地下位移測量方法及理論研究.pdf

1、地下位移監(jiān)測是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、巖土工程項目質(zhì)量安全評價的重要手段及研究熱點。它可以深入巖土體內(nèi)部進行地下不同深度水平位移、沉降、傾斜方向等地質(zhì)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，因此能準確檢測地下位移形變信息，確定滑移面和變形范圍，進而研究變形機制、成災(zāi)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及防災(zāi)預(yù)報。監(jiān)測上的不可見和復(fù)雜性導(dǎo)致地下位移監(jiān)測技術(shù)發(fā)展緩慢，存在精度差、成本高、非自動化或難于準確計算地下位移量等問題。本文提出了一種基于新型電磁式地下位移傳感器組和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的地下位

2、移自動測量及遠程監(jiān)控方法，設(shè)計了水平型（Ⅰ型）和水平-垂直復(fù)合型（Ⅱ型）兩款電磁式地下位移傳感器。針對這兩款傳感器進行了地下位移測量方法及相關(guān)理論的深入研究工作。綜合考慮影響Ⅰ、Ⅱ型傳感器傳感特性的各種因素及相關(guān)參數(shù)，提出了三個具有較高計算精度且適合硬件實現(xiàn)的測量理論模型。利用這三個測量模型，對Ⅰ型、Ⅱ型地下位移傳感器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)反演，推算出地下不同深處的相對水平位移量、垂直位移量及傾斜角度。實驗和理論仿真對比研究結(jié)果既檢驗了

3、Ⅰ、Ⅱ型傳感器的地下位移測量性能，又驗證了上述測量模型及地下位移反演算法的有效性，同時也構(gòu)成了較完備的地下位移測量理論基礎(chǔ)。
　　 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點總結(jié)如下:
　　 (1)提出了一種新的地下位移測量方法。即將電磁理論、霍爾效應(yīng)、重力測斜等傳感機制相融合，結(jié)合現(xiàn)代集成傳感技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計了一種新型的地下位移測量儀和GPRS無線監(jiān)控系統(tǒng)。測量儀采用地下位移測量串的組織形式，由多個等距間隔的集成地下位移傳感器單元與

4、一個地下位移測量集中處理單元串接組成。任兩相鄰傳感器單元構(gòu)成一個電磁式地下位移傳感器，可測出地下某深度處的相對位移和傾斜角度，而整個測量串則可實現(xiàn)從地表直至地下不動巖之間整體位移及傾斜角度的測量;配套開發(fā)的GPRS無線監(jiān)測系統(tǒng)可進一步實現(xiàn)地下位移和傾斜量的遠程網(wǎng)絡(luò)化傳輸及監(jiān)控。針對不同應(yīng)用場合，設(shè)計出水平型（Ⅰ型）和水平-垂直型(Ⅱ型)兩款地下位移傳感器。前者主要用于如順層滑坡、邊坡、基坑及圍護樁、公鐵路路基等以側(cè)向變形為主的巖土項目的

5、地下水平位移監(jiān)測;后者常用于像崩塌、旋轉(zhuǎn)滑坡、地塌陷、地沉降、軟土基、隧道、圍巖等需要對水平和垂直兩個方向的地下位移同時進行監(jiān)測的應(yīng)用場合。
　　 (2)針對Ⅰ型傳感器主要對地下水平位移和傾斜角進行監(jiān)測的應(yīng)用特點，將電磁場公式推導(dǎo)法和等效圓環(huán)模型相結(jié)合，提出了稱為“公式-圓環(huán)等效法”(EELA)的互感電壓測量模型。建立起Ⅰ型傳感器待測的地下水平位移量、傾斜角度與傳感器輸出互感電壓及傳感器單元幾何形狀參數(shù)之間的理論關(guān)系。實驗結(jié)果論

6、證了該模型的準確性和有效性。
　　 (3)針對Ⅱ型傳感器需對地下水平位移、垂直位移及傾斜角同時進行監(jiān)測的特點，將電磁場公式推導(dǎo)法、等效圓環(huán)法和數(shù)值積分法相融合，提出了稱為“數(shù)值積分-圓環(huán)等效法”(NIELA)的互感電壓測量模型，用于描述Ⅱ型傳感器待測地下水平位移量、垂直位移量、傾斜角度與傳感器的互感電壓輸出、傳感器單元幾何、形狀參數(shù)之間的理論關(guān)系。
　　 (4)將霍爾傳感機理分析、永磁體3D磁場建模和多維數(shù)值積分法相結(jié)合

7、，提出了稱為“等效磁荷-數(shù)值積分法”(EMC-NI)的霍爾電壓測量模型，用于描述Ⅱ型傳感器待測地下水平位移量、垂直位移量、傾斜角度與傳感器的霍爾電壓輸出、傳感器單元及永磁體幾何、形狀、材料特性參數(shù)之間的理論關(guān)系。實驗結(jié)果表明NIELA和EMC-NI模型能較準確高效地描述Ⅱ型傳感器的互感和霍爾特性。二者構(gòu)成Ⅱ型傳感器的地下位移測量模型。
　　 (5)提出了基于“正演模擬-尋優(yōu)反演法”的地下位移反演算法。該算法將上述3個具有較高精度

8、的測量模型分別作為Ⅰ、Ⅱ型傳感器的正演模型，結(jié)合尋優(yōu)逼近反演法，實現(xiàn)對Ⅰ型傳感器地下水平位移的反演和對Ⅱ型傳感器地下水平和垂直位移的聯(lián)合反演。研究結(jié)果表明，所提出的地下位移參數(shù)反演算法是穩(wěn)定有效的，Ⅰ傳感器的水平位移反演偏差平均值小于3mm（實測水平位移變化范圍0～100mm），Ⅱ型傳感器的水平位移和垂直位移的反演偏差平均值分別小于2mm和0.5mm（實測水平位移和垂直位移變化范圍均為0～30mm），反演結(jié)果能較準確地預(yù)測傳感器所埋地層

9、處的相對水平位移量和垂直位移量。
　　 (6)將基于上述三個理論模型計算所得互感電壓、霍爾電壓理論值與互感電壓、霍爾電壓實驗實測值進行綜合比對分析和參數(shù)反演應(yīng)用研究，一方面客觀評估這三個模型的建模有效性和計算精確度，為定性分析和定量評估Ⅰ型和Ⅱ型傳感器的傳感特性、影響因素及傳感器優(yōu)化設(shè)計提供理論支持和指導(dǎo)意見;另一方面，將上述理論建模的高精度和傳感器自身測數(shù)的穩(wěn)定性相結(jié)合，通過實施基于正演模型的尋優(yōu)反演算法，將Ⅰ型和Ⅱ型傳感器輸