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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流沿海铁路边陡壁的监测与报警.精品文档.沿海铁路边陡壁的监测与报警William F. Kane1, Gary R. Holzhausen2, Etienne Constable2摘要：在沿圣地亚哥北部Del Mar的运输区/Amtrak轨道监测一段陡壁边坡的需要，导致发展了一个约千米的连续监测系统。因为监测距离如此长，使用常规单点监测系统如并联的倾斜计或者原位倾斜仪被认为是行不通的。由于陡壁坍毁在沿轨道的任何地方都可能发生，使用单点仪器将需要大量的仪器，而且点与点之间仍可能会发生被监视器错过的滑动。所以提出了沿高关注部分轨道安装水平的时域反射
2、器（TDR）同轴电缆传感器。TDR监测系统的工作原理类似于雷达，它用一个同轴电缆作为传感器，在陡壁与轨道之间的沟中灌浆。任何的边坡滑动都会使电缆发生变形和剪切滑动。反射后沿传感器发出一个电压脉冲。当脉冲遇到变形，或者传感器的末端，部分或全部的能量将会被反射。反射能量的数目是变形程度与从传感器末端反射回的所有能量之比。该反射准确地确定了变形的位置和如记录的反射程度的运动的相对程度。Del Mar边坡TDR监测系统使用三个现场数据采集系统和反射器来监测陡壁三个不同部位。每个传感器都是通过多路转换器连接到大约175米长的传感器上。传感器每几分钟就会被振动，以确定传感器是否发生变形。一旦发生变形，一个
3、信号将会被发送到中央监测单位，在那里会自动向铁路人员发出电话通知可能的陡壁滑动。然后工作人员可通过电话连接系统，并确定电缆变形的位置，由此一个陡壁和轨道安全监测系统就产生了。介绍当需要监测沿部分交通运输设施如铁路和公路的边坡滑动时，必须安装许多垂直的倾斜仪以保障足够的安全。在单一倾斜通常间隔很长一段时间并且错过了显著滑动趋势的边坡监测地区尤其如此。倾斜仪读数除了在时间上有单一性，在空间上也是如此。另一种标准倾斜仪的安装方法就是使用一个利用时域反射器（TDR）的自动远程数据采集和监测系统。使用自动远程数据采集和监测装置在岩土工程应用正在快速发展。自动数据采集可以记录小间隔的数据，并可以较快地确定
4、滑动趋势，从而取代了在某一时间内提供单点的一个单独的读数。时域反射器（TDR）允许监测连续长度而不是离散点。将自动数据采集系统和警报系统在临界值的基础上进行耦合，将会很有价值。安装水平传感器可以消除倾斜仪的单一性，能够确定沿交通运输设施的接触陡坡的长度任何一点的滑动。圣地亚哥北部的交通运输区的加利福尼亚在确定了Del Mar沿海陡坡上三个轨道部分，加利福尼亚将要被进行可能滑动的监测。虽然陡坡看似稳定，但由于出现一些侵蚀问题，已要求使用桩墙、增强排水、灌浆加固。另外，超过五十年以前，一处陡坡发生坍塌导致一列运货列车摧毁。网站说明概述被监测的领域是由部分容易侵蚀的沿海陡坡和相对较小的岩石掉块组成。
5、这些陡坡约在海滩15米上方。沿陡坡的铁路轨道与陡坡边缘的距离范围从小到6米大到30米。桩墙被安装在轨道与陡坡边缘距离很小的地方。地质概况陡坡由始新世利松砂岩和稍老的始新世Del Mar岩层组成。在这个地方，利松砂岩相对较坚固，但是当Del Mar岩层是松软的或者是粉砂岩时，利松砂岩就会成为裂隙和节理砂岩。波浪的运动和用作景观灌溉的大量的地下水致使粉砂岩软弱化。结果导致利松砂岩基蚀和当地沿海陡坡的坍塌。仪器概述远程数据采集系统包括一个数据采集系统，多路转换器，通信设备以及电源。此外需要为数据采集系统设计和连接软件。只有在案例学习中使用的仪器才在这里描述。鼓励读者研究其他厂家的产品和方法。时域反射
6、器（TDR）时域反射器（TDR）是一种监测边坡滑动的相对较新的方法。本来是发展用来找出交通和输电线路的破裂和断层，现在则被用来找出和监测边坡破坏。这项技术使用同轴电缆作为传感器，用时域反射器来测量。TDR的基本原理类似于雷达。反射器发送一个电脉冲下到一个被灌浆在沟槽或钻孔中的同轴电缆。当脉冲在电缆中遇到破裂和变形时就发生反射。反射在电缆讯号中显示一个类似“尖峰信号”。尖峰信号的位置表明了电缆损坏的位置。尖峰信号的增强与电缆变形的严重性有关。为确保任何地球运动都会被传到传感器的电缆上就需要水泥灌浆或贫混凝土浇筑。脆性、刚性灌浆甚至在微小的地球运动中都会产生裂纹，导致电缆变形，足以引起反射。数据采
7、集系统一个数据采集系统基本上就是一个小型计算机的CPU/带存储器的电压表。它被设计用来做一些诸如某些时间应用指定电压、电压表读数和储存数值等任务。它也可以被被用来做计算和储存结果，如把水头的压力值转换到米。控制数据采集器上的端口和磁化电流端口，可以被设计用来在输出某些时刻的电压值，来打开周围的仪器设备，如手机和电缆测试器。其它端口被连接到传感器上用来测量输出电压。多路转换器一个多路转换器允许多个传感器连接到一个数据采集系统上。多路转换器被连接到数据采集系统的一组单独的端口上。每个传感器之间的多路转换器开关的一系列联系附属于它。数据由记录仪按顺序采集。多路转换器甚至可以被对方多重发讯，创造出读取
8、许多仪器数据的能力。通信设备带有数据采集系统的通信设备可以通过几种手段。“硬接线”的电话通常是很可靠，但却不经常使用的。一个电话线只需要一个调制解调器传输和接收指示。手机和卫星电话可以被作为无线电收发机使用。这些方法处手机和无线电外还需要一个调制解调器。电源电源要求主要取决于仪器数量和通信设备。理想的情况是现场有电源供给，但实际上并总是如此。带有一个电话线和一个或两个传感器的小系统只需要一个凝胶可充电式电池。带有手机和电缆测试仪的大系统则需要一个较大的电池。通常使用12V深循环电池。这个电池用系统太阳能电池板进行充电。软件为了与数据采集系统交流，软件被写来在数据采集系统的操作系统中运行。这个软
9、件运行使用者可以联系到远程站点，无论是手动还是自动的；监测仪器读数和下载数据。一旦TDR数据被下载，就可以在Microsoft Windows中运行应用程序来对数据绘图和分析。监测系统设计该系统的基本布局如图1所示。它由一个中央控制器、监测单元和三个TDR监测站点组成。中央监测单元检查每个监测站的状态及控制系统的警报通知功能。每个TDR监测站为电缆变形和破裂联合两个传感器电缆。中央控制和监测单元一个中央控制和监测单元的示意图如图2所示。一个带有电涌保护的不间断电源供应给该单元。它由一个120V交流电源充电，这个电源转换为12V直流电来操作一个Campbell Scientific CR23X数
10、据采集系统和三个电话自动拨号器，每个监测站设置一个。CR23X的目的是监测从每个TDR监测站中输出的电压。零电压对于任何监测站通道都意味着没有警报条件。如果电压出现，就存在警报条件，然后适合的电话拨号器就会被激活，是警报呼叫。120V交流电也将转换为48V直流电，并通过轨道下面和旁边个别封闭电线提供给每个监测站。图1 中央控制和监测单元示意图TDR监测站在每个监测站电压被下调到12V直流电来驱动Campbell Scientific CR10X数据采集系统，SMX50 TDR多路转换器和100反射器（图2）。这个数据采集系统每4分钟访问两个水平的TDR电缆，并比较反射波形基线特征。如果反射数据
11、显示有一个变形或破裂的电缆，一个由5V直流电构成的警报信号通过中央控制和监测单元的CR23X被应用到电线监测中。该数据采集系统能够区分低等级警报（变形电缆显示小运动）和高级警报（剪切电缆和大规模斜坡破坏）。TDR传感器电缆路线确定在轨道下面。并安装在浅沟中与轨道平行。电缆被密封在水泥/砂浆注浆中，以确保变形是由边坡滑动所产生。共有约1000米的传感器电缆被安装。电磁通信电磁通信使用多点网络而成（图3）。每个数据采集系统连接到Campbell Multidrop MD-9网络接口。RG59同轴电缆被用来连接这些网络节点。在中央监测站，一个附加的MD9被连接到零位调制解调器/电源连接到电话调制解调
12、器。电话调制解调器被用来通过电话线来进入网络数据采集系统。图2 监测系统示意图除了调制解调器，三个自动拨号器还使用了电话线。当启用时，拨号器能拨号多达八个电话号码，并发送警报信息及适用该类型需要采取的行动。构造同轴传感器电缆的安装用拖拉机装的开沟机。沟开挖成0.7米深，平行于轨道，距离轨道中线4米，在轨道和陡坡中间。在沟底放上150毫米的贫混凝土层，并在上部放置传感器电缆。另外，在电缆上部放上0.3米厚的混凝土。混凝土凝固后，沟的剩下部分用压实土回填。中央监测单元和远程监控站设处不锈钢与粉末颜料和周围土壤混合。该外壳被安装在浇混凝土板并带有导线铸成。沿轨道埋设的已有管道是用于通信、电源和警报电
13、缆。所有的仪器和电源供给都在主要包裹层里的防水罩内。图3 TDR监测站示意图完成程序远程监控站数据采集系统被设计用来每十分钟用TDR反射器振动TDR传感器。然后这个程序将反射率一个预定值进行比较。电缆变形或破坏引发一个警报条件。这种状况使数据采集系统控制端口输出5V直流电到一个警报电缆。如果电力供应降到最低水平一下，警报条件也会形成。中央监控单元数据采集系统是被设计用来读取警电缆和检查为任何非零电压电缆。当电压被检测，根据警报的性质和位置，数据采集系统将激活一个自动电话拨号器。警报警报一方面的特征就是在一个可能的破坏条件下对八个不同电话号码拨号以通知工作人员的能力。每1/3的拨号专用于远程的监
14、控站。举例来说，一个传感器发生变形，2号远程监控站将出发拨号通知八个不同的个人，以提醒他们在2号站附近可能有边坡滑动。数据数据是由数字化的TDR特征组成，它由拥有者在办公室的顾问的电脑自动下载。数据被定期划分，以确定是否有非数据采集系统警报特征定位的任何电缆变形。结论根据作者的认知，这个项目代表了TDR边坡监测与预警功能的最大单一应用。使用电话自动拨号通知主要工作人员是该项目众多创新特点之一。此外，该区域范围内的监测和电缆运行的距离遇到了很多挑战。TDR基本监测在维护铁路和公路中具有良好的潜力，任何受到边坡滑动的威胁地方致谢笔者想对以下给予协助和专业知识来使这项工程成功的公司进行感谢！Paul McKee, J. C. Baldwin Construction,Steve Hoyle, North County Transit District, and Rafael Martinez, KANE GeoTech, 公司.