CCD微变形监测技术在边坡远程监控中的应用

李晓知

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000)

边坡岩土结构受自然因素和各种荷载作用的影响，从边坡岩土体结构地质勘察到设计施工均需要考虑边坡内部土体结构力学效应及复杂性特征。为了反映边坡岩土体实际状态及真实的力学效应，需通过多种技术方法集成进行数据测量。单监测设备数字化与自动化技术性能不强，稳定性差，监测结果精度不高。因此，本文在边坡远程监控中引入CCD微变形监测技术。

1 CCD微变形监测技术的应用现状及特点

随着高速公路工程建设规模不断扩大，高边坡位移监测在边坡岩土体结构稳定性与安全性评价中的作用越来越突出。与传统工程监测设备、技术相比，新型监测仪器的数字化、自动化优势更为明显。目前，业内公路工程采用的高边坡位移监测设备有测斜仪、GPS组网设备及全站仪等。这些技术和设施在检测时效性、成本及精度方面均具有一定优势，但需要远程无线监测，耗费大量人力、物力和财力。

而基于CCD微变形监测仪可获取边坡稳定性信息，通过光电信号的相互转化，利用CCD微变形监测系统中的微型图像传感器获取并接收光学信号、数字信号和边坡监测微型图像，借助远程无线收发控制模块，系统还可实现高边坡岩土工程无线化与数字化监测，其不仅成本更低，且监测精度更高，最大量程可达1 000 m。基于远程无线信号操控，更适应于高速公路工程等高边坡长期监测。

2 CCD微变形监测技术及原理

2.1 CCD微变形监测信息采集

在监测信息采集中，需基于CCD微变形监测电荷耦合器件，实现光学信号与数字信号远程转换和微型图像传感。CCD微变形监测系统主要由数据采集系统与数据传输系统两个基本模块组成，其中CCD数据采集系统又包括CCD光电标靶和CCD主机两部分。

在实际监测过程中，公路工程岩土边坡稳定性信息首先经信息采集模块固定至坡面上的光电标靶，由此可使系统主机通过数据信息感知，获取公路工程边坡位移信息。CCD是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件，在监测过程中，主要以电荷信号实现信息感知。CCD数据采集原理关系表达式如下：

Q=ηqΔN0Tc

(1)

式中：Q为光电荷；q为电子电荷量；η为量子效率；Tc为光照时间；ΔN0为光子流速率。

根据以上原理，CCD微变形监测系统可通过光敏单元接收到的由标靶所发出的电荷大小信息，来对入射光源的位置变化实际情况进行判断，然后通过与设定好的初始状态进行比较，据此确定边坡远程监控实际位移参数。

2.2 数据传输系统

在监测数据传输中，需利用CCD传感器将采集的边坡监测信息现场通过系统控制命令借助完整的CDMA模块或GPRS模块，经由互联网远程回传至系统服务器。本系统基于“点对点”的信息传输模式，可实现与GPRS模块、光电标靶及系统主机连接，由此采用无线网络进行数据接收和相关数据指令发送。

CCD微变形监测系统的核心部分是服务器，其主要负责相关监测数据的接收处理与命令传送。该模块借助专门的操作软件，利用互联网进行远程监测管理。

GPRS模块是监测系统的数据传输部分，其一方面连接无线主站，实现局部监测信号的传输；另一方面，通过服务器的IP地址、端口号写入GPRS模块，使系统相关监测模块通过GPRS网络与互联网、服务相连接，实现远程数据交换。其还借助数据传输模块、数据采集模块与系统主站连接，实现各工作仪器间的命令发送及数据采集和中转。光电标靶和CCD主机均连接数传模块从站，从站同时负责主机和光电标靶数据的接收及开关控制，它是整套CCD微变形监测系统的具体工作部分。

3 CCD微变形监测技术在边坡工程远程监控中的应用实例

3.1 工程案例概述

本工程滑坡体前缘出口与后缘分别位于公路轴线左侧120 m处及右侧55 m范围处，投影面积36 000 m2。滑坡区原始地貌前缘呈圆弧形突出，后陡前缓。据地质勘查资料显示，滑坡在近期主滑方向大致为N69°～78°E，滑体厚5.5 m，滑动带分别由节理密集带、构造破碎带及强弱风化岩接触薄弱带组成，原始滑坡体总方量约60×104m3。

3.2 CCD微变形监测技术应用分析

(1)监测目的。为了解该工程边坡稳定性状态，前期采用GPS设备及全站仪进行监测。但人工作业量大，效率不高，无法准确获取数据。为全面掌握工程边坡稳定性情况，在传统数据监测基础上，采用CCD微变形监测系统进行远程监测控制，一方面能较为准确地反映工程边坡原始状态；另一方面尽量避免受边坡施工影响与干扰。

(2)监测点布置。在数据监测过程中，在工程边坡中部4～6三级台阶中，分别安放CCD微变形监测系统，并自上而下形成一个监测剖面。同时，在GPS测点周围及已安放全站仪测点的区域布置CCD测点，由此展开远程数据监测。CCD远程监测测点布置示意图如图1。

图1 CCD测点布置图示

(3)微变形监测及数据分析。图2为基于CCD微变形监测系统在2018年9月1日～9月22日期间监测得到高速公路边坡工程远程监控时间-位移曲线。曲线波动起伏变化明显，经本系统测量所得位移均与坡面方向相垂直。

图2 测点位移与时间的变化关系

监测数据表明，监测初期，经CCD微变形监测系统监测所得测点的初始值为负值，即监测初期该高速公路工程边坡就出现向下位移现象。经检查，发现CCD微变形监测仪器安装标定“0”点后，下级台阶施工振动对其固定的光电标靶形成了干扰作用，由此导致系统自监测初期就显示测点下移。在时间-位移曲线中，该移动主要表现为监测数据出现小幅波动，其中监测结果最大位移量达-7.82 mm，最小位移量达2.59 mm，监测数据最大与最小位移量相差约5.23 mm。

(4)微变形监测干扰影响控制。为排除外界干扰因素影响，在施工完成后，再次采用同样的方法与监测点布设原理，对高速公路边坡工程进行CCD微变形远程监测。结果显示，远程测量数据结果趋于平稳，时间-位移曲线波动幅度大大减小，呈一条趋于平缓的直线。由此说明，本系统所量测的位移上、下波动幅度较小，表明此高速公路工程边坡已接近于基本稳定状态，CCD微变形远程监测仪器受外界环境干扰很小。

3.3 CCD微变形监测技术的应用优势

为对比传统监测方法与CCD微变形监测技术在边坡远程监控中的应用效果，同时对GPS测量全站仪监测结果进行分析对比。据测点“位移-时间曲线”示意图反映，GPS测点及全站仪测点、CCD测点处于同一水平面中，左、右相邻距离最大不大于5 m，且监测对比结果显示，在高速公路工程边坡整体处于稳定状态前提下，采用CCD微变形监测技术远程监控所得结果更为稳定。而采用传统GPS测量及全站仪监测方法所得数据结果在“位移-时间曲线”图中波动变化幅度较大。

经分析，两者监测结果差异产生的主要原因在于采用传统方法进行数据监测时，GPS设备及全站仪系统本身存在一定的误差，及由于人工手动反复操作时引起的人为误差。而CCD微变形监测技术远程监控全部由数字化与自动化系统模块完成，数据的监测采集与传输都实现了集成化与一体化。除了外界环境细微干扰外，受设备及人为因素干扰影响很小，所以，CCD监测仪数据波动幅度要小于全站仪和GPS，监测稳定性与数据精度方面均要优于全站仪和GPS人工定点监测。监测数据的对比也表明，CCD微变形监测技术在高速公路边坡工程远程监控中具有较好的可靠性。

4 结语

边坡监测数据获取是判断边坡稳定性的重要依据，本文通过将CCD微变形监测技术应用于某高速公路工程进行边坡工程远程监控。结果表明，CCD微变形监测技术获取的边坡稳定性参数更接近实际，其适用于长时间、远距离监控测量，能够避免人为因素的影响和干扰。