量为es，边坡岩土的第i个测点的应力值记为σi，则：

σi＝es·εi(i＝1，2，3，4，...)

对于垂直边坡表面以下z深度处的任意根段dl，整个根段dl所受的最大静摩擦力合力dfi为：

dfi＝aσi＝2πr·σidl(i＝1，2，3，4，...)

其中，r为根段的半径，a为根段的表面积；

dfi在竖直方向的投影分量dfz，i为：

dfz，i＝dficosθ＝2πr·σidz(i＝1，2，3，4，...)

在根系延伸范围内，沿水平方向将垂直根系等分成n个区段，对于任意区段[i，i+1](1≤i≤n-1)，获得该区段内根的个数n1、n2、...、nn以及每个根的半径ri1、ri2、...、rini，并得到n个区段中根的平均半径

根的平均半径沿深度z方向的分布函数为r＝p(z)为：

根的数目沿深度z方向的分布函数为n＝q(z)为：

其中，pk(zi)为第k(k＝0，1，...，n)区段的根的平均半径沿深度z方向的分布函数，为第i个区段中根的平均半径，qk(zi)为第k(k＝0，1，...，n)区段的根的数目沿深度z方向的分布函数，为所有次数不超过n的多项式构成的函数类；

使得：

其中，ak为上述方程求出的唯一解ak(k＝0，1，...，n)，zi为第i个区段的深度；

通过上述方程求出唯一解ak，对于：

当k＝1时，为线性拟合；当k＞1时，为多项式拟合；

使得：

通过上述方程求出唯一解ak，对于：

当k＝1时，为线性拟合；当k＞1时，为多项式拟合；

在垂直坡面以下z～z+dz范围内，根系的最大静摩擦力在竖直方向的分量为：

∑dfz，i＝2πσip(z)·q(z)dz

积分处理：

其中，t为植物根系对边坡岩土的最大锚固力。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，通过在边坡岩土中布设分布式光纤传感模块，采集获取植物根系所在层边坡岩土的应变信息，然后通过分布式调节仪对植物根系所在层边坡岩土的应变信息进行传感光纤波长的解算，获得波长变化信息；接着通过数据处理器计算出植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、植物根系对边坡岩土的锚固力数据，能够直观评估植物对边坡岩土的加固效果，在边坡工程中形成以植物护坡为主，设备支护为辅的边坡支护体系，能有效降低边坡支护的成本。此外，将测量数据与边坡参数信息和气候参数信息进行数据汇总，形成边坡植物选型数据库，为边坡植物的选型提供科学合理的依据，为边坡选择最优的种植植物提供重要的参考。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统的整体布设图；

图2为本发明实施例提供的一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统的整体结构图；

图3为本发明实施例提供的一种植物根系对边坡岩土锚固力监测方法中边坡根系岩土剖视图。

其中，1-边坡、2-植物、3-测点、4-分布式传感光纤、5-温度补偿模块、6-跳线、7-分布式解调仪、8-数据处理器、9-第一无线传输模块、10-第二无线传输模块、11-计算机数据处理系统、12-植物根系、13-分布式光纤传感模块、14-应变数据收集模块、15-锚固力数据收集模块、16-边坡参数收集模块、17-气候条件参数收集模块、18-边坡植被选型数据库。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本实施例提供的一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统，包括：分布式光纤传感模块13、分布式解调仪7、数据处理器8、第一无线传输模块9、第二无线传输模块10、计算机数据管理系统11。

所述分布式光纤传感模块13与所述分布式解调仪7通过跳线6连接；所述分布式解调仪7与所述数据处理器8通过导线连接；所述数据处理器8与所述第一无线传输模块9通过导线连接；所述第一无线传输模块9与所述第二无线传输模块10通过无线方式连接；所述第二无线传输模块10与所述计算机数据管理系统11通过导线连接。

其中，所述分布式光纤传感模块13包括：分布式传感光纤4、温度补偿模块5、光纤保护管。所述分布式传感光纤4预埋设在边坡垂直坡面以下预设深度(例如h＝0.6m)的位置；所述预设深度为预选边坡栽种植物的根系生长长度。

具体的，所述分布式传感光纤4采用弓字型排列方式预埋设在边坡垂直坡面以下预设深度的位置。所述弓字型排列方式要求所述分布式传感光纤4按照预设间隔(例如间隔b＝1.0m)排布，以布满整个坡面。

所述分布式传感光纤4采用回路式预埋设在边坡垂直坡面以下预设深度的位置。回路式指所述分布式传感光纤4的一端直接与所述分布式解调仪7通过跳线连接，所述分布式传感光纤4的另一端经过边坡的监测路径后与所述分布式解调仪7通过所述跳线6连接。

所述温度补偿模块5包括：防护管(例如pu管)、自由光纤。所述自由光纤布设放置在所述防护管内，使得所述自由光纤不受边坡土体变形的影响。所述自由光纤用于消除温度对长期应变监测结果的影响。所述自由光纤的预埋设深度与所述预设深度相同(例如h＝0.6m)。

所述光纤保护管用于保护未埋入边坡的外部光纤；所述外部光纤先熔接上所述跳线6，再把所述跳线6置于光纤保护管内部以免受到外部环境的损坏。

所述分布式光纤传感模块13主要通过在边坡岩土中布设分布式传感光纤4，可监测沿线的所述分布式传感光纤4的应变分布状态，从而对植物根系所在层边坡岩土的应变进行监测，并将监测的信号通过所述跳线6传输至所述分布式解调仪7进行波长的解算。

所述分布式解调仪7用于解算所述分布式传感光纤4所受应变而产生的波长变化，并将解算后的波长变化数据通过导线传输至所述数据处理器8。

所述数据处理器接收所述波长变化数据，并对数据进行相关算法处理，得到植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据，通过计算得到植物根系对边坡岩土的锚固力数据，从而评估植物根系对边坡岩土稳定性的积极影响以及植物护坡的效果。

所述数据处理器8将植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据以及植物根系对边坡岩土的锚固力数据通过所述第一无线传输模块9无线传输至所述第二无线传输模块10。所述第二无线接收模块10通过导线将数据传输至所述计算机数据管理系统11。

其中，所述计算机数据管理系统11包括：应变数据收集模块14、锚固力数据收集模块15、边坡参数收集模块16、气候条件参数收集模块17和边坡植物选型数据库18。

所述应变数据收集模块14用于收集存储植物根系所在层边坡岩土的应变数据，并对应变数据进行汇总处理，以图表形式显示在所述计算机数据管理系统11的界面上。

所述锚固力数据收集模块15用于收集存储植物根系对边坡岩土的锚固力数据，并对锚固力数据进行汇总处理，以图表形式显示在所述计算机数据管理系统11的界面上。

所述边坡参数收集模块16用于收集存储边坡参数信息，并将所述边坡参数信息显示在所述计算机数据管理系统11的界面上。所述边坡参数信息包括边坡的坡率、坡高、坡面面积、重力密度、粘聚力、内摩擦角参数等。

所述气候条件参数收集模块17用于收集存储监测的边坡所在地的气候参数信息，并将所述气候参数信息显示在所述计算机数据管理系统11的界面上。所述气候参数信息包括温度变化、降雨量、风速、光照时间等。

所述边坡植物选型数据库18包括：参数输入模块和植物检索模块。

所述参数输入模块用于用户输入所述边坡参数信息与所述气候参数信息，所述植物检索模块用于根据以上数据输入情况自动匹配该边坡种植最优植物作为用户选择边坡植物时的参考。

所述植物检索模块的检索功能包括依据不同植物在同一边坡种植时的生长情况与根系对边坡岩土的锚固力大小进行对比分析，从而为边坡选择最优植物。

所述分布式传感光纤4选型为wt-gl-101；所述跳线6选型为mpo-lc；所述分布式解调仪7选型为mwy-botda1200；所述数据处理器8选型为dp-e1；所述第一无线传输模块9选型为wm409；所述第二无线传输模块10选型为wm409；所述计算机数据处理系统11选型为6177r-rmpw76177r。

利用上述植物根系对边坡岩土锚固力监测系统，本发明还提供一种植物根系对边坡岩土锚固力监测方法。

下面结合图1、图2、图3介绍本实施例提供的一种植物根系对边坡岩土锚固力监测方法，包括以下步骤：

步骤1：分布式光纤传感模块13采集获取植物根系所在层边坡岩土的应变信息，并通过跳线6传输至分布式解调仪7，分布解调仪7将收集的应变数据进行传感光纤波长的解算，将解算后的波长变化数据通过导线传输至数据处理器；

步骤2：数据处理器8接收分布式解调仪7传输的分布式传感光纤4波长数据，并将接收的数据进行相关算法处理，得到植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据与植物根系对边坡岩土的锚固力数据，并将应力应变数据与锚固力数据无线传输至计算机数据管理系统11；

步骤3：计算机管理系统11收集植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据、植物根系对边坡岩土的锚固力数据，并与边坡参数信息和气候参数信息进行数据汇总，形成边坡植物选型数据库18。

其中，所述步骤2中所述数据处理器8将接收的数据进行相关算法处理，得到植物根系所在层边坡岩土的应力应变数据与植物根系对边坡岩土的锚固力数据的具体方法如下：

分布式光纤传感模块获取的第一个测点的应变值为ε1，第二个测点的应变值ε2，第三个测点的应变值为ε3，第四个测点的应变值为ε4，…，第i个测点的应变值为εi。根据现场取原状边坡岩土进行实验室有侧限压缩试验得出边坡岩土的压缩模量es，根据边坡岩土压缩模量es与边坡岩土的第i个测点的应变值εi的相互关系，求出边坡岩土的第i个测点的应力值σi(i＝1，2，3，4，...)：

σi＝es·εi(i＝1，2，3，4，...)

其中，es边坡岩土的压缩模量，σi为边坡岩土应力值，εi为第i个测点应变值。

对于垂直边坡表面以下z深度处的任意根段dl(例如z深度处的根茎大于1mm的任意根段dl)，则整个根段dl所受的最大静摩擦力合力dfi为：

dfi＝aσi＝2πr·σidl(i＝1，2，3，4，...)

其中，dfi为整个根段dl所受的最大静摩擦力合力，r为根段的半径，a为根段的表面积。

dfi在竖直方向的投影分量dfz，i为：

dfz，i＝dficosθ＝2πr·σidz(i＝1，2，3，4，...)

对于整个根系，任意根段所受的最大静摩擦力在竖直方向的分量与根伸展的倾斜状态(θ角)无关，在根系延伸范围内，沿水平方向把垂直根系等分成n个区段，n值依主根长度而定，对于任意区段[i，i+1](1≤i≤n-1)，可数得根得个数ni，并测得每个根得半径ri1、ri2、...、rini，从而得到区段根的平均半径根的平均半径沿深度z方向的分布函数为r＝p(z)为：

其中，pk(zi)为第k(k＝0，1，...，n)区段的根的平均半径沿深度z方向的分布函数，为第i个区段中根的平均半径，为所有次数不超过n的多项式构成的函数类；

使得：

其中，ak为上述方程求出的唯一解ak(k＝0，1，...，n)，zi为第i个区段的深度；

通过上述方程求出唯一解ak(k＝0，1，...，n)，对于

当k＝1时，为线性拟合；当k＞1时，为多项式拟合。

在根系延伸范围内，沿水平方向把垂直根系等分成n个区段，n值依主根长度而定，对于任意区段[i，i+1](1≤i≤n-1)，可数得根得个数n1、n2、...、nn，根的数目沿深度z方向的分布函数为n＝q(z)为：

其中，qk(zi)为第k(k＝0，1，...，n)区段的根的数目沿深度z方向的分布函数；

使得：

通过上述方程求出唯一解ak(k＝0，1，...，n)，对于

当k＝1时，为线性拟合；当k＞1时，为多项式拟合。

则在垂直坡面以下z～z+dz范围内，根系的最大静摩擦力在竖直方向的分量为：

∑dfz，i＝2πσip(z)·q(z)dz

因此，植物根系对边坡岩土的最大锚固力t为：

综上，本发明提供的一种植物根系对边坡岩土锚固力监测系统及方法能够直观评估植物对边坡岩土的加固效果，在边坡工程中形成以植物护坡为主，设备支护为辅的边坡支护体系，能有效降低边坡支护的成本；能够形成边坡植物选型数据库，为边坡植物的选型提供科学合理的依据，为边坡选择最优的种植植物提供重要的参考。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。