基于差异化振动特性的交通线路岩质崩滑监测预警方法

1.本发明涉及一种基于差异化振动特性的交通线路岩质崩滑监测预警方法，属于山地灾害领域。
技术背景
2.目前高陡边坡稳定性监测手段单一、监测难度大、数据获取不及时，难以满足高陡边坡的突发特性，达不到预警效果，错失了抢先治理机会的问题。尤其是危岩体与基岩锚固段裂缝以及结构面特征不明显，是影响评价危岩体安全性的关键问题。同时现有的振动检测技术需要有自激励震源。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是针对现有交通线路岩质崩塌滑坡监测预警技术的不足，提供一基于差异化振动特性的交通线路岩质崩滑监测预警方法，利用铁路线路及铁路运营过程中机车运动产生的固有的震源，基于危岩体和基岩的振动差异来确定危岩体的危险程度，提供一种可定量、客观评价危岩体稳定性评价方法。
4.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于差异化振动特性的交通线路岩质崩滑监测预警方法，主要包括以下步骤：
5.步骤1：根据现场地质勘察确定崩滑范围，选定崩滑危岩体以及基岩监测点位置，制定监测方案。
6.步骤2：开展实时监测站点建设及传感器埋设安装，并实现实时监测，数据传输和存储到控制中心。
7.步骤3：对rms加速度振幅比、卓越频率、衰减常数三种振动特性进行计算，展示和存储。
8.步骤4：控制中心根据计算结果，对比评价指标判断崩滑灾害危险程度，对交通线路岩质崩滑开展实时监测预警。
9.优选的，在步骤1中，从岩体的龟裂状况对危岩体区块进行划分，初步确定危岩体的类型或稳定性，如果区块划分不明确，则在整个边坡斜面上设置监测点，使其没有测量的空白区域，这是因为可以根据测量结果判断是危岩体还是基岩。另外，考虑到输入振动的幅度不总是相同，原则上需要将至少一个监测点设置在稳定基岩上进行比较。
10.作为监测点的配置方法，可以考虑以下两种情况：
11.①
主要危岩体较为明显，则可以直接在危岩体上布置监测点。
12.②
主要危岩体不清晰的情况，为了在整个边坡上没有测量的空白区域，需要配置监测点。
13.优选的，在步骤2中，由于考虑到基岩的恒震速度级为10-5
～10-4
cm/s，频段在1～50hz左右，因此需要选择能准确测量这种信号的三分量检波器装置。在长期测量的情况下，认为需要长期固定三分量检波器，使其与岩石融为一体，但进行短期测量，用以评估岩体的
稳定性情况下，可以通过安装小型轻量级三分量测振仪作为简单经济的测量系统来解决。
14.进一步的，对于振动源的选定，对于交通路线两侧的边坡，一般交通工具行驶时测量即可，因此不需要另外准备特别的振动源。
15.进一步的，开展振动信号实时监测，通过gprs无线传输，将监测数据实时传输并存储到控制中心。
16.优选的，在步骤3中所述的涉及的基于振动监测信号的rms加速度振幅比、固有周期、衰减常数的计算方法，具体按照如下方法实施：
17.(1)rms速度幅值比
18.rms速度幅值比是由危岩部分振动记录的均方根值与基岩部分振动记录的均方根值之比计算得出的值，如公式1所示。
[0019][0020]
式中：r为rms速度振幅比，x为在基岩部分的振幅的振动记录的时间序列，y为在危岩部分的振幅的振动记录的时间序列，n为测振仪个数。
[0021]
(2)卓越频率、衰减常数
[0022]
基于快速傅里叶变换计算实测值传递函数：
[0023][0024]
式中：x(f)和y(f)表示x(t)和y(t)的傅立叶变换值，m＝1,2,3
…
表示测量次数。
[0025]
基于实测值的频响函数确定单自由度振动模型传递函数的理论值：
[0026][0027]
式中：卓越频率为衰减常数为
[0028]
由式2及式3得到的传递函数的实测值和理论值，基于线性最小二乘法用于反演确定卓越频率和衰减常数。
[0029][0030]
式中：f0为卓越频率，h为衰减常数，测量值与理论值的残差εj(f0,h)＝h0(fj)-h
t
(fj)。
[0031]
优选的，在步骤四中确定评价指标判断崩滑灾害危险程度，见表1。
[0032]
表1基于震动多特性的岩质崩滑评价指标
[0033][0034]
本发明以振幅比、卓越频率以及衰减常数为多指标对危岩体稳定性进行评价，实现了基于交通工具振动源所产生振动信号的边坡危岩体稳定性的快速判断，达到降低灾害风险和灾害损失目的，为灾害预防与治理、保障交通工程建设及运行安全提供了技术支撑。
附图说明
[0035]
图1为本发明的方法总体流程图；
[0036]
图2为本发明的监测方案示意图；
[0037]
图3为本发明三分量检波器简易安装示意图；
[0038]
图4为本发明步骤3计算流程图；
[0039]
图5为本发明1质点1自由度系的振动模型图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0041]
如图1所示，包括以下步骤：
[0042]
步骤1，据现场地质勘察确定崩滑范围，选定崩滑危岩体以及基岩监测点位置，制定监测方案如图2所示，其中将交通工具行驶过程产生的振作信号作为振动源2-1，然后由传播路径2-2传播到安装在基岩部分2-6的检波器2-2以及危岩部分2-5的检波器2-3。
[0043]
步骤2，进行检波器2-1埋设安装时尽量寻找平坦的坡面作为设置场所。如图3所示，为了增加基岩和地震检波器之间的接触面积，使用凿子等将不平坦部分形成为大致平坦的。接下来用电钻在岩盘上钻孔2-4。注意削孔几乎水平地朝向预定的方向(ns或ew)。用布和刷子擦掉墙面上的水分、垃圾等。在削孔中放入一半左右的腻子2-2，震检波器的尖钉部分2-5推入削孔中，进行固定。用水平仪调整水平(倾斜
±
15
°
以内)对准ns,ew的方向。最后用腻子等将地震检波器主体固定在岩层上(用手指摇晃主体也不动的程度)。并实现实时监测，通过gprs网络实时传输和存储到控制中心。
[0044]
步骤3，采样频率设置为500hz，采样时间设置为连续记录20秒，因此采样次数为10000，并且这种测量进行了10次以上，通过增加数据的数量来提高精度。将采集到振动数据首先判断测得的振动记录中是否包含电气噪声或风雨影响等特殊波形，然后提取要分析的波形。根据测量得到的有效振动波形，进行如图4所示的分析处理。
[0045]
首先对于rms速度振幅比的计算如公式1所示，rms幅值比是统计地表示振动的振动特性的一个量，评价危岩的振动特性，因此被认为是比最大振幅更可靠的指标，例如rms速度振幅比为1，基岩和危岩部分以相同的振幅振荡，但rms速度振幅比显示较大的值，则危
岩部分的振荡幅度比基岩大。
[0046]
对于卓越频率以及衰减常数的计算，首先，使用提取的波形，通过快速傅立叶变换计算傅立叶分量，根据傅立叶分量计算频率响应函数，在计算过程中使用汉宁窗进行平滑处理。通过频率响应函数的形状特性，确定振动模型，一般岩石频响函数基本为1质点1自由度系的振动模型(图5)。该振动模型到达稳定时频率响应函数特性由公式3表示，将其作为实测响应曲线的模型，最后通过最小二乘法反演确定卓越频率和衰减常数。
[0047]
步骤4，根据前人模拟实验的结果，危险度的判断标准如下：rms速度幅度比小于2为不稳定；卓越频率低于30hz为不稳定；衰减常数低于0.2为不稳定。