本实用新型涉及滑坡监测技术领域，具体是一种基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置。
背景技术：
高位远程滑坡即高位滑坡地质灾害，它从高陡斜坡上部位置剪出并形成凌空加速坠落，具有撞击粉碎效应和动力侵蚀效应，导致滑体解体碎化，从而转化为高速远程碎屑流滑动或泥石流流动，并铲刮下部岩土体，使体积明显增加。
目前，滑坡变形大都采用位移监测，应用较为广泛，主要包括：
①、大地精密测量法：其采用全站仪、水准仪、经纬仪等，其能观测滑坡体的绝对位移量，测量精度和效率都较高，适用于不同变形阶段的滑坡位移监测，但在地形条件(通视条件)和气象条件受限制的情况下，测量工作量大、周期长、自动化程度低。
②、gps监测法：操作简单方便，具有全天候、高精度、全自动等优点；但测量精度低，不适合于滑坡变形初期监测；且在高山地区，卫星信号易被遮挡，多路径效应较为严重时，对测量结果有一定影响。此外，gps接收机价格昂贵，推广应用难度大，gps点由于成本的原因不可能安装成网格状，容易造成局部监测不到的问题。
③、botdr监测法：测量精度高，适用性强，实时稳定性好；但价格昂贵，野外操作性差，维护难度大，且易扯断，难以用于滑坡监测中后期。
④、insar等非接触法，获取数量大，精度高，获取数据快。但数据处理困难，受植被、土壤、含水量等环境影响因素大，且数据难以处理，适用性较差。
⑤、测缝法：投入快、精度高、方法简易直观、资料可靠。但存在仪器安装困难，很多地方没有明显的裂缝，且不适用于滑坡变形中后期。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，通过布设在滑坡体上的定点式应变传感光缆，能够实时检测滑坡变形量及含水率，并通过数据采集处理装置将监测的参数远程传输给监控终端，有效对山体滑坡进行监测预警。
本实用新型采取的技术方案为：
基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，包括布设在滑坡体上的定点式应变传感光缆，所述定点式应变传感光缆连接解调装置，解调装置连接数据采集处理装置。
所述定点式应变传感光缆包括位于中心的光纤线芯，所述光纤线芯上刻写有光栅，光栅处于自由活动状态，定点式应变传感光缆通过环切口子露出光纤线芯后，灌入胶黏剂与光纤线芯固化构成一个胶接定点；所述定点式应变传感光缆中埋入有碳纤维丝。
所述碳纤维丝通过控制模块连接数据采集处理装置。
所述光纤线芯由内层至外层依次包裹有铠装层、编织层、外护套；光栅与铠装层处于自由活动状态，所述胶接定点套有保护壳。
宽带光源通过第一传输光纤连接光环形器，解调装置通过第二传输光纤连接光环形器，光环形器连接光纤线芯。
所述数据采集处理装置通过传输电缆连接控制模块。
所述数据采集处理装置包括计算机，计算机连接无线传输模块。
该装置还包括第一安装卡具，用于将定点式应变传感光缆布置在软土上，所述第一安装卡具包括多个固定件，每一个固定件上设有用于固定胶接定点的卡件。
该装置还包括第二安装卡具，用于将定点式应变传感光缆布置在坚硬的岩体上，第二安装卡具包括上扣件、下扣件，所述上扣件开设固定孔、半圆槽、所述下扣件设有螺孔、固定钉，下扣件配置爆破冲击体；半圆槽用于固定定点式应变传感光缆，从而固定胶接定点，爆破冲击体与撞针撞击，产生爆炸推动固定钉到坚硬的岩体里，螺丝穿过固定孔将上扣件、下扣件固定。
所述滑坡体上设有钻孔，定点式应变传感光缆放置于钻孔中，用于土体分层定量监测滑坡体的变形量及含水率；放置原状土后，在每一层土体对用的胶接定点周围放置粘土球，粘土球的作用是滑坡带下滑时带动定点式应变传感光缆发生应变变化，增加定点式应变传感光缆与滑坡带的摩擦力。
该装置还包括光栅速度传感器，所述光栅速度传感器包括第一光纤单元、第二光纤单元，壳体、等强度悬臂梁、重锤；第一光纤单元、第二光纤单元上分别刻有第一光栅单元、第二光栅单元；等强度悬臂梁一端与壳体连接、另一端与重锤连接；第一光栅单元、第二光栅单元分别对称连接在等强度悬臂梁两侧，用于抵消温度变化对光栅单元的影响。
基于变形量及含水率的山体滑坡预警方法：
测量含水率时，数据采集处理装置通过控制模块多次对碳纤维丝加热一端时间后停止加热，连续测量温度的变化，记录温度下降的时间，温度下降的时间与土体里的含水率呈线性关系，若是滑坡体内含水率超过设置的上、下限阈值，则数据采集处理装置通过无线传输模块将含水率数据远程传输给监控终端，实现对滑坡含水率的预警。
测量变形量时，滑坡体产生位移，带动多个固定设置在滑坡体的定点式应变传感光缆的胶接定点产生移动，进而使得光栅产生应变，解调装置对光栅应变信号进行调节，将数据传输至数据采集处理装置，光栅应变数据与滑坡体位移呈线性关系，若是滑坡体位移超过设置的上、下限阈值，数据采集处理装置通过无线传输模块将变形数据远程传输给监控终端，实现对滑坡变形量的预警。
本实用新型一种基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，技术效果如下：
1)、定点式应变传感光缆中埋入有碳纤维丝，实现任何环境下的变形量和含水率同步测量，且一根传感光缆即可完成多点滑坡体测量，兼顾含水率测量，测量装置布设简单。
2)、第一安装卡具、第二安装卡具分别用于滑坡体软土、坚硬的岩体上，使得本实用新型装置适用于滑坡体复杂的恶劣环境，具备通用性。
3)、光栅速度传感器内光栅对称的粘接在等强度悬臂梁两端，抵消温度变化对光栅的影响，采用锤击或落重的方式激发地震信号，可以得到测试场区的面波速度结构剖面，从而判断探测场地内地下介质与地质构造的发育和分布情况。
4)、整个装置通过计算机对数据进行自动处理，并将监测的参数通过gps远程传输给监控终端服务器，服务器通过对滑坡的稳定性进行综合分析处理，实现高位远程滑坡稳定性判断。
附图说明
图1为瞬态面波法勘探现场施工示意图。
图2为光栅速度传感器结构示意图。
图3为定点式应变传感光缆在滑坡体上的布设装置示意图。
图4为滑坡变形及含水率测试预警装置连接原理图。
图5为定点式应变传感光缆的结构示意图。
图6为第一安装卡具结构示意图。
图7为第二安装卡具结构示意图。
图8为定点式应变传感光缆测试装置结构示意图。
图9为定点光缆变形与波长变化曲线图。
图10为定点光缆位移与微应变标定曲线图。
图11为定点光缆井下应变及含水率的测试示意图。
图12为局部稳定系数定义示意图。
具体实施方式
一、高位远程滑坡的划分：
a、地质灾害体上分布多组不连续结构面，将厚层块状岩体分割成碎裂块体，在高程区间形成明显的压裂鼓胀区，特别是存在2组反倾节理带，具有典型的“锁固段”失稳机理。滑坡体高位剪出滑动，连续加载并堆积于斜坡体上部，导致残坡积岩土层失稳并转化为管道型碎屑流；碎屑流高速流滑至斜坡下部老滑坡堆积体后，因前方地形开阔、坡度变缓，转化为扩散型碎屑流散落堆积，具有“高速远程”成灾模式。当陡倾山脊存在大型岩质高位滑坡时，应当考虑冲击作用带来的动力侵蚀效应和堆积加载效应，特别是沿沟谷赋存丰富的地下水时，发生高速远程滑坡的可能性将明显增加。因此，在地质灾害调查排查中，在高位岩质滑坡剪出口下方的斜坡堆积体上的聚居区等应划定为地质灾害危险区。在地质灾害研究中，不仅应采用静力学理论分析滑坡的失稳机理，而且应采用动力学方法加强运动过程的成灾模式研究。
b、采用瞬态面波法在浅层岩土体分层定量划分：
如图1所示瞬态面波法勘探现场施工示意图，图1中ⅰ为震源，ⅱ为地面，①、②、③、④分别为①号～④号光栅速度传感器。
导致高远程滑坡的主要原因是浅层风化层结构疏松，极易在边坡地区形成大量的原生与次生结构面，使得土体不均匀，在降雨条件下容易产生失稳现象。首先需要查明不同风化层的厚度，针对不同风化程度与厚度的风化层圈定需要监测的位置。弹性波在层状介质中传播时具有频散特性，即不同频率的面波具有不同的传播速度，在沿介质层面传播时，衰减速度较慢，而在介质内部传播时衰减速度较快。面波传播时与土层的力学性质密切相关，其传播速度与剪切波波速基本相近，并且随土体泊松比的变化不大。
本实用新型通过面波频散特征分析判断地下空间的变化。采用锤击或落重的方式激发地震信号，将图4滑坡变形及含水率测试预警装置中的光栅1.2换成光栅速度传感器，用于接收地震信号，数据采集处理装置3将采集到的数据进行反演，可以得到不同测点的频散曲线，再对各点频散曲线的数据进行整理与分析，可以得到测试场区的面波速度结构剖面，从而判断探测场地内地下介质与地质构造的发育和分布情况。
c、光栅速度传感器：
传统的瞬态面波法多采用地震监测仪或地听器进行探测，以美国geospac公司所生产的gs-20dx型地听器应用最为广泛，但其电信号回传衰减大，易受干扰，且多探头复用困难。光纤传感器具有无源、抗干扰和复用能力强等特点，在瞬态面波法中具有明显优势，成为近年研究的热点。图2为光栅速度传感器结构示意图。
所述光栅速度传感器包括第一光纤单元5.1、第二光纤单元5.2，壳体5.3、等强度悬臂梁5.4、重锤5.5，第一光纤单元5.1、第二光纤单元5.2上分别刻有第一光栅单元5.6、第二光栅单元5.7。壳体5.3采用不锈钢壳体，重锤5.5采用不锈钢球体。
等强度悬臂梁5.4宽端与不锈钢壳体采用激光焊接、窄的一端与不锈钢球体采用激光焊接，第一光栅单元5.6、第二光栅单元5.7分别对称的焊接在等强度悬臂梁5.4两端，目的是抵消温度变化对光栅的影响，传感器接收到锤击产生的振动信号时，不锈钢球体受到速度变化的影响在垂直方向产生往复运动，导致等强度悬臂梁5.4两端的第一光栅单元5.6、第二光栅单元5.7应力变化，对应波长的反射率发生变化，通过检测光强度的变化可以提取振动的相关信息，将采集到的数据进行反演，可以得到不同测点的频散曲线，再对各点频散曲线的数据进行整理与分析，可以得到测试场区的面波速度结构剖面，从而判断探测场地内地下介质与地质构造的发育和分布情况。
二、变形量及含水率在滑坡体上的布设：
如图3所示，其中，a为滑坡体，b为滑坡带，c为滑坡面，d为滑坡块，e为稳定体；
3为数据采集处理装置，12为钻孔，1为定点式应变传感光缆。
三、滑坡变形及含水率测试预警装置：
如图4所示，包括布设在滑坡体上的定点式应变传感光缆1，所述定点式应变传感光缆1连接解调装置2，解调装置2连接数据采集处理装置3。
所述宽带光源5通过第一传输光纤6连接光环形器7，解调装置2通过第二传输光纤8连接光环形器7，光环形器7连接光纤线芯1.1。
所述数据采集处理装置3通过传输电缆9连接控制模块4，控制模块4控制碳纤维丝1.4升温时间。
所述数据采集处理装置3包括计算机，计算机通过网线/rs232/rs485连接无线传输模块。无线传输模块采用4g通信模块gprs/dtu数据采集终端。
解调装置2包括ccd解调模块、ccd探测器阵列。图4中宽带光源5发出光源，每个光栅反射回的波长随着温度或应变的变化发生变化，ccd模块对光栅进行解调，ccd解调模块采用透射式体相位光栅(vpg)对发射光进行衍射，成像在512像元的ccd探测器阵列上，再通过高速信号采集和处理，获取反射信号的峰值波长，ccd解调模块解调频率高达5000hz，可满足滑坡变形及含水率的实时检测要求。
如图5所示，所述定点式应变传感光缆1包括位于中心的光纤线芯1.1，所述光纤线芯1.1上刻写有光栅1.2，光栅1.2处于自由活动状态，定点式应变传感光缆1通过环切口子露出光纤线芯1.1后，灌入胶黏剂1.3与光纤线芯1.1固化构成一个胶接定点1.9。所述定点式应变传感光缆1中埋入有碳纤维丝1.4。
所述定点式应变传感光缆1连接宽带光源5；
所述碳纤维丝1.4通过控制模块4连接数据采集处理装置3。
所述光纤线芯1.1由内层至外层依次包裹有铠装层1.5、编织层1.6、外护套1.7；光栅1.2与铠装层1.5处于自由活动状态，所述胶接定点1.9套有保护壳1.8。
定点式应变传感光缆1是一种利用光栅收到外拉力或温度变化产生应变的应变传感光缆，光栅1.2与铠装层1.5处于自由活动状态,再通过一定间距对光栅1.2与铠装层1.5和外护套1.7进行固定，从而实现空间非连续非均匀的分段，应变测量结果可直接进行变形量及温度的计算。考虑滑坡监测的特点采用定点间距2米，在光栅1.2走完缠绕有铠装层1.5、编织层1.6、外护套1.7，成缆工艺如下：将聚醚弹性tpu经过电缆机挤压均匀的涂抹在光纤线芯1.1和编织层1.6的周围，经过水冷却，经过喷码机按照2米间隔喷射出长50毫米宽8毫米的长方形及米标，电缆是黑色的喷射出的标记的颜色是白色的，方便现场施工快速的找出米标的位置。承揽后将2米将外护套1.7剥离40毫米后，里面灌满改良后的环氧树脂胶最好套上2个半圆卡子作为保护壳1.8。
四、定点式应变传感光缆1的安装测试：
(1)：如图6所示，该装置还包括第一安装卡具10，用于将定点式应变传感光缆1布置在软土上，所述第一安装卡具10包括多个固定件10.1，每一个固定件10.1上设有用于固定胶接定点1.9的卡件10.2。固定件10.1采用角铁，卡件10.2为带螺丝的卡子，用于将角铁与定点式应变传感光缆1固定在一起。将的定点式应变传感光缆1通过图6的卡具按照图1光缆在滑坡面上的走线布设光缆，当滑坡面上有变形，滑坡带动角铁拉动光缆里面的光栅1.2，光栅1.2产生微应变，这种光纤布置风化严重的在软土上。
(2)：如图7所示，该装置还包括第二安装卡具11，用于将定点式应变传感光缆1布置在坚硬的岩体上，第二安装卡具11包括上扣件11.1、下扣件11.2，所述上扣件11.1开设固定孔11.3、半圆槽11.4、所述下扣件11.2设有螺孔11.5、固定钉11.6，下扣件11.2配置爆破冲击体11.7。半圆槽11.4用于固定定点式应变传感光缆1，从而固定胶接定点1.9，爆破冲击体11.7与撞针撞击，产生爆炸推动固定钉11.6到坚硬的岩体里，螺丝穿过固定孔11.3将上扣件11.1、下扣件11.2固定。固定孔11.3为直径10毫米的圆孔，上扣件11.1为方形铁板。螺孔11.5为m10螺孔，固定钉11.6为钢钉。
以往在陡峭的岩壁上固定定点光缆是件非常艰巨的事情，冲击钻太重，操作起来不方便，本实用新型采用图7的办法非常容易的安装。安装工艺是先将钢钉放置在指定位置，用与爆破冲击体11.7相匹配的撞针撞击，产生爆炸推动钢针到岩土里，用螺丝将上扣件11.1、下扣件11.2固定，安装时需要给胶接定点1.9施加200微应变的力后再拧紧螺丝。
(3)：如图11所示，1﹟、2﹟、3﹟……8﹟表示定点。钻孔布设工艺：是钻孔后按照图11放置定点式应变传感光缆1，放置原状土后在每一层定点光缆周围放置粘土球，再放置原状土及粘土球，粘土球的作用是滑坡带下滑时带动定点式应变传感光缆1应变变化，增加定点式应变传感光缆1与滑坡带的摩擦力。放置原状土的目的是能够测量出的含水率真实的反映各个地层的含水率。含水率的测量原理是首先在定点式应变传感光缆1里面的碳纤维丝1.4加热1分钟后停止加热，连续测量温度的变化，温度下降的时间与土体里的含水率呈线性关系。
五、定点式应变传感光缆1的标定测试：
如图8所示，标定测试包括：调节螺丝13、固定螺母14、滑块15、固定角铁16、解调装置2，钢板17。
定点式应变传感光缆1的固定点a固定在滑块15上，定点式应变传感光缆1的固定点b固定在固定角铁16上，定点式应变传感光缆1连接解调装置2。调节螺丝13穿过固定螺母14后，调节螺丝13端部与滑块15连接配合，调节螺丝13端部与滑块15能在滑块15内旋转同时能带动滑块15沿着钢板17左、右水平移动。
当固定点a拉紧光纤后，调节螺丝13带动滑块15向左移动，固定点a向左移动，每次移动1毫米记录波长及应变的变化，用卡尺测量固定螺母14与固定点a的间距。测试结果如表1所述，由表1绘制出图9的曲线，由曲线图9可以看出测试精度达到99.9％。
表1定点光缆测试数据表,表1中，ax列是位移变化单位是毫米。
由图9、图10可以看出，标定曲线线性度非常好，都达到99.9％以上。
六、高位远程滑坡局部稳定性分析：
据岩土体含水率变化诱发滑坡建立滑坡体局部稳定系数图，如图12所示。图12中实线应力圆为滑坡体内某点应力状态，由莫尔-库伦准则知，若该点土体发生剪坏，其极限应力状态应与破坏包络线相交于b点，b点的剪切力值代表此处土体极限强度。通常滑坡体内的总主应力(σ'1、σ'3)主要受滑坡体几何形状和自身重力影响。对于给定的滑坡体模型，其几何形状不变，与之有关的主应力不变。与降雨渗流过程中吸应力变化相比，滑坡体自身对总主应力影响相对较小。所以在高位远程滑坡降雨作用下，滑坡体中应力变化主要有吸应力引起，会导致莫尔圆向左移动。随着含水率升高，当莫尔圆移动到与破坏包络线相切的c点时，土体将发生滑动。
滑坡体内部某点的稳定系数可采用岩土体抗剪强度与对应剪应力之比来表示。据此，图12中稳定系数可得：
借三角相似关系，可引入扩张的莫尔-库伦强度准则关系式：
局部稳定性分析实现过程计算过程：采用seep/w完成滑坡模型建立、有限元的网格划分，降雨时计算不同时间点下滑坡土体各点孔隙水压力值；将seep/w各节点水压力值导入sigma/w模块中，完成各节点渗流应力耦合计算，得出滑坡体各点不同时间的有效应力值；导出sigma/w模块中各节点在各降雨时间段对应有效应力值，基于式(2)在excel表格中计算相应稳定系数；采用surfer软件，指定滑坡边界，对excel表格中各点所得稳定系数进行插值，生成局部稳定系数等值线图。
1.基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，包括布设在滑坡体上的定点式应变传感光缆（1），其特征在于：所述定点式应变传感光缆（1）连接解调装置（2），解调装置（2）连接数据采集处理装置（3）；
所述定点式应变传感光缆（1）包括位于中心的光纤线芯（1.1），所述光纤线芯（1.1）上刻写有光栅（1.2），光栅（1.2）处于自由活动状态，定点式应变传感光缆（1）通过环切口子露出光纤线芯（1.1）后，灌入胶黏剂（1.3）与光纤线芯（1.1）固化构成一个胶接定点（1.9）；所述定点式应变传感光缆（1）中埋入有碳纤维丝（1.4）；
所述碳纤维丝（1.4）通过控制模块（4）连接数据采集处理装置（3）。
2.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：所述光纤线芯（1.1）由内层至外层依次包裹有铠装层（1.5）、编织层（1.6）、外护套（1.7）；光栅（1.2）与铠装层（1.5）处于自由活动状态，所述胶接定点（1.9）套有保护壳（1.8）。
3.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：宽带光源（5）通过第一传输光纤（6）连接光环形器（7），解调装置（2）通过第二传输光纤（8）连接光环形器（7），光环形器（7）连接光纤线芯（1.1）。
4.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：所述数据采集处理装置（3）通过传输电缆（9）连接控制模块（4）。
5.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：所述数据采集处理装置（3）包括计算机，计算机连接无线传输模块。
6.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：该装置还包括第一安装卡具（10），用于将定点式应变传感光缆（1）布置在软土上，所述第一安装卡具（10）包括多个固定件（10.1），每一个固定件（10.1）上设有用于固定胶接定点（1.9）的卡件（10.2）。
7.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：该装置还包括第二安装卡具（11），用于将定点式应变传感光缆（1）布置在坚硬的岩体上，第二安装卡具（11）包括上扣件（11.1）、下扣件（11.2），所述上扣件（11.1）开设固定孔（11.3）、半圆槽（11.4）、所述下扣件（11.2）设有螺孔（11.5）、固定钉（11.6），下扣件（11.2）配置爆破冲击体（11.7）；
半圆槽（11.4）用于固定定点式应变传感光缆（1），从而固定胶接定点（1.9），爆破冲击体（11.7）与撞针撞击，产生爆炸推动固定钉（11.6）到坚硬的岩体里，螺丝穿过固定孔（11.3）将上扣件（11.1）、下扣件（11.2）固定。
8.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：所述滑坡体上设有钻孔（12），定点式应变传感光缆（1）放置于钻孔（12）中，用于土体分层定量监测滑坡体的变形量及含水率；
放置原状土后，在每一层土体对用的胶接定点（1.9）周围放置粘土球，粘土球的作用是滑坡带下滑时带动定点式应变传感光缆（1）发生应变变化，增加定点式应变传感光缆（1）与滑坡带的摩擦力。
9.根据权利要求1所述基于变形量及含水率的高位远程滑坡预警装置，其特征在于：该装置还包括光栅速度传感器，所述光栅速度传感器包括第一光纤单元（5.1）、第二光纤单元（5.2），壳体（5.3）、等强度悬臂梁（5.4）、重锤（5.5）；第一光纤单元（5.1）、第二光纤单元（5.2）上分别刻有第一光栅单元（5.6）、第二光栅单元（5.7）；
等强度悬臂梁（5.4）一端与壳体（5.3）连接、另一端与重锤（5.5）连接；第一光栅单元（5.6）、第二光栅单元（5.7）分别对称连接在等强度悬臂梁（5.4）两侧，用于抵消温度变化对光栅单元的影响。
技术总结