一种利用压电加速度传感器的滑坡监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地质灾害防控技术领域，具体涉及一种滑坡监测方法。
【背景技术】
[0002] 我国是一个多山国家，山地灾害频繁发生，给国民经济建设，特别是山区经济发展 造成了严重影响。据估计，每年因崩塌、滑坡、泥石流等灾害所造成的直接经济损失约200亿 元人民币，间接损失更是难以估量。滑坡灾害已成为仅次于地震的第二大地质灾害。从1983 年3月7日著名的洒勒山滑坡夺去227人的生命，到1985年长江三峡新滩镇滑坡在基于长达9 年多的监测工作而成功预报，确保镇上1371人的生命安全。由此既说明滑坡灾害的危害严 重，又表明滑坡预测预报的重要、可行。
[0003] 国内方面虽然起步较晚，但经过10余年的经验积累也取得了一些成绩。目前国内 对于滑坡监测的手段主要有宏观简易地质监测法、大地精密测量法等。宏观简易地质监测 法即对地面裂隙、泉水动态、房屋裂缝等进行定期观测，了解滑坡所处状态。该方法虽然获 取的信息直观、方法简单，但存在精度较低、人力物力投入过大等缺点。大地精密测量法即 采用高精度测量仪器，如水准仪、测斜仪、全站仪等，观测滑坡各点的变形、位移情况，该方 法的精度高，但缺点是受到地形条件和气象条件的限制、工作量大、周期长。
[0004] 目前，国内滑坡监测参数主要是滑坡移动的位移、方向及速度。大量研究表明，滑 坡进入加速变形阶段是发生滑坡灾害的前提，而且滑坡的稳定性状况与其变形阶段有着直 接的联系，准确地把握滑坡的变形演化阶段是进行滑坡稳定性评价和滑坡预测预报的基 础。根据加速度的变化可以将滑坡分成三个阶段:初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形 阶段，且滑坡失稳发生在加速变形阶段的临滑时期。如果能够准确监测到滑坡变形的加速 度变化，对于预报滑坡灾害有着重要的意义。
[0005] 中国专利文献CN 102509420 B于2014年1月1日公开了一种基于临滑区变形信息 的滑坡预报方法，该方法根据现场监测数据和滑坡灾害的蠕变规律和机理，提出了临近滑 坡但未滑落部位（临滑区）边坡蠕变曲线和变形发展四个阶段，推导了临滑区边坡变形、速 率、加速度曲线方程及基于临滑区变形信息的滑坡预报时间模型，并建立了基于临滑区变 形信息的Verhulst灰色模型以确定该滑坡预报时间模型中的参数。该方法存在以下问题： 1、该方法所测数据为地表位移，没有测试滑坡深部数据;2、该方法滑坡预报的指标性参数 是通过方程计算得到的，与实际参数存在一定的误差。
【发明内容】
[0006] 针对现有滑坡灾变监测方法存在的问题，本发明要解决的技术问题就是提供一种 利用压电加速度传感器的滑坡监测方法，它以滑动加速度作为滑坡监测的参数，能为滑坡 预报提供定量数据，实现准确报警。
[0007] 本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有以下步骤：
[0008] 步骤1、在各监测点处垂直于边坡主滑方向上钻孔，将压电加速度传感器插入到孔 内，并固定在滑坡基岩上，将输出线引出并灌浆将钻孔封住；
[0009] 步骤2、依据测得的压电加速度传感器的电荷Q，由Q = d33Ma获得边坡滑动加速度a， 其中，d33为压电常数，Μ为压电加速度传感器的质量；
[0010] 步骤3、根据边坡变形的加速四个阶段：
[0011] 第一阶段为初始变形阶段，加速度先是大于0后又小于0;
[0012] 第二阶段为等速变形阶段，加速度基本等于0或者在0上下波动；
[0013] 第三阶段为加速变形阶段，加速度开始大于0;
[0014] 第四阶段为临滑阶段，加速度骤然增加；
[0015] 判定边坡滑动所处的阶段，在加速度a出现骤然增加并达到预设值时，开始预警。
[0016] 本发明通过压电加速度传感器获得边坡滑动加速度a，根据滑动加速度a确定边坡 滑动所处的状态，并报警，为滑坡预报提供了直接相关的、能定量检测的加速度数据，克服 了现有技术中使用与滑坡不直接的参数所造成的错误判断，实现了准确报警。
[0017] 所以，本发明具有如下的优点:给滑坡预报提供了直接相关的、能定量检测的加速 度数据，实现了准确报警。
【附图说明】
[0018] 本发明的【附图说明】如下：
[0019] 图1为本发明的压电加速度传感器结构示意图；
[0020] 图2为滑动加速度的变化状态图。
[0021 ]图中：1.钢板基座;2.压电加速度感应元件;3.贯通槽;4.输出线。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0023]如图1所示，压电加速度传感器包括钢板基座1和压电加速度感应元件2,多个压 电加速度感应元件2固定在钢板基座1上，钢板基座1的纵向侧边有贯通槽3,压电加速度感 应元件2的输出线4从贯通槽3引出。
[0024]本发明包括以下步骤：
[0025] 步骤1、在各监测点处垂直于边坡主滑方向上钻孔，将压电加速度传感器插入到孔 内，并固定在滑坡基岩上，将输出线引出并灌浆将钻孔封住；
[0026] 步骤2、检测边坡滑动加速度a
[0027] 假定压电加速度传感器的钢板基座质量为M，压电加速度感应元件的质量为m，则 根据牛顿第二定律，压电加速度传感器的受力F可以由下式求得：
[0028] F= (M+m)a
[0029] 其中a是检测边坡的加速度。
[0030] 根据上式，可以知道压电加速度感应元件厚度方向（Z方向）任一截面上的力为
[0031] F=Ma+ma(l_z/d)
[0032] 其中z为任一截面的厚度，d为压电加速度感应元件的厚度。所以平均力为
[0033]
[0034] 因为压电加速度感应元件的极化方向在厚度方向（Z方向），作用力沿着Z方向，所 以此时压电加速度感应元件的外加应力的平均值为
[0035]
[0036] 其中A为压电加速度感应元件电极面面积。
[0037] 枏据压电矩阵，可以知道电荷Q为
[0038]
[0039] 瓦甲，d33是压电芾数。
[0040] 而压电加速度感应元件一般是很薄的一个晶片，钢板基座一般采用质量大的金属 制成，所以Μ远大于m，所以m可以忽略，即
[0041] Q = d33Ma
[0042] 由上式可知压电加速度传感器产生的电荷Q与加速度a之间的关系成正比，根据测 量电荷就能得到边坡滑动加速度a。
[0043] 步骤3、根据"具有蠕变特点滑坡的加速度变化特征及临滑预警指标研究"，许强， 岩石力学与工程学报，第28卷第6期，第1099~1106页，2009年6月记载了具有蠕变特点的滑 坡从变形启动到整体滑动破坏这一过程一般要经历初始变形、等速变形和加速变形3个阶 段，且不同阶段有其不同的变形特点，由此细分为不同的亚阶段。
[0044] 如图2所示，边坡变形的加速分四个阶段
[0045] 第一阶段为初始变形阶段，加速度先是大于0后又小于0;
[0046] 第二阶段为等速变形阶段，加速度基本等于0或者在0上下波动；
[0047]第三阶段为加速变形阶段，加速度开始大于0;
[0048] 第四阶段为临滑阶段，加速度骤然增加；
[0049] 判定边坡滑动所处的阶段，在加速度a出现骤然增加并达到预设值时，开始预警。
[0050] 本发明可将压电加速度传感器的输出线连接至数据采集系统，将压电加速度传感 器产生的数据采集，并经转换器后通过GPRS无线网络传输到数据监控中心。监控中心再连 接至Internet;在电脑终端软件从Internet获得数据后，将数据进行处理，建立及更新监测 的加速度数据库，转换成监测指标，并判定滑坡稳定性，当加速度值达到预警值，表明滑坡 出现危险并报警。
【主权项】
1. 一种利用压电加速度传感器的滑坡监测方法，其特征是，包括以下步骤： 步骤1、在各监测点处垂直于边坡主滑方向上钻孔，将压电加速度传感器插入到孔内， 并固定在滑坡基岩上，将输出线引出并灌浆将钻孔封住； 步骤2、依据测得的压电加速度传感器的电荷Q，由Q = d33Ma获得边坡滑动加速度a，其 中，d33为压电常数，Μ为压电加速度传感器的质量； 步骤3、根据边坡变形的加速四个阶段： 第一阶段为初始变形阶段，加速度先是大于〇后又小于〇; 第二阶段为等速变形阶段，加速度基本等于〇或者在〇上下波动； 第三阶段为加速变形阶段，加速度开始大于〇; 第四阶段为临滑阶段，加速度骤然增加； 判定边坡滑动所处的阶段，在加速度a出现骤然增加并达到预设值时，开始预警。2. 根据权利要求1所述的的滑坡监测方法，其特征是:所述压电加速度传感器包括钢板 基座（1)和压电加速度感应元件(2 )，多个压电加速度感应元件(2)固定在钢板基座（1)上， 钢板基座（1)的纵向侧边有贯通槽(3)，压电加速度感应元件(2)的输出线(4)从贯通槽(3) 引出。
【专利摘要】本发明公开了一种利用压电加速度传感器的滑坡监测方法，它包括以下步骤：步骤1、设置压电加速度传感器；步骤2、依据测得的压电加速度传感器的电荷Q，由<i>Q=d</i><i>33</i><i>Ma</i>获得边坡滑动加速度<i>a</i>；步骤3、根据边坡变形的加速四个阶段，判定边坡滑动所处的阶段，在加速度<i>a</i>出现骤然增加并达到预设值时，开始预警。本发明具有如下的优点：给滑坡预报提供了直接相关的、能定量检测的加速度数据，实现了准确报警。
【IPC分类】G08B21/10, G01P15/09
【公开号】CN105652035
【申请号】
【发明人】周小平, 肖睿胤, 程浩, 毕靖, 寿云东, 王允腾
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月17日