基于TDR技術的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應用分析

彭小平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司)

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基于TDR技術的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應用分析

彭小平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司)

在高速公路工程的建設過程中，做好邊坡監(jiān)測工作具有重要意義，是保證邊坡穩(wěn)定、公路運行安全的基礎。主要結合晴隆滑坡，分析了基于TDR技術的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應用。

晴隆滑坡；TDR技術；邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)

1 TDR系統(tǒng)概述

1.1 TDR系統(tǒng)原理

TDR是時域反射法的簡稱，它是一種遠程電子測量技術。一個完整的TDR滑坡監(jiān)測系統(tǒng)一般由TDR同軸電纜、電纜測試儀、數(shù)據(jù)記錄儀、遠程通訊設備以及數(shù)據(jù)分析軟件等幾部分組成。

在使用TDR系統(tǒng)進行滑坡監(jiān)測時，首先需要在滑坡的某個位置鉆孔，并將TDR同軸電纜安放在鉆孔中。然后，將TDR電纜與電纜測試儀相連。電纜測試儀作為信號源，發(fā)出步進的電壓脈沖通過電纜進行傳輸，同時反映從電纜中反射回來的脈沖信號。數(shù)據(jù)記錄儀連接到電纜測試儀之上，它對電纜測試儀起控制作用，記錄和存儲從電纜中反射回來的脈沖供以后分析。此外，數(shù)據(jù)記錄儀還可連接遠程通訊設備如移動電話或是短波無線電裝置等，將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠處。TDR系統(tǒng)中還可配備多路復用器，以對多點進行同時監(jiān)測。

1.2 TDR系統(tǒng)優(yōu)點

TDR系統(tǒng)與傾斜儀等傳統(tǒng)監(jiān)測儀器相比有很多優(yōu)點：(1)價格低廉。與昂貴的傾斜儀外殼相比，TDR電纜的價格優(yōu)勢十分明顯。(2)檢測時間短。可以在不到5 min時間內(nèi)了解TDR電纜的信號狀況，而讀出一個傾斜儀的數(shù)據(jù)則需要0.5～1 h的時間。(3)可遠程訪問。TDR系統(tǒng)可以與數(shù)據(jù)記錄器、普通電話或便攜式電話相連，從而方便地實現(xiàn)遙測。(4)數(shù)據(jù)提供快捷。TDR不需要先將數(shù)據(jù)從讀數(shù)顯示箱下載到計算機內(nèi)，然后再繪制出結果。電纜測試儀的屏幕可以直接顯示電纜的信號。(5)安全性高。使用TDR，技術人員不再需要冒著滑坡和巖崩的危險親臨不穩(wěn)定的滑坡進行數(shù)據(jù)采集。

2 基于TDR技術的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應用

2.1 主要監(jiān)測儀器

晴隆滑坡監(jiān)測要求設計邊坡監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)邊坡監(jiān)測自動化，可以接入TDR、孔隙水壓力計、固定式測斜儀、雨量計等獲取邊坡監(jiān)測的重要參數(shù)。主要儀器包括有：

(1)測斜儀及傾斜計

對于一個處于滑移狀態(tài)的邊坡，用傾斜計監(jiān)測可以確定滑移方向、圈定變形區(qū)域，而且多數(shù)情況下可以判定滑移的力學機理。

傾斜計和測斜儀聯(lián)合使用，構成一個適合多數(shù)邊坡和結構穩(wěn)定性調查的有效方法。在初期評估監(jiān)測現(xiàn)場的滑移時，可以根據(jù)傾斜計的成果確定是否需要測斜儀、使用測斜儀測試的次數(shù)多寡，以及測斜鉆孔位置的分布等。從另一方面來看，測斜儀可以探測邊坡滑移三維幾何參數(shù)。

(2)固定式測斜儀和TDR

TDR時域反射儀，是一種新型而便宜的監(jiān)測地表下沿著剪切面的移動變形的方法。它每200微秒給測試電纜激發(fā)一次超速脈沖電壓，在遇到斷裂的地方阻抗特性發(fā)生變化，于是脈沖被反射回到電纜測試儀，而在電纜特性曲線上顯示為一個峰值，如圖1所示。每一個獨立的反射分別確定一個對應的斷裂位置。

在垂直的鉆孔中使用TDR，其安裝費用比安裝通常的測斜管要便宜。TDR自身只能指出發(fā)生移動的深度位置和相對位移大小。但是，TDR與其它儀器配合使用，可以得出地下條件的更多信息。比如TDR、固定式測斜儀和孔隙水壓力計在同一鉆孔中的聯(lián)合作用。

圖1 TDR測試電纜特性曲線

2.2 邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

晴隆滑坡自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由四種傳感器組成，分別是：(1)TDR同軸電纜；(2)固定式測斜儀；(3)滲壓計；(4)雨量計。這四種傳感器的輸出信號類型，見表1。

表1 自動測試儀器的輸出信號類型

用于傳感器管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬x器有數(shù)據(jù)存儲儀與MODEM，主要用來管理、存儲和發(fā)送四種傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲儀與計算機之間，經(jīng)過GSM，用MODEM進行無線連接，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，監(jiān)測數(shù)據(jù)就可以遠距離傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，即計算機中。另外還有下載數(shù)據(jù)軟件和

數(shù)據(jù)處理軟件，用來存儲、計算、圖形化所有監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設計的邏輯結構見圖2，監(jiān)測系統(tǒng)的構成見表2。

可在邊坡上設置一小工房，將TDR測試儀、數(shù)據(jù)存儲儀、MODEM等存放在里面，采用220 V交流電作為電源，雨量計則可以固定在房子屋面。

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點集中表現(xiàn)在：①可按項目要求設置采樣率，實現(xiàn)24 h連續(xù)觀測；②克服了人工讀數(shù)誤差，避免混淆數(shù)據(jù)而導致錯誤結論，極大地提高了測試精度；③如果邊坡滑移超過警戒限值，系統(tǒng)可實現(xiàn)報警；④系統(tǒng)可以通過串行接口直接與計算機連接進行數(shù)據(jù)配置和下載，也可以通過電話、無線電來實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸。

表2 邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)儀器及軟件

圖2 自動監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同邏輯關系結構圖

2.3 TDR監(jiān)測成果分析

用PCTDR軟件收集TDR監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后用TDRPlot軟件對TDR監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動分析，得到TDR測試電纜相對反射系數(shù)隨孔深的變化情況，見圖3、圖4。

圖3、圖4中的尖峰信號所對應的深度即為滑面所處位置，從中可以看出，CXK6滑面位置在11.5 m，與人工深部位移監(jiān)測得到的結果吻合。

CXK4-1的TDR波形顯示，SYV-75-5型同軸電纜在15 m處出現(xiàn)短路信號，SYWV-75-7型同軸電纜在23 m處出現(xiàn)一弱尖峰信號，SYWV-75-9型同軸電纜在23 m處出現(xiàn)短路信號，結合人工測斜結果，可以判斷滑面位置在23 m

處。總的來說，TDR測試技術實現(xiàn)了更快速、更精準地確定潛在滑面位置。

圖3 CXK4-1監(jiān)測孔TDR監(jiān)測波形

圖4 CXK6監(jiān)測孔TDR監(jiān)測波形

3 結 語

綜上所述，TDR系統(tǒng)是進行邊坡監(jiān)測的一個新技術，其具有成本低、監(jiān)測時間短、安全性高等優(yōu)點。但是，由于我國TDR邊坡監(jiān)測技術還處于起步階段，其發(fā)展還需大量的試驗和實踐應用研究來豐富。

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2015-01-07

U416.1

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1008-3383(2015)09-0023-02