高速公路边坡安全自动监测预警系统的研究与应用吴仁平浙江金丽温高速公路有限公司浙江杭州 310004摘要：结合高速公路边坡工程特点与安全管理要求，开展基于TDR技术的边坡安全自动监测与预警系统的研究与应用，基于同轴电缆变形、破坏模拟试验，揭示同轴电缆的变形破坏特性及相应的TDR检测曲线变化规律；研究同轴电缆布设原则和埋设方式，TDR监测数据自动采集和远程数据传输技术，以及同轴电缆变形报警阀值，开发了一套集边坡安全自动监测预警系统。
关键词：高速公路；边坡安全；TDR技术；实时监测；自动报警S lope’s Automatic Monitoring and Warning Based on TDR TechnologyRenPing WuZhejiang Jinliwen Expressway Company LimitedAbstract: Based on TDR technology, this paper develops the research centering on slope’s automatic monitoring and warning alarm. Upon TDR’s fundamental theory and carrying out coaxial cable deformation and destruction simulating experiments, the characteristics of coaxial cable deformation and destruction and their respective reflection laws are understood; Moreover, both of coaxial cable arrangement and grout, as well as automatic collection of monitoring data and remote data transmission, are studied; On top of that, threshold values of coaxial cable deformation are investigated, finally, a complete set of software, includes data processing and monitoring and warning alarm, is developed. Slope’s real-time monitoring and warning alarm are realized at last. Keywords: expressway; slope safety; TDR technology; real-time monitoring; automatic warning 0 引言山区高速公路边坡工程地质条件复杂、影响因素多、管养难度大，一旦发生边坡变形破坏通常会对公路运营安全及司乘人员生命财产造成严重后果。
以往主要依靠管养人员现场巡查判断来进行边坡安全监测，对重点复杂或高度较高的高边坡进行各种专业仪器试验与监测，存在成本高，费时费力，无法及时把握边坡坡体与防护结构潜在安全风险等问题，尤其是在养护资金有限的情况下，造成某些边坡得不到及时的科学管控。
时间域反射（TDR）测试技术是一种电子测量技术，其应用研究始于二十世纪初期，应用领域较为广泛，最早应用于电力和通讯工业上，用于确定通信电缆和输电线路的故障与断裂；在国防和电讯等领域也已应用多年，主要用于确定飞行器飞行的空间位置、电话电缆的缺陷位置和各种材料的特性。
二十世纪七十年代后，时间域反射测试技术开始用于地质勘查工作，到九十年代中期，TDR 技术开始用于地质灾害的监测工作。
[1～5]基于TDR技术的边坡监测预警方法改变传统的分散式监测为分布式监测，具有布设灵活、成本相对低廉、操作简单、直观可靠和便于实时远程自动监测预警等优点，特别适用于对大量边坡进行全面安全管控。
1 TDR技术的基本原理TDR技术采用同轴电缆作为传输具有一定能量瞬时脉冲的传播介质，电脉冲信号沿着同轴电缆向前传播，当脉冲信号遇到同轴电缆的特征阻抗发生变化的地方，便会在同轴电缆中产生一个反射信号，这个反射信号称之为TDR信号。
通过对同轴电缆的发射信号与反射信号同时进行测量和对比计算分析，根据同轴电缆本身的特征参数，就能确定电缆的故障位置和性质。
在进行TDR 测试的实际工程应用中，若发射信号为 Vt ，反射信号为 Vr ，则反射信号 Vr 与发射信号 Vt 的比值称为反射系数，用ρ表示，即：Vt Vr /=ρ。
由于反射系数能够反映同轴电缆中反射信号的变化情况，因此，我们可以采用反射系数来详细地描述电缆的状态。
当同轴电缆的末端处于开路状态时，电缆的反射信号与发射信号大小相等，并且相位相同，则反射系数为＋1；与之相反，当同轴电缆的末端处于短路状态时，电缆中的反射信号与发射信号大小相等，并且相位相反，则反射系数为－1；当电缆的特征阻抗发生了变化的时候，其反射系数等于则在＋1 与－1 之间的某个确定值。
如果电缆阻抗变小，反射信号幅值减小，那么其反射系数为负值，相反，如果电缆阻抗变大，反射信号幅值增大，那么其反射系数为正值。
[6～8]2 同轴电缆变形特性的现场试验研究2.1 试验的目的和意义同轴电缆的变形与TDR 反射信号存在一定的联系，通过现场试验，分析两者间的联系可以作为分析、判断边坡位移动态变化的依据。
因此，现场试验的主要目的有以下四个：（1）确定基于TDR 技术的同轴电缆的埋设方法。
（2）确定能灵敏地反应电缆变形的砂浆配合比。
（3）厘清同轴电缆的变形规律。
（4）确定合理的电缆变形报警阀值。
通过在实际监测工点进行大量模拟破坏试验，排除影响监测效果的各种不利影响因素，分析、处理试验数据，为TDR 技术在边坡自动化监测与安全预警的应用及推广提供必要的支持。
2.2 变形破坏试验鉴于钻孔埋线试验周期较长，且孔内土体具体变形情况不宜观察，因此试验时，采用水平布线埋设，通过观察、分析电缆的变形总结电缆的变形规律。
具体布线前，先开挖用于埋设同轴电缆的水平试验槽，再在每个试验槽埋设2条同轴电缆，最后用砂浆握裹。
经过7～10天的养护期，水泥砂浆达到设计强度的75～80%，便可进行模拟变形破坏试验；经反复多次试验以最终确定可行的电缆埋设方式和砂浆配合比。
（1）在试验场地内选择适宜的位置开挖试验槽，断面尺寸为10cm*20cm ，槽长20m 左右，挖槽须顺直。
（2）安装电缆前，应先做好同轴电缆末端的防水处理，避免因地下水的渗入造成对反射波形的影响。
（3）电缆埋设时，在试验槽底部先铺一层厚5～7cm 厚的水泥砂浆找平层，再放置电缆（裸线），最后再上往铺一层5～7cn 的水泥砂浆（砂浆配合比为1:2）覆盖层。
同时，沿沟槽长度方向每隔5m 左右开设一个置放吨位为50t 的千斤顶槽，作为模拟破坏试验的反力装置。
详见图1，同轴电缆现场布置埋设示意图。
⑷用千斤顶给砂浆体逐步增加荷载，随着外力的增加，砂浆体变形逐步增大，电缆变形反射曲线亦逐渐增大（见图2电缆的触发变形曲线）；当外力达到一定程度时，握裹同轴电缆的砂浆开始产生微小裂缝，此时电缆变形反射曲线如图3所示（触发报警阀值设置为m,监测曲线中粗红点表示电缆变形值超过变形阀值）；试验还发现，当相对反射系数60ρm）后，电缆反射曲线并不随砂浆体及其包裹的电缆的变形增大而达到一定值（500～550ρ增大，而是保持“相对稳定”的变形状态，如图4所示；当砂浆体变形足够大后，电缆破坏，此时变形曲线出现剧变，如图5所示。
图1 同轴电缆现场布置埋设示意图图2砂浆体初始变形相对应的电缆反射曲线图3 电缆反射曲线随着砂浆变形增大而增大图4 电缆反射曲线不随砂浆体变形增大而增大图5 电缆破坏时反射曲线⑸确定电缆接长时触发变形的报警阀值。
基本原理：在外接不同长度的电缆条件下，当砂浆体产生与未接长时相当的初始变形时对应的报警阀值来测出不同电缆长度的触发变形报警阀值。
图6是埋设长度为18m电缆的试验槽外接50m电缆触发变形时的变形反射曲线。
未接长m，便可明显地捕捉到变形信息；接长后调整不同的变时，电缆的变形预警阀值设为60ρm时，可捕捉到变形信息。
同样的方法可测出形预警阀值，最终得到当预警阀值设为50ρm，如图7所示。
接长100m时电缆的预警阀值为30ρm时68m电缆初始变形曲线图6 预警阀值为50ρm时118m电缆初始变形曲线图7 预警阀值为30ρ2.3 试验结果分析由变形破坏模拟试验可知：由砂浆体握裹的电缆的变形规律是可循的，且电缆的变形范围较祼线变形范围大；较理想的砂浆配合比为1：2，在此配合比下，电缆的触发变形值较能真实反应实际变形情况；剥去外皮的同轴电缆变形更灵敏，更有利于实际应用。
m，但触发变形的变形量微小，肉眼不宜观察且易产电缆的触发变形报警阀值为60ρ生误报警。
因此，实际应用时，将报警阀值设置为120，砂浆体变形较大，周围土体也发生一定的变形，产生误报警的概率已大大降低，同时也有利于巡检人员检查变形发展情况。
通过不同连接长度时电缆的衰减特性试验可知：当电缆长度在30m以内时，电缆对信号的衰减很少，可忽略不计；当电缆接长50m时，变形信号衰减约50%；接长100时，信号衰减了约75%。
此外，通过试验可知，电缆接长时，其变化规律也与未接长时一致。
即反射曲线变化随m），砂浆体与其所包着砂浆体变形的增大而增大，当反射系数达到一定值后（500～550ρ裹的电缆变形增大，但反射曲线变形幅度并不增大，直到电缆随着砂浆体的变形增大而剪断，反射曲线才出现急骤的变化。
3 边坡自动化监测3.1 监测数据采集本试验采用美国 CAMPBELL SCIENTIFIC公司生产的TDR监测系统，主体设备包括电源、CR1000数据采集器、TDR100时域反射仪，SDMX50八通道多路器，作为传感器的同轴电缆及配套的PCTDR、LOGGERNETT软件等。
TDR100可采集一个通道的监测数据，通过与SDMX50八通道多路器、CR1000采集器连接后可采集八个通道的监测数据，采集的内容因监测内容的不同而异，达数百种。
对于本文所研究的边坡变形监测，其主要采集的数据有采集时间、电池电量、仪器温度、采集通道名称及其他与变形监测相关的各种数据。
采集的数据储存于CR1000数据采集器中，应用与CR1000采集器相配套的LOGGERNET软件实现采集。
编辑采集程序时，可按一定的电缆间隔长度设定测数据采集频度，对于监测要求较高的边坡，沿电缆长度每隔0.1m采集一个监测数据，一般边坡每隔0.2m或0.5m采集一个监测数据，而采集时间间隔可根据采集密度设置，一般为12h 或24h。