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徕卡自动化监测系统在边坡安全防治中的应用

1 边坡监测的目的和意义

边坡岩土体往往 呈现出非均质性与各向异性特性,在开挖、堆载、降雨、河 流冲刷、库水位升降与地震等外部荷载作用下很容易进入局部或瞬态大变形乃至 失稳滑动。我国每年由于岩土体失稳而引发的大小滑坡数百万次,由此造成的经 济损失高达 100 ~ 200 亿元,因暴雨、地震等引发的各类滑坡灾害至上世纪 90 年代累计死亡超过 10 万人。因此,对于边坡工程特别是大型复杂边坡,除了进 行常规的工程地质调查、测绘、勘探、试验和稳定性评价外,尚应及时有效地开 展边坡工程的动态监测,预测边坡失稳的可能性和滑坡的危险性,并提出相应的 防灾减灾措施,对于确保国民经济发展 与保障人民群众生命财产安全具有重大意 义。

边坡工程监测的主要目的是:

  • 评价边坡施工及其使用过程中边坡的稳定程度,并做出有关预报,为崩 塌、滑坡的正确分析评价、预测预报及治理工程等,提供可靠的资料和科学依据 ;
  • 为防治滑坡及可能的滑动和蠕动变形提供技术依据,预测和预报今后边 坡的位移、变形的发展趋势,通过监测可对岩土体的时效特性进行相关的研究 ;
  • 对已经发生滑动破坏的边坡和加固处理后的滑坡,监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡处理工程效果的尺度 ;
  • 为进行有关位移分析及数值模拟计算提供参数。

边坡工程主要应用在交通、建筑、水利和矿山等各个建设领域中。

2 徕卡自动化边坡变形监测系统介绍

徕卡测量系统作为优秀测量设备的供应商,为边坡工程监测提供了优秀的高 精度监测设备外,根据全球众多的应用案例,结合实际情况,提供最优的监测设 计方案。 通过发现 早期不稳定因素, 可以防止安全隐患区域 发生滑坡坍塌,避免 造成事故伤亡及经济损失。

2.1 边坡自动化监测系统结构图

根据 边坡监测具体要求,选择采用监测机器人或者 GNSS 进行自动化监测, 或者两者配合运行。依据系统结构图,可以将整个系统划分成如下五个部分:

  • 传感器
  • 供电系统
  • 通讯系统
  • 避雷系统
  • 服务器系统

监测传感器参考位置需选择常年稳固的位置,监测位置依据滑坡趋势和相关 要求布设在感兴趣位置或 滑坡断面上; 24 小时不间断供电保证传感器采集的数 据完整性;根据现场通讯条件选用最佳的通讯方式将数据从监测现场实时回传到 监测控制中心;优秀的监测控制软件能够统一管理监测传感器与大量监测原始数 据,计算监测位置的位移信息,为用户决策提供可靠依据。

2.2 系统实施

2.2.1 传感器安装

监测传感器包括 TM30 ,气象传感器, GNSS 设备等。

2.2.1.1 TM30 监测机器人安装

TM30 观测站、基准控制点是整个系统的原始基准,点位一定要布设在稳定 可靠的地方,全站仪观测墩最好浇在基岩上,以防止点位变形;点位周围没有大 的遮挡或干扰,为防止点位被破坏,在观测点外围还需要建立观测房。

1. 观测房建设

全站仪观测房主要起防尘、防雨和防破坏的功能。

考虑到防盗 问题, 一般 设计为有人值守的观测 房 。观测房设计为 2 室, 1 室 安置 TM 30 全站仪,另 1 室放置一张床和相关生活及取暖设施。考虑到北方冬夏 温差较大,为保证观测精度,安置全站仪的房间里不能取暖,观测时不能透窗观 测,观测房内温度需要与室外一致;而居住管理员的房间内则需要安装取暖装置 。 2 个房间要用 隔热墙 完全分开,进户时走不同的 防盗门。

该设计不仅便于防盗,而且对于保护仪器设备稳定性,延长系统使用寿命等 都具有重要意义。土建的工作包括建筑材料准备、观测房、建造混凝土观测墩、 基座底盘和对中螺丝和所需的电缆管道铺设等工作。

观测房主体将采用钢混结构建设,观测窗宜采用电控自动金属卷帘门结构。 建造观测 房还应根据现场实际情况灵活设计。

现场全站仪控制箱技术规格为:不小于 60cm (高)× 40cm (宽)× 20cm (高), 要求有绝缘背板,供设备安装使用。

2. 棱镜 点布设

棱镜点分为后视点与监测变形点,其中后视点必须布设在稳定可靠的位置, 作为机器人工作时的定向点。 监测变形点选在 边坡断面上或者能反应边坡形变的 位置 ,并且安装牢靠,棱镜类型也选取同一标准,一经安装,不能随意拆除。

为防雨、防风、防盗,所有棱镜必须装有棱镜保护罩, 参考式样如下:

2.2.1 .2 气象传感器

气象传感器应置于通风遮荫干燥处,一般安置在观测房外部木质百页箱制成 的气象观测箱内,木质百页箱的规格为 40cm × 40cm × 20cm ,内设有供气象仪安 装的背板。 如图所示:

气象传感器实时监测温度和气压条件,通过 GeoMoS 软件识别并对测量数 据进行气象自动改正,进一步提高数据精度。

2.2 .1.3 GNSS 安装

1. 选址测试

根据《全球定位系统( GPS )测量规范》 ,基准点和监测点选址时应满足以 下基本要求:

  • 便于安置接收设备和操作,视野开阔,视场内障碍物的高度角不宜 超过 15 °
  • 远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等),其距离不 小于 200 m ;远离高压输电线和微波无线电信号传送通道,其距离不 应小于 50 m ;
  • 附近不应有强烈反射卫星信号的物件(如大型建筑物等);
  • 交通方便,并有利于其他测量手段扩展和联测;
  • 地面基础稳定,易于标石的长期保存;
  • 充分利用符合要求的已有控制点;
  • 选站时应尽可能使测站附近的局部环境(地形、地貌、植被等)与 周围的大环境保持一致,以减少气象元素的代表性误差。

选址测试工作非常关键,数据须用专业质量分析软件( Spider QC )进行完整 性、多路径等关键因素分析,满足条件了才能确定为站点。

2. 观测点土建

GNSS 点在完成选址测试之后,根据观测墩建设规范,建设带有强制对中盘 的 GNSS 观测墩。若观测墩在野外,必须建造防护栏。

3. GNSS 传感器安装

涉及传感器部分的 GNSS 安装简单,天线通过连接螺丝与强制对中盘相连, 接收机则摆放在配电箱中。

2.2 .2 供电系统

边坡监测环境一般比较恶劣,很少可以通过市电供给,考虑到监测传感器功 率普遍较低,单个最高不超过 10W ,完全可以通过光伏系统发电进行供给。 光 伏系统一般分为两类:独立太阳能供电系统和并网太阳能供电系统。独立太阳能 供电系统分独立直流供电系统和独立交直流供电系统,而并网太阳能供电系统则 一般指光伏并网发电系统。 边坡监测普遍 采用独立交直流供电系统,其原理如图 :

供电系统的设计是以当地的日辐射时数及月平均日辐射量的分布状况为依 据 , 从可靠性(负载要求的可利用时率为条件)和经济型(客户所能接受的价位) 两方面综合考虑,确定出既能满足负载用电要求,又使成本最低的太阳能电池方 阵和蓄电池容量组合。 可供参考的公式如下:

光伏供电设计合理,系统既可靠又经济,维护周期长,反之将严重影响系统 运行,所以野外光伏供电系统设计非常重要。

2.2 .3 通讯系统

随着科技的进步,越来越多的通讯方式被用到测量中,目前可以实现的通讯 方式有: RS485 电缆通讯,光纤通讯, GPRS 通讯,电台通讯和无线网桥通讯。根 据边坡监测的实际环境,合理选用通讯方式。

通讯是自动监测系统中非常重要的一部分,与数据获取息息相关。良好的通 讯系统是完整有效数据的有力保障。下表为常用几种通讯方式的优缺点,仅供参 考:

当整个系统设计到此时,现场点位上的设备、线缆很多,必须要将它们安装在一个配电箱中,配电箱内部参考式样如下,若有蓄电池,推荐使用胶体蓄电池 和地埋箱:

安装配电箱时,需注意以下几点:

  • 防水、散热好,避免夏天箱内温度过高;
  • 箱体结实,防盗性能好;
  • 箱内布线整齐、合理,易于检查与维修。

2.2 .4 避雷系统

避雷系统需防范直击雷和感应雷。 带电积云与地面目标之间的强烈放电称为 直击雷 ,而放电时,巨大的 冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场 称为感 应雷。感应雷若不及时泄入地下,可能产生放电火花,引起设备损坏。

1. 直击雷

全站仪观测房以及 GPS 天线和接收机附近必须安装避雷针,避雷针与天线横 向距离不小于 3m ,避雷针高度按照“滚球法”确定,粗略计算即可。

2. 感应雷

保护器安装在 GPS 接收机的天馈线路上,如下图所示。当受到雷击过电压时, 雷电流通过保护器雷电支路泄放到大地,从而保护 GPS 接收机的安全。

安装说明:

  • 将保护器安装在防雨淋的地方。
  • 将馈线和主机分别接在保护器的两端。
  • 用 2.5mm 2的绝缘铜导线将保护器的接地焊片连接到配电箱上。连接线 应尽量短。

维护:

避雷器无需特别维护,平时只需检查保护器输入、输出和接地线两端连接是否可靠。当通信中断或通信质量下降时,可将保护器去掉,并把天线和 GPS 接收 机相连,若通信状态变好,说明是保护器问题应更换或送修。

2.2 .5 服务器系统

系统服务器安置在大坝监测中心,一般采用机架式服务器,服务器上安装徕 卡监测软件 GNSS Spider 和 GeoMoS 。如下图所示:

系统服务 器安装时需注意以下几点:

  • 安装在线式 UPS ,确保即使断电系统也可以继续运行一段时间;
  • 机柜中布局合理,线缆整齐,必要时制作铭牌;
  • 分开安装 Spider 和 GeoMoS 软件,系统运行更稳定;
  • 有固定 IP ,独享 1M 带宽;
  • 不得作为其他用途使用。

Spider 软件

徕卡 GNSS Spider 是一个高度集成化的软件套装,用于中心化控制和运行 GNSS 站点网。 GNSS Spider 是模块化的,同时也是一个具有可扩展性的软件,实 现中心化数据分发,数据访问管理,其主要功能如下:

  • 对本地的和远程 GNSS 接收机进行配置和控制
  • 从接收机按一定时间间隔进行了数据下载
  • 数据归档和数据分发
  • 生成单站和网络 RTK 改正数
  • 查看用户状态信息与系统运行信息

GeoMoS 软件

GeoMoS 是由徕 卡测量系统研发的自动化监测软件平台,其软件主要由两部 分组成:监测器和分析器。监测器已经拥有成熟的测量和计算程序,能为要求极 高精度的应用提供理想的解决方案。分析器可以图形化和数字化呈现数据。其结 果可用不同的方法来显示,比如时间序列图,从而表示在所选择时间段上的移动 趋势。很多点可以同时在一个图像上表示。

3 小结

本文主要介绍了徕 卡边坡自动化监测系统中传感器安装、供电系统、通讯系 统、避雷系统以及服务器系统的实施方案,徕卡优秀的软硬件系统有机组合在一 起,充分发挥了徕卡测量系统高品质的特点,为边坡安全防治工程保驾护航。

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