CN103471517A - 一种边坡安全自动监测预警方法及装置 - Google Patents

一种边坡安全自动监测预警方法及装置 Download PDF

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王建松
林灿阳
赵杰
刘庆元
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吴志刚
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Abstract

一种边坡安全自动监测预警***，包括：多条光纤，埋设在边坡体内；检测模块，所述检测模块用以向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息；通讯模块，所述通讯模块用以将反射信息传送到数据处理终端；数据处理终端，用以接收所述检测装置传送的反射信息并进行分析。本发明通过检测光纤的信息，来判断光纤发生宏弯变形或断裂破坏的位置，并用以定位边坡岩土体的变形破坏。

Description

一种边坡安全自动监测预警方法及装置
技术领域
本发明涉及岩土体变形破坏的监测技术，尤其涉及一种边坡安全自动监测预警***及其方法。 
背景技术
近年来，随着山区道路工程的建设和发展，不可避免地存在大量的边坡工程问题。在各种恶劣环境因素的作用下，其边坡岩土力学性能逐渐弱化，防护加固结构功能不断退化，尤其是台风暴雨等极端气候的作用，使得某些稳定的山区高边坡存在各种不稳定的因素，及时检查、监测和分析这些边坡的稳定性与安全性，预测其发展趋势，并及时发布边坡安全危险或隐患预警，以便进行有效的维护管养或抢险加固，这些都将成为山区道路边坡工程建设和运营养护管理的重要工作之一。
山区道路边坡工程通常都是点多面广、投资较大、管养困难，一旦发生边坡变形破坏则灾害严重，危害和威胁交通运营安全。以往边坡的安全监测主要靠现场管养人员的巡查判断，对重点复杂的高边坡进行各种专业仪器试验与监测，费时费力费财，管养水平低下，而且还无法全面把握边坡坡体与防护结构的潜在安全风险，尤其是在养护资金有限的情况下，造成某些边坡得不到及时的科学管控。因此，如何对这些山区道路易受自然灾害影响的复杂地质边坡在各种恶劣环境条件下的工作状况进行监测，有效分析和预测其安全性能，延长使用寿命，进行科学维护和优化决策，发展与当前经济和社会相适应的新一代山区道路边坡安全保障的科学和技术，既是一个迫切需要解决的重大科学问题，也是一个工程界必须面对和妥善采取对策，进行有效预测防护，减少灾难性事故发生的重要工程问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种边坡安全自动监测预警方法及装置，该边坡安全自动监测预警方法及装置具有布设灵活、成本低廉、操作简单、直观可靠和便于实时远程监测的优点。
为解决上述技术问题，本发明提出一种边坡安全自动监测预警***，包括：多条光纤，埋设在边坡体内；检测模块，所述检测模块用以向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息；通讯模块，所述通讯模块用以将反射信息传送到数据处理终端；数据处理终端，用以接收所述检测装置传送的反射信息并进行分析。
优选地，边坡安全自动监测预警***还包括报警模块，所述报警模块连接所述数据处理终端，用以当所述数据处理终端分析所述反射信息满足预设条件时进行报警。
优选地，预设条件为反射信息中反映的宏弯变形或断裂破坏达到报警阀值。
优选地，所述检测模块为光时域反射仪。
优选地，所述光纤为至少两条，其中，至少一条条横向埋设在边坡体内，至少一条竖向埋设在边坡体内。
优选地，数据处理终端包括服务器、终端计算机和通讯单元，所述通讯单元用以接收所述检测装置传送的反射信息，所述终端计算机用以分析反射信息。
优选地，检测模块包括：发射单元，用以发射光脉冲到各条所述光纤内；接收单元，用以接收返回的背向散射和菲涅尔反射信息并记录为检测信息；调节单元，用以控制发射模块和接收模块以预设时间间隔重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。
本发明还提供一种边坡安全自动监测预警方法，方法包括：将多条光纤埋设在边坡体内；通过检测模块向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息；通过通讯模块传送到数据处理终端；通过数据处理终端对反射信息进行处理和分析。
优选地，方法还包括：当所述数据处理终端分析所述反射信息满足预设条件时进行报警。
优选地，通过检测模块向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息的步骤包括：发射光脉冲到各条所述光纤内；接收返回的背向散射和菲涅尔反射信息并记录为检测信息；重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过检测光纤的信息并传输给数据处理终端进行分析，来判断光纤发生宏弯变形或断裂破坏的位置，并用以定位边坡岩土体的变形破坏。这种方式改变了传统的分散式监测为分布式监测，分布式光纤既是传感器又是传输线，具有布设灵活、成本低廉、操作简单、直观可靠和便于实时远程监测等优点，而且突破了以往监测预警手段只能对重点边坡的重要部位布控的局限，特别适用于对大量边坡进行全面安全管控。 
附图说明
图1为本发明的边坡安全自动监测预警***的结构示意图。
图2为本发明的边坡安全自动监测预警***的原理图。
图3为本发明的边坡安全自动监测预警方法的流程图。
图4为本发明的边坡安全自动监测预警方法的步骤S2的流程图。
图5为本发明的边坡安全自动监测预警方法的正常状态时的背向散射曲线坐标图。
图6为本发明的边坡安全自动监测预警方法的发生宏弯变形和断裂破坏状态时的背向散射曲线坐标图。
其中，附图标记说明如下：光纤1、检测模块21、通讯模块22、数据处理终端3和报警模块4。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种边坡安全自动监测预警***，包括多条光纤1、检测模块21、通讯模块22、数据处理终端3和报警模块4。
光纤1，光纤1埋设在边坡体内。所述光纤1为至少两条，其中，至少一条横向埋设在边坡体内，至少一条竖向埋设在边坡体内。在本实施例中，所述光纤1为三条，其中，二条横向埋设在边坡体内，主要用于边坡岩土与结构表层变形破坏监测；一条竖向埋设在边坡体内，主要用于边坡岩土深部变形破坏监测。在其它实施例中，根据需要的不同，光纤1的数量和埋设方式也可以相应变化。例如数量可以采用五条、六条或者七条等等，埋设方式可以采用将多条光纤1开挖埋设于边坡岩土体浅表层、将多条光纤1通过钻孔埋设于边坡岩土体内部深处、将多条光纤1通过切槽埋设于边坡防护工程结构物内部、将多条光纤1直接牢固附着于结构物表面或上述方式混合等方式。
检测模块21，所述检测模块21用以向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息。在本实施例中，所述检测模块包括：发射单元，用以发射光脉冲到各条所述光纤内；接收单元，用以接收返回的背向散射和菲涅尔反射信息并记录为检测信息；调节单元，用以控制发射模块和接收模块以预设时间间隔重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。由于光纤的特性，发出的光脉冲会沿光纤一直向前传播，当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在着分子级大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会改变其原有传播方向向四周散射，这种现象被称为瑞利散射，其中又有一部分散射光线和原来的传播方向相反，被称为背向散射。背向散射的强度随着距离发射源越远变得越来越低，但是，当边坡变形破坏引起各条光纤中的个别位置形成故障点（如宏弯变形或断裂破坏）时，在这些点上，会产生菲涅尔反射即会使背向散射曲线发生变化。在本实施例中，以预设时间间隔重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。因为边坡监测是一个需要长期执行的过程，边坡的变化也是一个相对漫长的过程，所以可以采用间断式的监测，即按照一定的时间间隔进行监测，以保证监测的效率。
通讯模块22，所述通讯模块22用以将反射信息传送到数据处理终端3。通讯模块22可以采用有线或无线两种形式，采用无线形式时可以通过互联网与数据处理终端3进行数据交互，并且可以设置天线来增强信号效果。具体的形式根据需要可以不同，例如3G无线通讯、射频无线通讯等等方式。
数据处理终端3，用以接收所述检测装置2传送的反射信息并进行分析。所述数据处理终端3包括服务器、终端计算机和通讯单元。
通讯单元，用以接收所述检测装置传送的反射信息，通讯单元与通讯模块22相匹配以便能进行数据交互。
终端计算机，终端计算机包括测试命令单元、数据采集单元、数据分析单元、告警处理单元、数据库单元、WEB服务单元、GIS单元、图形单元、曲线单元、报表***单元和用户管理单元。主要的功能是对反射信息进行分析，通过返回的背向散射和菲涅尔反射信息形成检测曲线，由于背向散射曲线在正常情况下的光纤内应该为平滑的斜线，当曲线上出现明显的台阶和尖锐突起时，则代表光纤在该位置发生了菲涅尔反射即出现了形变，而如果该位置不是光纤本身的形变处，例如熔接接头或者连接器接头，则表明光纤在该位置受到外界影响内出现了宏弯变形和断裂破坏。
服务器，服务器方便工作人员在其它地方访问终端计算机随时了解数据情况。
报警模块4，所述报警模块4连接所述数据处理终端3，用以当所述数据处理终端3分析所述反射信息满足预设条件时进行报警。在本实施例中，预设条件为反射信息中反映的宏弯变形或断裂破坏达到报警阀值，即背向散射曲线上出现的台阶和尖锐突起的幅度超过报警阀值，这时终端计算机的告警处理单元就会发送信号给报警模块4，使得报警模块4进行报警，具体的报警方式可以是多样的，例如：闪光、尖声等等。
在本实施例中，所述发射单元为激光器，所述接收单元为光接收机，所述调节单元为脉冲发生器。即采用光时域反射仪来作为发射单元、接收单元，和调节单元。在其它实施例中，可以采用其它具有该功能的硬件来组合实现。
本发明还提供一种边坡安全自动监测预警方法，所述方法包括：
步骤S1：将多条光纤埋设在边坡体内；
步骤S2：通过检测模块向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息；
步骤S2具体包括：
步骤S21：发射光脉冲到各条所述光纤内；
步骤S22：接收返回的背向散射和菲涅尔反射信息并记录为检测信息；
步骤S23：重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。
步骤S3：通过通讯模块传送到数据处理终端；
步骤S4：通过数据处理终端对反射信息进行处理和分析。
步骤S5：当所述数据处理终端分析所述反射信息满足预设条件时进行报警。
关于边坡安全自动监测预警方法的具体细节请参阅上文关于边坡安全自动监测预警***的描述，在此不做赘述。
下面以本实施例为例详细说明本发明的工作方式和工作原理。
如图2所示，两条光纤1横向由地表埋设入边坡中，一条光纤1竖向由地表埋设入边坡中，检测模块21连接光纤1，检测模块21的发射单元按固定时间间隔向光纤1内发射激光来检测光纤1的情况。随着时间的推移，当边坡慢慢发生滑坡时，滑面处的光纤1发生变形，产生宏弯断裂，返回特殊的菲涅尔反射信息，检测模块21的接收单元接收返回的反射信息将并记录，通讯模块22将数据发送到数据分析终端3，数据分析终端3进行分析，若达到报警阀值，则进行警报，工作人员根据背向散射曲线能判断出光纤发生宏弯断裂处的位置，从而判断出边坡的滑面2位置等等。
请参阅图5和图6，如图5所示，该段光纤内没有发生形变，背向散射曲线正常，如图6所示，b＇1处为下降台阶，则b＇1处所对应的光纤位置应该发生了宏弯变形，b＇2处为尖锐突起，则b＇2处所对应的光纤位置发生了断裂破坏，工作人员通过计算该两处位于光纤中的位置就可以推断出边坡地层中的变化位置。
综上所述，本发明通过检测光纤的信息并传输给数据处理终端进行分析，来判断光纤发生宏弯变形或断裂破坏的位置，并用以定位边坡岩土体的变形破坏。这种方式改变了传统的分散式监测为分布式监测，分布式光纤既是传感器又是传输线，具有布设灵活、成本低廉、操作简单、直观可靠和便于实时远程监测等优点，而且突破了以往监测预警手段只能对重点边坡的重要部位布控的局限，特别适用于对大量边坡进行全面安全管控。
以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种边坡安全自动监测预警***，其特征在于，包括：
多条光纤，埋设在边坡体内；
    检测模块，所述检测模块用以向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息；
    通讯模块，所述通讯模块用以将反射信息传送到数据处理终端；
数据处理终端，用以接收所述检测装置传送的反射信息并进行分析。
2. 根据权利要求1所述边坡安全自动监测预警***，其特征在于，所述边坡安全自动监测预警***还包括报警模块，所述报警模块连接所述数据处理终端，用以当所述数据处理终端分析所述反射信息满足预设条件时进行报警。
3. 根据权利要求2所述边坡安全自动监测预警***，其特征在于，所述预设条件为反射信息中反映的宏弯变形或断裂破坏达到报警阀值。
4. 根据权利要求1所述边坡安全自动监测预警***，其特征在于，所述检测模块为光时域反射仪。
5. 根据权利要求1所述边坡安全自动监测预警***，其特征在于，所述光纤为至少两条，其中，至少一条横向埋设在边坡体内，至少一条竖向埋设在边坡体内。
6. 根据权利要求1所述边坡安全自动监测预警***，其特征在于，所述数据处理终端包括服务器、终端计算机和通讯单元，所述通讯单元用以接收所述检测装置传送的反射信息，所述终端计算机用以分析反射信息。
7. 根据权利要求1所述边坡安全自动监测预警***，其特征在于，所述检测模块包括：
    发射单元，用以发射光脉冲到各条所述光纤内；
    接收单元，用以接收返回的背向散射和菲涅尔反射信息并记录为检测信息；
    调节单元，用以控制发射模块和接收模块以预设时间间隔重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。
8. 一种边坡安全自动监测预警方法，其特征在于，所述方法包括：
    将多条光纤埋设在边坡体内；
    通过检测模块向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息；
    通过通讯模块传送到数据处理终端；
    通过数据处理终端对反射信息进行处理和分析。
9. 根据权利要求8所述边坡安全自动监测预警方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述数据处理终端分析所述反射信息满足预设条件时进行报警。
10. 根据权利要求8所述边坡安全自动监测预警方法，其特征在于，所述通过检测模块向所述光纤内发射光脉冲并接收返回的反射信息的步骤包括：
    发射光脉冲到各条所述光纤内；
    接收返回的背向散射和菲涅尔反射信息并记录为检测信息；
    重复预设次数的所述发射步骤和所述接收步骤。
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