基于TDR技术的边坡自动化监测系统的应用分析

彭小平

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)



基于TDR技术的边坡自动化监测系统的应用分析

彭小平

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

在高速公路工程的建设过程中，做好边坡监测工作具有重要意义，是保证边坡稳定、公路运行安全的基础。主要结合晴隆滑坡，分析了基于TDR技术的边坡自动化监测系统的应用。

晴隆滑坡；TDR技术；边坡自动化监测系统

1 TDR系统概述

1.1 TDR系统原理

TDR是时域反射法的简称，它是一种远程电子测量技术。一个完整的TDR滑坡监测系统一般由TDR同轴电缆、电缆测试仪、数据记录仪、远程通讯设备以及数据分析软件等几部分组成。

在使用TDR系统进行滑坡监测时，首先需要在滑坡的某个位置钻孔，并将TDR同轴电缆安放在钻孔中。然后，将TDR电缆与电缆测试仪相连。电缆测试仪作为信号源，发出步进的电压脉冲通过电缆进行传输，同时反映从电缆中反射回来的脉冲信号。数据记录仪连接到电缆测试仪之上，它对电缆测试仪起控制作用，记录和存储从电缆中反射回来的脉冲供以后分析。此外，数据记录仪还可连接远程通讯设备如移动电话或是短波无线电装置等，将收集的数据发送到远处。TDR系统中还可配备多路复用器，以对多点进行同时监测。

1.2 TDR系统优点

TDR系统与倾斜仪等传统监测仪器相比有很多优点：(1)价格低廉。与昂贵的倾斜仪外壳相比，TDR电缆的价格优势十分明显。(2)检测时间短。可以在不到5 min时间内了解TDR电缆的信号状况，而读出一个倾斜仪的数据则需要0.5～1 h的时间。(3)可远程访问。TDR系统可以与数据记录器、普通电话或便携式电话相连，从而方便地实现遥测。(4)数据提供快捷。TDR不需要先将数据从读数显示箱下载到计算机内，然后再绘制出结果。电缆测试仪的屏幕可以直接显示电缆的信号。(5)安全性高。使用TDR，技术人员不再需要冒着滑坡和岩崩的危险亲临不稳定的滑坡进行数据采集。

2 基于TDR技术的边坡自动化监测系统的应用

2.1 主要监测仪器

晴隆滑坡监测要求设计边坡监测系统可以实现边坡监测自动化，可以接入TDR、孔隙水压力计、固定式测斜仪、雨量计等获取边坡监测的重要参数。主要仪器包括有：

(1)测斜仪及倾斜计

对于一个处于滑移状态的边坡，用倾斜计监测可以确定滑移方向、圈定变形区域，而且多数情况下可以判定滑移的力学机理。

倾斜计和测斜仪联合使用，构成一个适合多数边坡和结构稳定性调查的有效方法。在初期评估监测现场的滑移时，可以根据倾斜计的成果确定是否需要测斜仪、使用测斜仪测试的次数多寡，以及测斜钻孔位置的分布等。从另一方面来看，测斜仪可以探测边坡滑移三维几何参数。

(2)固定式测斜仪和TDR

TDR时域反射仪，是一种新型而便宜的监测地表下沿着剪切面的移动变形的方法。它每200微秒给测试电缆激发一次超速脉冲电压，在遇到断裂的地方阻抗特性发生变化，于是脉冲被反射回到电缆测试仪，而在电缆特性曲线上显示为一个峰值，如图1所示。每一个独立的反射分别确定一个对应的断裂位置。

在垂直的钻孔中使用TDR，其安装费用比安装通常的测斜管要便宜。TDR自身只能指出发生移动的深度位置和相对位移大小。但是，TDR与其它仪器配合使用，可以得出地下条件的更多信息。比如TDR、固定式测斜仪和孔隙水压力计在同一钻孔中的联合作用。

图1 TDR测试电缆特性曲线

2.2 边坡自动监测系统的实现

晴隆滑坡自动监测系统主要由四种传感器组成，分别是：(1)TDR同轴电缆；(2)固定式测斜仪；(3)渗压计；(4)雨量计。这四种传感器的输出信号类型，见表1。

表1 自动测试仪器的输出信号类型

用于传感器管理、数据存储、数据传输的仪器有数据存储仪与MODEM，主要用来管理、存储和发送四种传感器的数据。数据存储仪与计算机之间，经过GSM，用MODEM进行无线连接，即可实现数据通信，监测数据就可以远距离传输到数据处理中心，即计算机中。另外还有下载数据软件和

数据处理软件，用来存储、计算、图形化所有监测数据。该系统设计的逻辑结构见图2，监测系统的构成见表2。

可在边坡上设置一小工房，将TDR测试仪、数据存储仪、MODEM等存放在里面，采用220 V交流电作为电源，雨量计则可以固定在房子屋面。

边坡自动化监测系统的优点集中表现在：①可按项目要求设置采样率，实现24 h连续观测；②克服了人工读数误差，避免混淆数据而导致错误结论，极大地提高了测试精度；③如果边坡滑移超过警戒限值，系统可实现报警；④系统可以通过串行接口直接与计算机连接进行数据配置和下载，也可以通过电话、无线电来实现数据远程传输。

表2 边坡自动监测系统仪器及软件

图2 自动监测系统协同逻辑关系结构图

2.3 TDR监测成果分析

用PCTDR软件收集TDR监测数据，然后用TDRPlot软件对TDR监测数据进行自动分析，得到TDR测试电缆相对反射系数随孔深的变化情况，见图3、图4。

图3、图4中的尖峰信号所对应的深度即为滑面所处位置，从中可以看出，CXK6滑面位置在11.5 m，与人工深部位移监测得到的结果吻合。

CXK4-1的TDR波形显示，SYV-75-5型同轴电缆在15 m处出现短路信号，SYWV-75-7型同轴电缆在23 m处出现一弱尖峰信号，SYWV-75-9型同轴电缆在23 m处出现短路信号，结合人工测斜结果，可以判断滑面位置在23 m

处。总的来说，TDR测试技术实现了更快速、更精准地确定潜在滑面位置。

图3 CXK4-1监测孔TDR监测波形

图4 CXK6监测孔TDR监测波形

3 结 语

综上所述，TDR系统是进行边坡监测的一个新技术，其具有成本低、监测时间短、安全性高等优点。但是，由于我国TDR边坡监测技术还处于起步阶段，其发展还需大量的试验和实践应用研究来丰富。

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[3] 武博强,张卫东,杨永健.几种常用的边坡深部水平位移监测技术分析[J].山西建筑,2014,(19):53-54.

2015-01-07

U416.1

C

1008-3383(2015)09-0023-02