[发明专利]一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法

说明书

本发明公开了一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，属于岩土工程监测技术领域。本发明基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点；在岩土体稳定性监测点处布置三轴加速度传感器；采用施工(生产)爆破或敲击激振的方式施加外部激振，三轴加速度传感器拾取外部激振的冲击波响应信号；对外部激振的冲击波响应信号小波包分解，分别计算三轴加速度传感器三个方向的小波包频带能量比；计算各监测点各方向的失稳预警指标即能量比累积变异P，分析其变化趋势，对岩土体稳定性进行评价与预警。

技术领域

本发明涉及一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，属于岩土工程监测技术领域。

背景技术

岩土工程监测技术既可判断岩土工程的稳定性，预警岩土工程事故，又可根据监测结果指导现场施工、优化设计及施工方案。岩土工程监测的主要手段包括：应力应变监测、光纤传感监测与微地震监测等。现有的岩土工程监测方法和预警指标存在诸多不足，如岩土体位移应力监测周期长，信息获取精度不高，存在“一孔之见”的弊端；光纤传感监测技术安装、布设和保护困难，变形较大时易导致光纤断裂或传感器破坏，无法监测岩土体后期变形特征；岩土体微地震监测结果信噪比低，预警指标确定主观性强等，难以实现有效的灾害预警。

发明内容

针对现有岩土体稳定性监测预警方法的不足，提供一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，本发明方法相比现有应力、位移等监测方法，可以实时准确地反映岩土体整体与局部的破裂状况，而且具有监测成本低、操作简便、稳定性好等优点。

基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警系统包括产生冲击脉冲的激振系统、实时拾取冲击波数据的监测装置和对监测数据进行处理的数据处理装置；激振系统为施工(生产)爆破或敲击激振，监测装置包括自动拾取并过滤冲击波的三轴加速度传感器与固定传感器的基座，固定基座为刚度较大的有机玻璃块、角钢或铁块。

一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，具体步骤如下：

(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点；

(2)在步骤(1)的岩土体稳定性监测点处布置三轴加速度传感器；

(3)采用施工(生产)爆破或敲击激振的方式施加外部激振，步骤(2)的三轴加速度传感器拾取外部激振产生的冲击波响应信号；

(4)对步骤(3)外部激振的冲击波响应信号小波包分解，分别计算三轴加速度传感器三个方向的小波包频带能量比；

(5)计算各监测点各方向的失稳预警指标即能量比累积变异P，当该监测点的三个方向能量比累积变异P均为零时，则该监测点区域岩土体处于稳定状态；当该监测点的三个方向能量比累积变异P增大时，则该监测点区域岩土体偏离稳态；当该监测点的任一方向上能量比累积变异P出现突变时，则区域岩土体呈现失稳趋势。

所述步骤(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点的具体方法为：将岩土工程中Ⅳ、Ⅴ级岩体即[BQ]值≤350及土体区域作为主要监测区域，将Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级岩体即[BQ]值350作为辅助监测区域；隧道内掌子面与二次衬砌之间的主要监测区域沿轴向每隔5～10m布设一个监测断面，监测点布置在隧道拱顶和拱肩上，辅助监测区域每隔5～10m布设一个监测断面，监测点布置在拱顶上；边坡上的主要监测区域沿边坡走向每隔10～20m布设一个监测断面，辅助监测区域每隔20～30m布设一个监测断面，监测点布置在每级台阶坡面上。

所述步骤(2)三轴加速度传感器的埋深不小于0.5m，三轴加速度传感器的安装方向为隧道、矿山井筒、巷道或地下洞室内三轴加速度传感器的三个方向分别指向隧道、矿山井筒、巷道或地下洞室的轴向、径向和切向，边坡上三轴加速度传感器三个方向分别指向边坡走向、倾向与竖直方向。