基于光纤和电磁传感的边坡变形监测系统研发

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作者景俊豪
来源大连理工大学
出版年2020
摘要
滑坡是一种危害性极大的全球性地质灾害,近年来,光纤光栅、压电、微机电系统等先进的光电传感技术发展迅速,逐渐在监测领域展现了高精度、低功耗、易于构成传感网络等优势。本文基于光纤光栅与电磁传感技术,自主研发了多种可以应用于滑坡变形监测的新型滑坡测斜仪器,并进行了相应的室内研究;采用室内滑坡模型试验的方法,对超载作用下的室内滑坡模型进行了全过程监测;结合数值计算方法,将室内传感器的位移监测数据与安全系数相结合,建立了室内滑坡稳定性分析模型;基于现场长期位移监测数据,将经典的斋藤滑坡预警模型进行修正。本文主要做了如下工作:(1)将光纤光栅(FBG)与有机高分子材料结合,制作光纤光栅测斜仪,并采用共轭梁原理进行理论公式的推导,通过特制钢架、位移计搭建了室内标定装置对本传感器进行了有效性验证;提出了基于等应变梁的光纤光栅分段式测斜仪结构,进一步减小了累积误差,将光纤光栅波长值与等应变梁变形值通过弹性梁弯曲公式进行结合,采用位移计、角位台进行传感器的综合性分析。(2)为了解决滑坡中后期大变形监测的问题,分别提出并设计了基于磁致伸缩材料和霍尔元件的新型磁感测斜仪,设计制备了磁致伸缩材料和霍尔元件的磁场测试平台,推导了FBG波长值与磁致伸缩位移传感器倾角间的公式,得到了霍尔元件磁场值变化与霍尔位移传感器倾角间的经验公式并进行综合性能分析。(3)对超载滑坡实验中的加载系统和边坡模型进行了设计,提出了新型传感器的选型和布设方案,将三类新型位移传感器结合微机电系统(MEMS)构成准分布式监测网络,对滑坡过程中的形变信息进行全过程采集,并结合实验数据确定边坡滑裂面的形状和位置。(4)结合有限元分析软件,对超载作用下的滑坡试验过程进行了对比验证,提出了基于深部位移监测数据的边坡稳定性实时分析方法。选取了前人文献中水厂铁矿的长期监测数据,对传统的斋藤模型进行修正,并通过回归外推法与传统斋藤法进行对比,结果显示修正斋藤模型能够更加精准地预测滑坡时间。

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