TWI509244B - 整合式淺層邊坡穩定監測棒 - Google Patents

Description

整合式淺層邊坡穩定監測棒

本發明係關於一種整合式淺層邊坡穩定監測棒，特別關於一種可應用於監測淺層邊坡崩坍之自動化邊坡安全監測系統。

按，在淺層邊坡穩定性監測技術上，已知技術之邊坡穩定現場監測使用雨量計(rain gage)量測降雨或使用溼度計(hygrometer)從空氣相對濕度來間接估計降雨情況，但降雨本身與土壤破壞並沒有直接力學關係，所以使用降雨評估邊坡崩塌需仰賴經驗法則，常有誤判之情形。

另，已知技術之邊坡穩定現場監測使用傾斜儀(inclinometer)，透過傾斜量變化來觀察地層滑動。其他在地表直接量測地層滑動的方法可以包括全球定位系統(Global Positioning System,GPS)，光學影像系統與地表伸縮計(extensometer)等。但地層滑動量或滑動速率與地層土壤是否會發生破壞也沒有直接力學關係，因此其數據之使用也需仰賴經驗法則，也常有誤判之情形。

已知技術之邊坡穩定現場監測使用水壓計(piezometer)，直接量測飽和土壤內孔隙水壓，透過力學關係可得土壤強度參數進行邊坡穩定分析，但土壤未飽和時無法正確量測，而山坡地在平時因為地下水為較深，淺層土壤通常處於非飽和狀態，非飽和土壤內受基質吸力(matric suction)或負孔隙水壓影響而維持其穩定性。而降雨可以使得淺層土壤飽和度增加甚至達到完全飽和，此一過程導致土壤失去基質吸力或孔隙水壓增大，乃至於邊坡崩塌。

已知技術之非飽和土壤基質吸力量測使用張力計(tensiometer)，將其貫入土層，可以直接量測非飽和土壤之基質吸力，但長期量測需要使用人力，維持量測系統之飽和，實用性較差。習知技術也有使用電學原理間接感應淺層土壤之含水量，再從含水量根據經驗法則來推估土壤基質吸力。使用習知張力計或土壤之含水量量測技術做現場自動化量測，但此技術的耗電量在mw以上，能源供應比較複雜，施實難度高。

已知技術不是單一功能，就是長期量測需要使用人力，數據之使用也需仰賴經驗法則。因此發展新技術以解決邊坡現場穩定監測問題及避免仰賴經驗法則之問題，將為淺層邊坡現場穩定監測所迫切需要解決的問題。

於是，為解決上述之缺點，本發明之目的係在提 供一種整合式淺層邊坡穩定監測棒，結合微機電感測器與無線通訊之監測棒，發展一種整合式，低成本，低耗能且不受土壤飽和與否之影響，適用於因降雨而導致淺層坡地崩塌之坡地安全監測，可應用於淺層邊坡崩坍之自動化邊坡監測系統。

本發明係一種整合式淺層邊坡穩定監測棒，其包括：一橫管，其內部裝有一電源模組及一通訊模組；一豎管，其一端固定於該橫管側邊，且該豎管與橫管的內部空間相通；一重力感測器裝設於該豎管內鄰近該橫管；及一量測端部裝設於該豎管另一端，該量測端部表面設有複數個透氣孔，且該量測端部內裝設有一相對濕度/溫度計及一壓力計。實施上，該橫管外裝置一通訊天線，且該通訊天線電性連接該通訊模組。

其中該量測端部與該豎管之間設有一隔離板。其中該量測端部內部填滿皂土與砂土，配合該量測端部內部隔離空間與皂土與砂土混合，量測周圍土壤孔隙內空氣相對濕度，也以間接方法估計非飽和狀態下土壤基質吸力，提供土壤非飽和狀態下之由相對濕度計得土壤溼度。

其中該量測端部的底側設有外露的一透水石，該量測端部內的壓力計設置於該透水石的凹部，且該壓力計與該透水石間填滿矽油。

進一步，該電源模組電性連接外界的一太陽能充 電模組，在電源供應使用充電電池時，可以與太陽能板配合減少更換電池的次數。

本發明之整合式淺層邊坡穩定監測棒的優點包括：1.使用溼度/溫度計透過量測土壤內部一密閉空間內之相對濕度，以間接方法估計非飽和狀態下土壤基質吸力，提供土壤非飽和狀態下之強度。2.土壤飽和時，透過壓力感測器與透水石配合量測土壤內孔隙水壓，提供土壤飽和狀態下之強度；3.使用重力感測器(G-sensor)來感測地層之移動；4.全部感測器可使用消費性微機電感測器(MEMS sensor)，其耗電量在μw等級，電源供應需求容易滿足且成本低廉；5.使用無線感測器網路技術(wireless sensor network,WSN)做無線訊號傳輸，與電源供應系統封裝在一長度50-100公分之空心剛性金屬監測棒內，無須外接任何線路，便於安裝與維護，大幅降低成本，現場安裝時將一系列監測棒貫入地表約50公分即可。

110‧‧‧橫管

120‧‧‧豎管

121‧‧‧隔離版

130‧‧‧量測端部

131‧‧‧透氣孔

140‧‧‧透水石

141‧‧‧凹部

150‧‧‧矽油

160‧‧‧皂土與砂土

210‧‧‧電源模組

220‧‧‧通訊模組

221‧‧‧通訊天線

230‧‧‧重力感測器

240‧‧‧相對濕度/溫度計

250‧‧‧壓力計

300‧‧‧排線

400‧‧‧通氣隔離空間

500‧‧‧太陽能充電模

第1圖係本發明之立體示意圖。

第2圖係本發明之部份剖面示意圖。

第3圖係本發明之局部剖面示意圖。

第4圖係本發明另一實施之立體示意圖。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

請參閱圖1~圖3，為本發明實施例之示意圖。本發明係一種整合式淺層邊坡穩定監測棒，可應用於因降雨所導致淺層邊坡崩坍之自動化邊坡監測系統，是一種用以貫入土內，於一與土壤孔隙相通量測土壤孔隙內之空氣相對濕度、孔隙水壓以及地表傾斜度變化的整合式淺層邊坡穩定監測棒，其包括：一橫管110，一豎管120，其一端固定於該橫管110側邊，且該豎管120與橫管110的內部空間相通；及一量測端部130裝設於該豎管120另一端，該量測端部130表面設有複數個透氣孔131，該些透氣孔131直徑約1mm。

實施上該橫管110係由一長約350mm的剛性空心管，該豎管120係由一長500-700 mm之剛性空心管所組成，且該量測端部130也是由剛性材料所組成。

該橫管110內部安置一電源模組210及一通訊模組220，該橫管外裝置一通訊天線221，且該通訊天線221電性連接該通訊模組220，各模組間以及模組與通訊天線221或後述各感測器間使用排線300做訊號與電源傳輸。

一重力感測器(加速度感測器)230裝設於該豎管120內鄰近該橫管110，使用該重力感測器230來感測地層之移動；實施上，該重力感測器230使用軟性矽膠塗抹感測器與電 路板做防水處理後裝置於該豎管120內頂部。

該量測端部130內裝設有一相對濕度/溫度計240及一壓力計250。實施上，該相對濕度/溫度計240與該絕對壓力計250分別固定於兩個電路板，兩個電路板連結固定在一起，並透過排線300傳輸電源與信號，該相對濕度/溫度計240的電路板在該壓力計250電路板上方，電路板部分全部使用軟性矽膠塗抹做防水處裡，然後安置該量測端部130與該豎管120底部由一隔離版121所建立之通氣隔離空間400內。

實施上，本發明的感測器都可使用消費性微機電感測器(MEMS sensor)，微機電系統(Microelectromechanical Systems，MEMS)是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作範圍在微米範圍內。

又，該量測端部130的底側設有外露的一透水石140，該通氣隔離空間400內的該壓力計250設置於該透水石140的凹部141，且該壓力計250與該透水石140間填滿矽油(Silicone Oil)150。且該通氣隔離空間400使用混合之皂土與砂土160填滿。

當該豎管120底部該量測端部130附近的土壤飽和時，飽和土壤內之孔隙水會透過該些透氣孔131進入該通氣隔離空間400時，該通氣隔離空間400中的皂土會膨脹而將土壤孔隙水阻隔在該皂土與砂土160外層。使用該溼度/溫度計240配合該通氣隔離空間400內皂土與砂土160混合，量測周圍 土壤孔隙內空氣相對濕度，過量測土壤內部一密閉空間內之相對濕度，以間接方法估計非飽和狀態下土壤基質吸力，提供土壤非飽和狀態下之強度。

且飽和土壤內之孔隙水則可透過該透水石140擠壓矽油(Silicone Oil)150，將孔隙水壓傳遞至該壓力計250，透過該壓力計250與透水石140配合量測土壤內孔隙水壓。矽油稠度(viscosity)與沸點高於水，長期使用比較不易產生氣化而失去其靈敏性。透水石140可以使用小孔隙之高進氣陶瓷，如此壓力計250也可以有相當程度負孔隙水壓或基質吸力量測之能力。

請再參閱圖4，本發明的電源模組210可使用充電電池，可以與外界的太陽能充電模500組配合，減少更換電池的次數；或於需要時派員至現場更換內部電池。

本發明將元件封裝在一長度50-100公分之空心剛性金屬監測棒(stick)內，無須外接任何線路，便於安裝與維護，大幅降低成本，現場安裝時將一系列監測棒貫入地表約50公分即可。本發明在應用安裝時，配合一略小於監測棒底徑長之鑽錘或手鑽，鑽掘500 mm深之預鑽孔後，將本發明之整合式淺層邊坡穩定監測棒貫入預鑽孔底部，並以皂土將監測棒與地面接縫處進行防水封層，以防止地表水由此空隙滲入地層影響量測。防水封層完成後即完成整合式淺層邊坡穩定監測棒之安裝，並於管理單位處建立數據接受系統，進行 自動化整合式淺層邊坡穩定監測與預警。其中，感測訊號以無線方式傳輸至收集點，電源可以與太陽能電池配合，整合前述之數據與分析，決定是否發佈邊坡崩塌之預警。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

110‧‧‧橫管

120‧‧‧豎管

130‧‧‧量測端部

131‧‧‧透氣孔

140‧‧‧透水石

210‧‧‧電源模組

220‧‧‧通訊模組

221‧‧‧通訊天線

230‧‧‧重力感測器

300‧‧‧排線

Claims (4)

1. 一種整合式淺層邊坡穩定監測棒，其包括：一橫管，其內部裝有一電源模組及一通訊模組；一豎管，其一端固定於該橫管側邊，且該豎管與橫管的內部空間相通；一重力感測器，其裝設於該豎管內鄰近該橫管；及一量測端部，其裝設於該豎管另一端，該量測端部表面設有複數個透氣孔，且該量測端部內裝設有一相對濕度/溫度計及一壓力計，其中該量測端部內部填滿皂土與砂土，該量測端部的底側設有外露的一透水石，該量測端部內的壓力計設置於該透水石的凹部，且該壓力計與該透水石間填滿矽油。
2. 根據申請專利範圍第1項之整合式淺層邊坡穩定監測棒，其中該橫管外裝置一通訊天線，且該通訊天線電性連接該通訊模組。
3. 根據申請專利範圍第1項之整合式淺層邊坡穩定監測棒，其中該量測端部與該豎管之間設有一隔離板。
4. 根據申請專利範圍第1項之整合式淺層邊坡穩定監測棒，其中該電源模組電性連接外界的一太陽能充電模組。