一种使用微波治理滑坡的装置及方法与流程

1.本发明涉及地质灾害防治领域，具体为一种山体滑坡治理装置以及使用所述装置治理山体滑坡的方法。


背景技术：

2.滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。
3.滑坡体底部有一水含量高的土层，含水后摩擦系数降低，是形成滑坡的主要原因，目前治理滑坡主要有两类方法：
4.第一种是通过建造构筑物固定滑坡体，阻挡土体移动的方法，比如打抗滑桩固定的方法，多排锚索加多排抗滑桩治理大型滑坡的抗滑结构(cn201720636550.1)；边坡固定的方法，一种滑坡治理边坡支护结构(cn201821256125.0)；挡土墙固定的方法，一种用于滑坡治理的带抗滑桩的挡土墙施工方法(cn201810843219.6)。
5.第二种是采取排水的方法，比如一种滑坡充气排水治理方法(cn200910099603.0)，一种水库滑坡智能降水井(cn201820034146.1)。
6.上述采用构筑物固定滑坡体的方法并未消除引发滑坡的关键风险因素，在滑坡体上开展施工活动有较大危险，且建造成本高。排水法降低滑动面水分则都是被动排水的方法，水含量降低较少且不可控，对滑动面只能起到部分降低摩擦系数的作用，效果不够明显。
7.针对上述技术问题，本发明采用微波设备大幅度降低滑动面水含量，将滑动面所含水分降低至预定水平，消除风险因素，提高滑动摩擦系数，从根本上解决滑坡问题。


技术实现要素：

8.本技术发明内容包括：
9.实施方式1.一种使用微波治理山体滑坡的方法，其中所述山体具有坡面和滑动面，
10.所述方法包括如下步骤：
11.安装设备步骤：在所述坡面上安装山体滑坡治理装置，所述山体滑坡治理装置包括微波发生器和土壤含水率检测器；
12.微波处理步骤：采用微波发生器向所述滑动面发射微波，采用所述土壤含水率检测器测定所述滑动面的土壤含水率，当所述土壤含水率降至预设值时即停止发射微波；
13.实施方式2.根据实施方式1所述的方法，其特征在于，土壤含水率的检测采用如下检测方法中的任意一种：观察法，电阻法，中子法，γ-射线法，驻波比法，时域反射法、高频振荡法(fdr)。
14.实施方式3.根据实施方式1或2所述的方法，其特征在于，所述预设值为选自以下
的至少一个：40％，30％，20％，10％。
15.实施方式4.根据实施方式1至3任一项所述的方法，其特征在于，还包括前处理步骤：对所述坡面上方及边坡采取防水措施避免滑动面土壤含水率增大和/或通过物理排水措施降低滑动面土壤含水率。
16.实施方式5.根据实施方式1至3任一项所述的方法，其特征在于，还包括如下后处理步骤：采用打桩、挡土墙、边坡维护中的一种或多种措施结合，进一步控制滑坡发生。
17.实施方式6.根据实施方式1至3任一项所述的方法，其特征在于，还包括如下后处理步骤：在所述坡面上种植植物和/或添加覆盖物，防止水分渗入。
18.实施方式7.根据实施方式1-2和4至6中任一项所述的方法，其中，所述山体滑坡治理装置还包括坡度检测部件，所述方法还包括采用所述坡度检测部件检测所述坡面的坡度，根据检测的坡度确定所述预设值。
19.实施方式8.一种山体滑坡治理装置，其特征在于，包括微波发生器、土壤含水率检测器、支撑部件，和控制单元，所述控制单元与所述土壤含水率检测器和所述微波发生器连接，从而根据所述土壤含水率检测器的检测结果，控制所述微波发生器的运行，所述支撑部件承载所述微波发生器和含水率检测部件。
20.实施方式9.根据实施方式8所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，还包括：坡度检测部件。
21.实施方式10.根据实施方式8或9所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，所述土壤含水率检测器是中子水分测定仪。
22.实施方式11.根据实施方式8至10任一项所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，所述支撑部件具有发电机，所述发电机为所述控制单元、微波发生器、土壤含水率检测器供电。
23.实施方式12.根据实施方式11所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，所述微波发生器由多个独立控制的微波管组成。
24.实施方式13.根据实施方式11或12所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，还包括：打孔部件。
25.实施方式14.根据实施方式8所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，所述支撑装置为汽车。
26.实施方式15.根据实施方式11所述的山体滑坡治理装置，其特征在于，所述发电机为柴油发电机或者汽油发电机。
27.本发明采用微波干燥原理将能量集中于滑动风险最高的土层，土层中的水分在吸收微波能量后温度逐渐升高并以蒸汽形式散去，实现干燥脱水的目的，由此消除发生山体滑坡的关键风险因素，从根本上解决山体滑坡的问题。
附图说明
28.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对说明书附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
29.图1为本技术实施例所述山体滑坡治理装置的示意图；
30.图2为本技术实施例所述坡度检测部件结构示意图；
31.图3为本技术实施例所述中子水分测定仪结构示意图。
32.附图标记：1-微波发生器，2-微波管，3-中子水分测定仪，31-主机，32-导管，33-电缆，34-探头，35-中子源，4-控制单元，5-坡度检测部件，51-底边，52-量角器，53-尼龙线，54-砝码。
具体实施方式
33.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
34.在本技术中，除非特别指出或者根据上下文的理解可以得出不同的含义，否则各个术语具有本领域通常理解的含义。
35.本技术一方面公开了一种用微波干燥的方式降低滑动面土层含水量以防治山体滑坡的方法。本技术中的术语“滑动面”是指滑坡体和滑坡壁之间的界面，滑动面既可能位于特定深度的土层间，也可能位于土壤层和岩石层的分界面上。土体或岩体受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，整体地或者分散地沿着滑动面滑动，从而引发山体滑坡。
36.滑动面土层水分含量丰富，在降雨、地下水涌出、地表径流渗透等情况下，滑动面土层有时处于饱和、过饱和状态，有时甚至在滑动面之下出现积水层，使土层抗剪强度大幅度下降，形成易滑动的软弱面或软弱带。由此可见，迅速降低滑动面上的土壤水分含量，是从根本上防治山体滑坡的关键。在治理山体滑坡时，滑动面土层深度的确定有助于对滑坡风险要素的持续监测，并为确定合理的治理方案提供依据。滑动面的确定可以依据所在区域的地质数据资料，或者依据山体滑坡灾害记录数据，也可以依据现场检测土壤水分在垂直方向上的分布来确定滑动面的土层深度。
37.本领域技术人员理解，土壤中的水分包括自由水和结合水，物理排水措施仅能排出自由水，而大量的结合水会停留在土壤孔隙中。在特定环境下，仅排出自由水不足以保障土体的稳定性，还需提供额外的能量使土壤中的结合水蒸发，将土壤水分降至安全水平。本技术采用微波作为能量源，使土壤水分蒸发逸出，实现迅速降低水分的目的。
38.具体来说，本技术提供了一种使用微波治理滑坡的方法，包括如下步骤：
39.安装设备步骤：在所述坡面上安装山体滑坡治理装置，所述山体滑坡治理装置包括微波发生器和土壤含水率检测器；
40.微波处理步骤：采用微波发生器向所述滑动面发射微波，采用所述土壤含水率检测器测定所述滑动面的土壤含水率，当所述土壤含水率降至预设值时即停止发射微波。
41.在一些具体的实施方式中，坡面区域较大，则可以将坡面分成若干区域，先按照上述步骤完成其中一个区域的处理，然后移动所述微波发生器至邻近区域，向所述邻近区域滑动面发射微波，采用所述土壤含水率检测器测定所述邻近区域所述滑动面的土壤含水率，当所述土壤含水率降至预设值时即停止发射微波，完成该邻近区域的处理，不断移动所述微波发生器和土壤含水率检测器至下一区域进行微波处理，直至将整个坡面的所述滑动面土壤含水率降至预设值完成滑坡治理。
42.本技术中的微波是指波长在1mm～1m之间，频率在3.0
×
102～3.0
×
105mhz的一种电磁波，微波具备电场所特有的振荡周期短、穿透能力强、与物质相互作用可产生特定效应等特点，湿物料处于振荡周期极短的微波高频电场内，其内部的水分子会发生极化并沿着微波电场的方向整齐排列，而后迅速随高频交变电场方向的交互变化而转动，并产生剧烈的碰撞和摩擦(每秒钟可达上亿次)，结果一部分微波能转化为分子运动能，并以热量的形式表现出来，使水的温度升高而离开物料，从而使物料得到干燥。也就是说，微波进入物料并被吸收后，其能量在物料电介质内部转换成热能。因此，微波干燥是利用电磁波作为加热源、被干燥物料本身为发热体的一种干燥方式。目前国内用于工业微波干燥加热的常用频率为915mhz和2450mhz。在本技术所公开的滑坡治理方式中，本领域技术人员可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而选择设定微波频率与功率。
43.本领域技术人员理解，当物质受到微波辐射时，内部原来处于随机分布排列状态的极性分子，在交变电磁场的影响下，发生激烈的振动，取向于微波电磁场的极性分布排列状态，由于物质内部时刻存在的分子无规律热运动和分子间作用力干扰了分子的转动，使得分子之间产生相互碰撞和摩擦，吸收的微波能快速转变为分子热运动动能，以热的形式表现出来，故介质的温度不断升高。
44.对于有潜在滑坡风险的土层来说，迅速降低滑动面的土壤含水率，提高土层间的摩擦系数，提高土壤硬度，防止土层间相对滑动和土体内部变形是关键。以微波去除滑动面土层中的水分能够实现上述目的，且具有很大的优势，主要体现以下两个方面：
45.首先，微波辐射的透射性能迅速将能量传导至深层土壤。传导、对流、热辐射等传统的加热方式，都是由物料外表面向内部传递热量的外部加热过程，对于土壤等热传导率低的物质则需要更长的时间来完成。微波本身具有透射性，热量不是从外向内传入，而是直接与内部的水分子发生作用并快速转化为热能，缩短了加热升温和干燥脱水的时间。
46.其次，传导至深层土壤的热量会迅速被特定深度土层滑动面的水分所吸收。由于水是典型的极性分子，是吸收微波效果最好的介质，一切含有水分的物料都能够吸收微波。在特定深度内，水分越高的土层的滑坡风险越高，但其吸收微波辐射的能力也越强，微波干燥将能量集中于滑动风险最高的土层，土层中的水分在吸收微波能量后温度逐渐升高，最终以蒸汽的形式散去，实现干燥脱水的目的。
47.在一些实施方式中，土壤含水率的检测采用如下检测方法中的任意一种：观察法，电阻法，中子法，γ-射线法，驻波比法，时域反射法，高频振荡法(fdr)。观察法是一种简易的测量方法，通过对目标土壤成团性进行分析粗略估计土壤含水率，通过观察法测定结果精度较低，但在本技术所述滑坡治理方法中仍具有指导意义。电阻法是利用多孔介质的导电能力同它的含水量以及介电常数的相关性来测量土壤含水率。中子法是依据土壤水的氢原子能够急剧减低快中子的速度使其转化为慢中子(热中子)的特性来确定土壤含水率的方法，测量简单、快速、精度高，不大受温度和压力的影响。γ-射线法的基本原理是放射性同位素发射的γ-射线穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重的增大而提高，由此来测定土壤含水率的方法。驻波比法依据土壤含水率与土壤介电常数之间存在着确定性的单值多项式关系，即通过测量土壤的介电常数来求得土壤含水率，驻波比法测量速度快，不破坏土壤，可用于长期定点监测，输出信号为电信号，易于记录、处理并用于控制。时域反射法(tdr)也是一种通过测量土壤介电常数来获得土含水率的一种方法。tdr方法的优点是测量速度快，
操作简便，精确度高，能达到0.5％，可连续测量，既可测量土壤表层水分，也可用于测量剖面水分，既可用于手持式的时实测量，也可用于远距离多点自动监测，测量数据易于处理。高频振荡法(fdr)是由tdr衍生而来的方法，fdr法不仅比tdr便宜，而且测量时间更短，在经过特定的土壤校准之后，测量精度高，而且探头的形状不受限制，可以多深度同时测量，数据采集实现较容易。在本技术所公开的山体滑坡治理方法中，本领域技术人员可以根据治理区域的不同情况，选用上述测量方法中的一种或多种方法测量土壤水分，并根据测量结果判断是否停止发射微波。
48.在一些实施方式中，所述预设值为选自以下的至少一个：40％，30％，20％，10％。滑坡风险与土壤质地、土壤含水量、坡面坡度密切相关，针对本技术所公开的山体滑坡治理方法，根据坡面坡度的不同选择合理的预设值，当土壤水分含量降低至选定的预设值时停止微波发射，能够在有效防止山体滑坡的同时最大限度的降低治理成本，一般来讲，对于坡度较小的坡面，预设值可以选择较高值，这是因为较小的坡面使山体形成相对稳定的结构，滑坡风险较低，在所述滑动面上土壤含水率较高时仍能够保持稳定的结构，反之，对于坡度较大的坡面，预设值应该选择较低值，因为较大坡度意味着山体在滑动面上发生滑动的风险大，只有将所述滑动面的土壤含水率降低至较低的预设值，才能够增加土壤颗粒之间的摩擦力，由此保持山体的稳定性。例如，对于坡度在10度至30度之间的坡面，选择预设值为40％，对于坡度在30度至50度之间的坡面，选择预设值为30％，对于坡度在50度至70度之间的坡面，选择预设值为20％，对于坡度在70度至90度之间的坡面，选择预设值为10％。上述预设值的选择能够应用于大部分山体滑坡灾害易发地区，是一种能够快速确定预设值的通用方法。本领域技术人员也可以根据特定地区的其他相关要素的影响，例如土壤类型、植被覆盖程度，选择合适的预设值。
49.在一些实施方式中，所述方法还包括如下前处理步骤：对坡面上方及边坡采取防水措施避免滑坡面土壤含水率增大和/或通过物理排水措施降低滑动面土壤含水率。在一些特定环境下，滑动面上水分的聚集可能是由于四周水分的渗透所致，此时在微波处理前配合防水措施会产生良好效果。在一些特定环境下，滑动面土壤水分极高，或者存在积水层等，物理排水措施配合微波处理能够产生良好效果。当然，上述前处理步骤并不是本技术所公开的微波治理方法的必要步骤，但结合具体环境下的施工环境，多种措施的组合使用能够以最低的成本达到最佳的治理效果。
50.在一些实施方式中，所述方法还包括如下后处理步骤：采用打桩、挡土墙、边坡维护中的一种或多种措施结合，进一步控制滑坡发生。微波处理防治滑坡具有精准、高效、及时的优势，在一些季节性地质灾害频繁发生区域，或者一旦发生滑坡则直接影响人民生命财产安全的区域，例如道路、水渠、河道、住宅毗邻区域的坡面，微波处理完成紧急危险的排除之后，配合打桩、挡土墙、边坡维护中的一种或多种措施组合进行后处理，能够进一步控制滑坡灾害。当然，在采取这些后处理措施之后，在紧急情况下仍然可以采用本技术所公开的微波治理方法。
51.在一些实施方式中，所述方法还包括如下后处理步骤：在坡面上种植植物和/或添加覆盖物，在一些特定环境下，山体滑坡灾害是由于坡面没有植被覆盖所致，在坡面上种植植物或者在坡面上覆盖地膜，由此改善土壤内部团粒结构，提高土壤稳定性，防止水分大量渗入，进一步控制滑坡发生。
52.本技术另一方面公开了一种山体滑坡治理装置，包括微波发生器、土壤含水率检测器、支撑部件，和控制单元。所述控制单元与所述土壤含水率检测器和所述微波发生器连接，所述控制单元接收所述土壤含水率检测器的检测信号，与所述预设值进行比较后开启或关闭微波发生器。所述支撑部件承载所述微波发生器和含水率检测部件，便于所述山体滑坡治理装置在坡面上作业，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的支撑部件，例如以导轨作为支撑部件，便于所述装置在坡面上的移动。
53.本技术中，微波发生器是所述山体滑坡治理装置中可以产生微波的器件，通常由直流或50hz交流电通过所述微波发生器来获得微波。微波管是所述微波发生器的核心部件，它将电能转换为微波，微波管有微波晶体管和微波电子管两大类。微波晶体管输出功率较小，一般用于测量和通讯等领域，并不适用本技术所述山体滑坡治理装置。微波电子管是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，常见的能产生大功率微波能量的有磁控管，多腔速调管，微波三、四极管，行波管等，其中磁控管结构简单、效率高、工作电压低、电源简单和适应负载变化的能力强，特别适用于本技术所述山体滑坡治理装置，是一种优选的实施方式，进一步地，所述磁控管优选为连续波磁控管。
54.在一些实施方式中，所述山体滑坡治理装置还包括坡度检测部件。坡度检测部件不是必须的，在一些实施方式中，坡度往往是地质勘探中通过地质勘探工作获得的基础数据。在缺乏该具体坡度数据的情况下，也可以采用坡度检测部件来进行坡度的检测。如前所述，所述预设值的设定与所述坡面的坡度密切相关，所述坡度检测部件能够测量坡度数据，本领域技术人员能够依据坡度数据确定合理的所述预设值，由此提高滑坡治理效果。坡度检测部件的具体实现方式没有特别限制，只要能够测量出坡面的角度(或坡度)，从而对应地估算出滑动面的坡度即可。在一些实施方式中，所述坡度测量部件包括具有底边的量角器和与量角器的中心通过尼龙线连接的砝码。当将所述底边设置为与坡面平行时，砝码牵动尼龙线在量角器上指示不同的角度，就可以通过量角器上的读数来测量坡面的角度了。在本技术中，术语“坡面的角度”和“坡度”是可以互换使用的术语，他们都用来表示坡面与水平面之间的夹角。
55.在一些实施方式中，所述土壤含水率检测器是中子水分测定仪，所述中子水分测定仪是集多种高技术于一体的野外土壤含水量测量仪器，原理与技术应用成熟，广泛用于农业、水利、林业、气象、地质工程等许多领域，操作安全、方便，在测量深度两米以上至数十米的范围内具有很大优越性，在测量时只要将探头放入预先埋设好的导管内，半分钟左右就能得到一个土壤层的含水量值，非常适用于本技术所公开的山体滑坡治理装置。
56.在一些实施方式中，所述山体滑坡治理装置的所述支撑部件具有发电机，所述发电机为所述控制单元、微波发生器、土壤含水率检测器供电。
57.在一些实施方式中，所述微波发生器由多个独立控制的微波管组成，由此可以通过调整开启所述微波管的数量控制微波输出功率，所述微波管优选为磁控管。
58.在一些实施方式中，所述山体滑坡治理装置还包括打孔部件。所述打孔部件用于在治理坡面上打出预定深度的孔，一方面便于测量坡面不同深度的土壤含水率，另一方面在微波处理过程中加速水分逸出蒸发，提高治理效率，同时，在微波处理完成后可以在孔中打桩加固，增强坡面的结构稳定性。
59.在一些实施方式中，所述支撑装置为汽车，形成车载式山体滑坡治理装置，可以用
于坡度较小坡面的治理，也便于装置的转场运输。
60.在一些实施方式中，所述发电机为柴油发电机或者汽油发电机，便于偏远地区滑坡的治理。
61.当然，本技术所述使用微波治理滑坡的方法并没有限制，本领域技术人员了解所述治理方法的原理之后，能够根据不同的环境采用不同的治理方法，以上所述的方法仅仅是一种示例。
62.以上所述的范围可以单独使用或者组合使用。通过下面实施例，能够更容易理解本技术。
63.实施例
64.如图1所示的一种山体滑坡治理装置，包括微波发生器(1)，土壤含水率检测器，控制单元(4)，和坡度检测部件(5)，以及支撑部件(图中未示出)，所述微波发生器(1)包括由4个功率为15kw的磁控管组成的微波管(2)，所述土壤含水率检测器为中子水分测定仪(3)，所述支撑部件为汽车，汽车上载有柴油发电机(图中未示出)。
65.所述控制单元(4)与所述微波发生器(1)、中子水分测定仪(3)和坡度检测部件(5)连接，所述支撑部件承载所述山体滑坡治理装置的其他部件，柴油发电机为所述控制单元(4)、微波发生器(1)、土壤含水率检测器供电。
66.图2示出了所述坡度检测部件(5)，包括底边(51)，量角器(52)，尼龙线(53)，砝码(54)，尼龙线(53)的一端固定在量角器(52)的原点上，另一端与砝码(54)连接。
67.图3示出了所述中子水分测定仪(3)，包括主机(31)，导管(32)，电缆(33)，探头(34)，中子源(35)。
68.本实施例中的山体滑坡治理方法包括：
69.在待治理坡面上安装所述山体滑坡治理装置，按照如下方法测定坡面坡度并确定所述预设值：将所述坡度检测部件(5)的所述底边(51)设置为与坡面平行，所述砝码(54)牵动所述尼龙线(53)在所述量角器(52)上指示出的角度即为坡度，测定坡度为50
°
，并由此确定土壤含水率的所述预设值为20％。
70.确定滑动面深度并监测滑动面土壤水分含量。通过地质资料获得滑动面深度为8米(在无法取得地质资料的情况下，可以采用所述中子水分测定仪测定土壤水分在垂直方向上的分布来确定滑动面深度)，按如下方法采用所述中子水分测定仪(3)对滑动面的土壤含水率进行监测：在所述坡面上埋设测量导管(32)，所述导管(32)埋深为滑动面深度(为8米)，测量时将所述探头(34)和中子源(35)顺着所述导管(32)放至滑动面深度即可进行快速测量。
71.所述控制单元(4)接收所述中子水分测定仪(3)的土壤含水率数据和所述坡度检测部件(5)的坡度数据后，判断开启所述微波管(2)的数量，据此开启所述微波发生器(1)，向所述滑动面发射微波，使所述滑动面的土壤水分不断蒸发，当中子水分测定仪(3)传送的滑动面土壤含水率数据降至所述预设值时即停止发射微波，完成滑坡的治理。
72.以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。