第1章绪论
近年来,重大地质灾害事件频发给人民群众的生命和财产安全造成了重大的损失。基于多年来地质灾害的工程实践经验和对相关传感器深入研究,本文将提出一种时域反射测量原理的地表岩土变形分布式测量技术,并将设计一种新型螺旋线结构的时域的反射测量电缆,并对其特性进行了深入的研究,以期为时域反射测量探头设计提供新的设计思路,为地质灾害防治提供新的监测手段。
1.1.地质灾害监测需求
地表岩土变形是其中最为直观的,也是地质灾害监测中重点关注的一种表现形式。实际地质灾害中,岩土变形的表现形式多种多样,如山体崩塌[4,5]、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等。针对不同的表现形式,地表岩土变形的监测和防治手段也差别很大。本文研宄的监测传感器的主要针对的是如图1.1和图1.2所示的地裂缝、滑坡这类地表岩土变形。
岩土变形监测涉及的领域主要包括各种不良地质现象和各类工程(各种地基基础工程,边坡工程和地下工程)所涉及的岩土体内部的压缩、拉伸及剪切变形和表面位移量的监测。其是地质灾害监测系统的重要组成部分之一[6]。如2011年10月25日由甘肃省水利厅负责实施的舟曲县县城及周边地域山洪灾害防治监测预警系统通过验收并投入试运行[7]。该监测预警系统在主要灾害隐患点安装了泥石泥位监测仪、滑坡位移监测仪、裂缝监测仪等监测仪器。通过对岩土变形情况的长期监测和记录有利于对各种地质灾害进行早期预警。对监测数据的分析可以及时发现岩土中隐藏的变形点并对其加强监测和防护工作。对于己知的地质灾害隐患点,岩土变形监测技术可以进一步研究岩土结构的稳定性。岩土变形监测传感器还可以与其它传感器(如自动翻斗式雨量计,地下水位传感器)同步观测,研究地表变形与降雨量和地下水位变化等地质灾害诱发因素之间的关系[8-11]。
1.2.地表岩土变形测量技术的发展现状
1.2.1.简易监测装置
早期由于技术和成本原因,一些简易的量测工具(如皮尺、钢尺、卡尺)被广泛用于岩土变形的监测之中[3]。即使自动传感检测技术层出不穷的今天,这类测量工具仍然广泛用于灾害体表面裂缝等部位的人工监测。
第2章想旋线时域反射測量电缆结构研究
随着电子技术不断发展,市场上已可以买到各类高精度时域反射测量仪,如本文用到的BicotestT631电缆故障测试仪,Tektronix 1502[121,122]。如果没有现成的时域反射仪,也可以由信号发生器和高速示波器一起构成时域反射测量系统[106]。对于各种不同类型的时域反射测量系统来说,其时域反射测量仪都是比较相似的,如果时域反射测量仪类型相同(都是脉冲激励信号或是都是阶跃激励信号),两者可以相互替换,差别主要在于测量精度、分辨率、探测距离等参数。正因为如此,当前时域反射测量技术研宄的主要集中探头的设计。对于每一种测量对象和测量要求,时域反射测量所用的探头结构都会有所不同。从20世纪90年代至今,已设计出多种各具特色的测量探头[86]。本章将对当前时域反射测量探头的结构和测量原理进行研宄,结合岩土变形分布式测量特点和未来实际应用设想,从而提出用于地表岩土变形分布测量的螺旋结构时域反射测量电缆。
第3章螺旋线特性阻抗研究...............33
3. 1.传输线理论模型...............33
3.2.螺旋线特性阻抗理论推导...............39
3.3.特性阻抗与拉伸变形关系实验...............47
3.4.本章小结...............55
第4章螺旋线时域反射特性研究...............56
4.1.理想传输线局部特性阻抗不连续时的时域反射波形...............56
4.2.螺旋线时域反射研究...............65
4.3.阶跃信号时域反射波形处理...............71
4.4.拉伸变形与反射波形变化关系...............74
4.5.阶跃激励信号下的螺旋线变形定位...............79
4.6.本章小结...............80
第5章时域反射测量电路设计...............82
5.1.简易时域反射测量仪设计...............82
5.2.快上升沿整形电路设计...............84
总结
本文由地质灾害监测的现实需求出发,总结了当前各种类型的地表岩土变形监测技术的优缺点,在深入研宄时域反射测量原理和当前主流测量探头的基础上,设计了一种基于螺旋线的岩土变形分布式时域反射测量电缆,并在此基础上研究了其特性阻抗数学模型和时域反射波形特点。
(1)本论文设计了一种适合拉伸变形分布测量的螺旋线结构时域反射测量电缆(发明专利)。传统的时域反射测量探头(探针型、圆柱体容器型和同轴电缆)由于机械结构和测量特性等原因不适合于拉伸变形的分布式测量。其中,探针型和圆柱体容器型探头主要用于土壤含水率等集中参数的测量。同轴电缆虽然可以对地下深部位移进行分布式测量,然而由于同轴电缆的测量是基于电缆的横截面剪切变形,因此无法用于地表拉伸变形测量。螺旋线由于是沿弹性体表面缠绕而成,其在局部拉伸量很大的情况下仍可以保持内部的测量电缆保持正常工作而不断裂。
(2)在对一般传输线模型深入研究的基础上,通过对螺旋线周围电磁场的分析,推导螺旋线特性阻抗与拉伸变形间关系的数学模型。通过理论和实验的方法证明了,螺旋线的特性阻抗随电缆的拉伸而增大,其变化率随拉伸量的增大而减小。
(3)当拉伸区间比较小时,脉冲时域反射测量仪可以有效定位螺旋线的变形位置。当拉伸区间比较小时,螺旋线的局部拉伸在反射波形中会产生一个正向反射。根据反射尖峰在反射波形上的相对位置,时域反射曲线可以直接定位出螺旋线的变形位置。当拉伸区间比较大时,螺旋线局部拉伸变形将在时域反射波形上产生一对相邻的正负反射尖峰,而在两个尖峰的之间存在一段直线,这直接了影响拉伸区间位置的判断。
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