CCD微變形監測技術在邊坡遠程監控中的應用

李曉知

(核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000)

邊坡巖土結構受自然因素和各種荷載作用的影響，從邊坡巖土體結構地質勘察到設計施工均需要考慮邊坡內部土體結構力學效應及復雜性特征。為了反映邊坡巖土體實際狀態及真實的力學效應，需通過多種技術方法集成進行數據測量。單監測設備數字化與自動化技術性能不強，穩定性差，監測結果精度不高。因此，本文在邊坡遠程監控中引入CCD微變形監測技術。

1 CCD微變形監測技術的應用現狀及特點

隨著高速公路工程建設規模不斷擴大，高邊坡位移監測在邊坡巖土體結構穩定性與安全性評價中的作用越來越突出。與傳統工程監測設備、技術相比，新型監測儀器的數字化、自動化優勢更為明顯。目前，業內公路工程采用的高邊坡位移監測設備有測斜儀、GPS組網設備及全站儀等。這些技術和設施在檢測時效性、成本及精度方面均具有一定優勢，但需要遠程無線監測，耗費大量人力、物力和財力。

而基于CCD微變形監測儀可獲取邊坡穩定性信息，通過光電信號的相互轉化，利用CCD微變形監測系統中的微型圖像傳感器獲取并接收光學信號、數字信號和邊坡監測微型圖像，借助遠程無線收發控制模塊，系統還可實現高邊坡巖土工程無線化與數字化監測，其不僅成本更低，且監測精度更高，最大量程可達1 000 m。基于遠程無線信號操控，更適應于高速公路工程等高邊坡長期監測。

2 CCD微變形監測技術及原理

2.1 CCD微變形監測信息采集

在監測信息采集中，需基于CCD微變形監測電荷耦合器件，實現光學信號與數字信號遠程轉換和微型圖像傳感。CCD微變形監測系統主要由數據采集系統與數據傳輸系統兩個基本模塊組成，其中CCD數據采集系統又包括CCD光電標靶和CCD主機兩部分。

在實際監測過程中，公路工程巖土邊坡穩定性信息首先經信息采集模塊固定至坡面上的光電標靶，由此可使系統主機通過數據信息感知，獲取公路工程邊坡位移信息。CCD是由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成的一體化的光電轉換器件，在監測過程中，主要以電荷信號實現信息感知。CCD數據采集原理關系表達式如下：

Q=ηqΔN0Tc

(1)

式中：Q為光電荷；q為電子電荷量；η為量子效率；Tc為光照時間；ΔN0為光子流速率。

根據以上原理，CCD微變形監測系統可通過光敏單元接收到的由標靶所發出的電荷大小信息，來對入射光源的位置變化實際情況進行判斷，然后通過與設定好的初始狀態進行比較，據此確定邊坡遠程監控實際位移參數。

2.2 數據傳輸系統

在監測數據傳輸中，需利用CCD傳感器將采集的邊坡監測信息現場通過系統控制命令借助完整的CDMA模塊或GPRS模塊，經由互聯網遠程回傳至系統服務器。本系統基于“點對點”的信息傳輸模式，可實現與GPRS模塊、光電標靶及系統主機連接，由此采用無線網絡進行數據接收和相關數據指令發送。

CCD微變形監測系統的核心部分是服務器，其主要負責相關監測數據的接收處理與命令傳送。該模塊借助專門的操作軟件，利用互聯網進行遠程監測管理。

GPRS模塊是監測系統的數據傳輸部分，其一方面連接無線主站，實現局部監測信號的傳輸；另一方面，通過服務器的IP地址、端口號寫入GPRS模塊，使系統相關監測模塊通過GPRS網絡與互聯網、服務相連接，實現遠程數據交換。其還借助數據傳輸模塊、數據采集模塊與系統主站連接，實現各工作儀器間的命令發送及數據采集和中轉。光電標靶和CCD主機均連接數傳模塊從站，從站同時負責主機和光電標靶數據的接收及開關控制，它是整套CCD微變形監測系統的具體工作部分。

3 CCD微變形監測技術在邊坡工程遠程監控中的應用實例

3.1 工程案例概述

本工程滑坡體前緣出口與后緣分別位于公路軸線左側120 m處及右側55 m范圍處，投影面積36 000 m2。滑坡區原始地貌前緣呈圓弧形突出，后陡前緩。據地質勘查資料顯示，滑坡在近期主滑方向大致為N69°～78°E，滑體厚5.5 m，滑動帶分別由節理密集帶、構造破碎帶及強弱風化巖接觸薄弱帶組成，原始滑坡體總方量約60×104m3。

3.2 CCD微變形監測技術應用分析

(1)監測目的。為了解該工程邊坡穩定性狀態，前期采用GPS設備及全站儀進行監測。但人工作業量大，效率不高，無法準確獲取數據。為全面掌握工程邊坡穩定性情況，在傳統數據監測基礎上，采用CCD微變形監測系統進行遠程監測控制，一方面能較為準確地反映工程邊坡原始狀態；另一方面盡量避免受邊坡施工影響與干擾。

(2)監測點布置。在數據監測過程中，在工程邊坡中部4～6三級臺階中，分別安放CCD微變形監測系統，并自上而下形成一個監測剖面。同時，在GPS測點周圍及已安放全站儀測點的區域布置CCD測點，由此展開遠程數據監測。CCD遠程監測測點布置示意圖如圖1。

圖1 CCD測點布置圖示

(3)微變形監測及數據分析。圖2為基于CCD微變形監測系統在2018年9月1日～9月22日期間監測得到高速公路邊坡工程遠程監控時間-位移曲線。曲線波動起伏變化明顯，經本系統測量所得位移均與坡面方向相垂直。

圖2 測點位移與時間的變化關系

監測數據表明，監測初期，經CCD微變形監測系統監測所得測點的初始值為負值，即監測初期該高速公路工程邊坡就出現向下位移現象。經檢查，發現CCD微變形監測儀器安裝標定“0”點后，下級臺階施工振動對其固定的光電標靶形成了干擾作用，由此導致系統自監測初期就顯示測點下移。在時間-位移曲線中，該移動主要表現為監測數據出現小幅波動，其中監測結果最大位移量達-7.82 mm，最小位移量達2.59 mm，監測數據最大與最小位移量相差約5.23 mm。

(4)微變形監測干擾影響控制。為排除外界干擾因素影響，在施工完成后，再次采用同樣的方法與監測點布設原理，對高速公路邊坡工程進行CCD微變形遠程監測。結果顯示，遠程測量數據結果趨于平穩，時間-位移曲線波動幅度大大減小，呈一條趨于平緩的直線。由此說明，本系統所量測的位移上、下波動幅度較小，表明此高速公路工程邊坡已接近于基本穩定狀態，CCD微變形遠程監測儀器受外界環境干擾很小。

3.3 CCD微變形監測技術的應用優勢

為對比傳統監測方法與CCD微變形監測技術在邊坡遠程監控中的應用效果，同時對GPS測量全站儀監測結果進行分析對比。據測點“位移-時間曲線”示意圖反映，GPS測點及全站儀測點、CCD測點處于同一水平面中，左、右相鄰距離最大不大于5 m，且監測對比結果顯示，在高速公路工程邊坡整體處于穩定狀態前提下，采用CCD微變形監測技術遠程監控所得結果更為穩定。而采用傳統GPS測量及全站儀監測方法所得數據結果在“位移-時間曲線”圖中波動變化幅度較大。

經分析，兩者監測結果差異產生的主要原因在于采用傳統方法進行數據監測時，GPS設備及全站儀系統本身存在一定的誤差，及由于人工手動反復操作時引起的人為誤差。而CCD微變形監測技術遠程監控全部由數字化與自動化系統模塊完成，數據的監測采集與傳輸都實現了集成化與一體化。除了外界環境細微干擾外，受設備及人為因素干擾影響很小，所以，CCD監測儀數據波動幅度要小于全站儀和GPS，監測穩定性與數據精度方面均要優于全站儀和GPS人工定點監測。監測數據的對比也表明，CCD微變形監測技術在高速公路邊坡工程遠程監控中具有較好的可靠性。

4 結語

邊坡監測數據獲取是判斷邊坡穩定性的重要依據，本文通過將CCD微變形監測技術應用于某高速公路工程進行邊坡工程遠程監控。結果表明，CCD微變形監測技術獲取的邊坡穩定性參數更接近實際，其適用于長時間、遠距離監控測量，能夠避免人為因素的影響和干擾。