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深圳市岩土综合勘察设计有限公司
【摘 要】在进行地面塌陷变形的测量中，虽然有不同的方法可以采用，但或多或少地存在一些漏洞，因此本文就该采用何种技术方法最为适宜进行分析研究。
【关键词】螺旋平行线；时域反射法；地面塌陷变形
螺旋平行线和时域反射的结合是对地面塌陷变形测量的重大技术设计，因此也被得到了重用，那么这项技术是如何实现对变形的预测的，要经过一系列的数据分析。
一、地面塌陷变形
如果要探究对地面塌陷变形的测量，首先我们要深入了解地面塌陷的原因和影响因素等等，只有在全面掌握问题状态后，才能有针对性地进行技术选择，更好地运用技术。
地面塌陷是指在人为作用下或者受到自然灾害后，土体或者地表岩受到破坏，从而坍塌下陷的一种地面破坏现象。如果这种破坏现象对人类的出行生活造成影响的话，便可归类为地质灾害的一种了。地面塌陷可以分为岩溶塌陷灾害和非岩溶塌陷灾害两种，而这其中最为严重的便属于岩溶塌陷灾害了，这种灾害由于受牵制的因素较多、分布广泛，且频率很高不易发现存在很大的偶然性，因此给人民及公共财产带来很大的影响。地面塌陷的形状主要决定于土体本身的特征等，可以看到的有圆形、长方形以及更多的不规则形状，而其剖面形态有各种各样。
鉴于地面塌陷所存在的不可预知性和多发性，加强检测和预警就成为重中之重了。但是传统的检测方法由于技术限制，在面对灾害发生的位置、时间的不确定性时，也通常无可奈何。所以这种情况下只有密集的监测和随时远程操控、加强检测频率等，才可以实现预防解决这一问题。这种情况的技术监测有两种技术方法可以实现，一种是光纤传感技术，另一种则是同轴电缆的时域反射法技术。但是这两种技术检测方法也有其不足之处，其中的光纤传感技术虽然以其稳定性能以及可靠性在对地质检测方面占据很大的优势，但是需要了解的是，该检测技术有其制约性，由于光纤的变形量受到限制，因此在地面塌陷这样的地质现象发生时，大一些的变形状态就会使光纤受损而无法继续稳定地工作。另外一种方法同轴电缆时域反射技术，也存在着不足之处。虽然同轴电缆时域反射技术拥有很好的变形测量性能特征且这种测量技术多使用于边坡部分的地下位移的分布测量，但是由于同轴的电缆的结构特点制约，就导致了该技术测量的变形量在实际的地面塌陷的状况中的测量变形也受到了制约。并且，由于同轴电缆的物理特性便造成了它只能够用于剪切变形的测量，而无法对更多的地面变形塌陷探测。
由此便衍生出了一种新型探测技术，可以弥补以上两种方法的不足之处，同时又兼备它们的优点，很巧妙地运用测量，这种方法就是基于螺旋平行线和时域反射法对地面塌陷变形测量的方法。
二、螺旋平行线的结构
（一）螺旋平行线的结构
图1 螺旋平行线的结构示意图
螺旋平行线，顾名思义，平行而上，螺旋缠绕，这样的结构首先是平行线作为基础概念，然后在同轴电缆的基本设计上进行再创意的过程。首先我们可以从图一中看到，一二层的铜线皆是保持着平行的状态，然后呈螺旋状均匀有序地在圆柱结构上的弹性硅胶面缠绕，这样的状态持续下去，然后采用硅胶的方法将铜线实现密封，从而避免了水分的侵蚀以及产生绝缘的功能。
图2 螺旋平行线的实物图
在图二里，我们可以看到这只是图一实例中的一部分，这里面首层的硅胶径长为三毫米，此层的硅胶径长为六毫米，总径长则为七点五七毫米。和同轴电缆不同的是，螺旋平行线拥有更加可靠的拉伸变形量，更为先进的是在缠绕过程中螺旋的拉伸并不会对铜线造成断裂的损害，因此，螺旋平行线的结构是对地面塌陷变形测量中比较适宜的一种方法。
（二）均匀传输线的模型
均匀传输线就是说两个导体在介质里互相平行，而螺旋平行线证是基于这样的原理而设计，符合该概念的要求。因此螺旋平行线的电路性能就可以参考均匀传输线来了解了。如本文图三所看到的，就将传输线上面的随机取出长度为dx的传输线进行研究。
图3 均匀传输线等效电路图
这里的传输线单位长度的电阻用R0表示，单位长度的电容用OC表示，单位长度的电导用G0表示，单位长度的电感用L0，表示为下图的公式。
图4 公式
（三）螺旋平行线特性阻抗的推导
在上面的公式中已经得出特性阻抗的表达公式。这里就要通过推导得出螺旋平行线的分布电感L0和螺旋平行线的分布电容C0的公式。当螺旋平行线处于没有拉伸变形的状态时，各个层次的铜线皆可以紧密相连，这样的情况下可以将其视为形态为圆柱的电容器。当螺旋平行线处于拉伸变形的状态时，详见图五，为次层的铜线紧密缠绕，这时可以将拉伸的长度设为d。
图5 螺旋平行线拉伸时示意图
由此可得出公式如下图：
图6 公式
这里的Ra是首层硅胶的半径之长，Rb则为次层硅胶的半径之长。如此下来，就要针对CB在螺旋平行线处于拉伸状态时的分布电容进行研究，当铜线处于拉伸状态时的那个区域段便当做是平行的直导线模型。这里可以假设d作为螺旋平行线的拉伸时的长度值，可以将r作为铜线的半径径长，由此，分布电容CB处于螺旋平行线拉伸状态时的公式可以表示为下图所示：
图7 公式
因此螺旋平行线的分布电容Co就会有以下式子：
图8 公式
这时的信号在传输线上达到一个区域值时，表面就会聚集所有的电荷，这个时候的电磁波就会都处在螺旋线之中的介质里，这是当电磁波速率用v来表示的时候，电感与分布电容就可以得出下面的公式：
图9 公式
由此还可以得到螺旋平行线的特性阻抗Zc的公式见下图：
图10 公式
通过参数的代入，可以得出如图十一所示的关系图，这里可以看出的是介电常数对于螺旋平行线特性阻抗的影响并不是很大。从图中还可以看出螺旋平行线特性阻抗和介电常数的关系是呈单调递减趋势这样的状态的，这其中的螺旋平行线的阻抗却在拉伸值变大的时候也在逐步增大。 图11 特性阻抗与介电常数、拉伸量的三维图
三、螺旋平行线的时域反射研究
这种方法称之为时域反射法，它的工作就是可以对螺旋平行线进行激励的信号输入，然后在螺旋平行线处于拉伸状态而变形的时候，变形的区域里的阻抗会产生变化，这个时候的激励信号便会针对于发生变化的阻抗的位置上发生一个反射信号。当我们接收到这个反射信号时，便可以对其进行研究，我们可以根据该反射信号所处的拉伸区域与长度值，还有反射信号的幅度等等进行分析，从而判断测量出地面塌陷的位置以及损毁的程度等。如图12所见，时域反射法在螺旋平行线的基础上的测量图：
图12 时域反射原理示意图
现准备一根长度为一百厘米的螺旋平行线，一般来所，一百厘米的螺旋平行线里面所缠绕的铜线在拉直的时候会有六十米的长度。然后把这根一百厘米长的螺旋平行线平铺设于所准备好的实验装置之上。螺旋线最末的部分的两根铜线短路，这时的螺旋线要用压板将其固定，但是被压住的区域应该距离螺旋线最末的部分二十五厘米，经过换算可以得出被压住的铜线与铜线最末部分的长度值为十五米。
图13 实验装置结构图
如上图所示的实验装置中，实现了该装置中的齿轮和螺纹的一个对立转化问题，造成了左右平板的拉伸，也就实现了螺旋平行线得到拉伸这样一个结果。这里所用到的是泰克DSA8300型号仪器的时域反射法模块发射的信号而且可以收到显示出反射信号所呈现的波形，这个时候，运用设置在固定平板上的游标卡尺对拉伸值进行测量，如十四图：
图14 实验图
螺旋线在一样的区域拉伸一到六厘米，从而可以绘制出如十五图所见到的反射信号的幅度和拉伸长度值、拉伸的位置的关系图：
图15 反射幅度、拉伸位置、拉伸长度的关系图
我们可以得知的是，该装置下的信号发射以及接受实际上是和缠绕的铜线息息相关的。因此在十五图中，一米的螺旋线里的铜线的长度值可以用表示为图中所示的横坐标，也就是一共有六十米的长度。通过对十五图的分析来看，螺旋线的拉伸变形值如果越大，那么时域反射仪器当中的反射的信号的幅度也会越大，同时，幅度最大的时候所对应的横坐标，也就是变形的位置是一样的。但是变形的位置案例来说处于横坐标上坐标值应该是四十五，但是通过计算得出的却是四十三，原因就是我们没有将两个压板下的铜线长度考虑在内。
四、UVE-PLS模型的建立与地面塌陷的预测
根据以上的实验可以知道，螺旋平行线是可以用于水泥固定土体里面的测量地面的塌陷。因为往往当地面塌陷之前的时间里，其内部皆会有变形而致使螺旋平行线出现拉伸变形的状况。我们结合时域反射仪器针对于所接收到的信号进行研究，便能够对地面塌陷的程度值和区域进行确认，这里面反射信号最大的部分就是地面塌陷的区域，而螺旋平行
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【摘 要】在进行地面塌陷变形的测量中，虽然有不同的方法可以采用，但或多或少地存在一些漏洞，因此本文就该采用何种技术方法最为适宜进行分析研究。
【关键词】螺旋平行线；时域反射法；地面塌陷变形
螺旋平行线和时域反射的结合是对地面塌陷变形测量的重大技术设计，因此也被得到了重用，那么这项技术是如何实现对变形的预测的，要经过一系列的数据分析。
一、地面塌陷变形
如果要探究对地面塌陷变形的测量，首先我们要深入了解地面塌陷的原因和影响因素等等，只有在全面掌握问题状态后，才能有针对性地进行技术选择，更好地运用技术。
地面塌陷是指在人为作用下或者受到自然灾害后，土体或者地表岩受到破坏，从而坍塌下陷的一种地面破坏现象。如果这种破坏现象对人类的出行生活造成影响的话，便可归类为地质灾害的一种了。地面塌陷可以分为岩溶塌陷灾害和非岩溶塌陷灾害两种，而这其中最为严重的便属于岩溶塌陷灾害了，这种灾害由于受牵制的因素较多、分布广泛，且频率很高不易发现存在很大的偶然性，因此给人民及公共财产带来很大的影响。地面塌陷的形状主要决定于土体本身的特征等，可以看到的有圆形、长方形以及更多的不规则形状，而其剖面形态有各种各样。
鉴于地面塌陷所存在的不可预知性和多发性，加强检测和预警就成为重中之重了。但是传统的检测方法由于技术限制，在面对灾害发生的位置、时间的不确定性时，也通常无可奈何。所以这种情况下只有密集的监测和随时远程操控、加强检测频率等，才可以实现预防解决这一问题。这种情况的技术监测有两种技术方法可以实现，一种是光纤传感技术，另一种则是同轴电缆的时域反射法技术。但是这两种技术检测方法也有其不足之处，其中的光纤传感技术虽然以其稳定性能以及可靠性在对地质检测方面占据很大的优势，但是需要了解的是，该检测技术有其制约性，由于光纤的变形量受到限制，因此在地面塌陷这样的地质现象发生时，大一些的变形状态就会使光纤受损而无法继续稳定地工作。另外一种方法同轴电缆时域反射技术，也存在着不足之处。虽然同轴电缆时域反射技术拥有很好的变形测量性能特征且这种测量技术多使用于边坡部分的地下位移的分布测量，但是由于同轴的电缆的结构特点制约，就导致了该技术测量的变形量在实际的地面塌陷的状况中的测量变形也受到了制约。并且，由于同轴电缆的物理特性便造成了它只能够用于剪切变形的测量，而无法对更多的地面变形塌陷探测。
由此便衍生出了一种新型探测技术，可以弥补以上两种方法的不足之处，同时又兼备它们的优点，很巧妙地运用测量，这种方法就是基于螺旋平行线和时域反射法对地面塌陷变形测量的方法。
二、螺旋平行线的结构
（一）螺旋平行线的结构
图1 螺旋平行线的结构示意图
螺旋平行线，顾名思义，平行而上，螺旋缠绕，这样的结构首先是平行线作为基础概念，然后在同轴电缆的基本设计上进行再创意的过程。首先我们可以从图一中看到，一二层的铜线皆是保持着平行的状态，然后呈螺旋状均匀有序地在圆柱结构上的弹性硅胶面缠绕，这样的状态持续下去，然后采用硅胶的方法将铜线实现密封，从而避免了水分的侵蚀以及产生绝缘的功能。
图2 螺旋平行线的实物图
在图二里，我们可以看到这只是图一实例中的一部分，这里面首层的硅胶径长为三毫米，此层的硅胶径长为六毫米，总径长则为七点五七毫米。和同轴电缆不同的是，螺旋平行线拥有更加可靠的拉伸变形量，更为先进的是在缠绕过程中螺旋的拉伸并不会对铜线造成断裂的损害，因此，螺旋平行线的结构是对地面塌陷变形测量中比较适宜的一种方法。
（二）均匀传输线的模型
均匀传输线就是说两个导体在介质里互相平行，而螺旋平行线证是基于这样的原理而设计，符合该概念的要求。因此螺旋平行线的电路性能就可以参考均匀传输线来了解了。如本文图三所看到的，就将传输线上面的随机取出长度为dx的传输线进行研究。
图3 均匀传输线等效电路图
这里的传输线单位长度的电阻用R0表示，单位长度的电容用OC表示，单位长度的电导用G0表示，单位长度的电感用L0，表示为下图的公式。
图4 公式
（三）螺旋平行线特性阻抗的推导
在上面的公式中已经得出特性阻抗的表达公式。这里就要通过推导得出螺旋平行线的分布电感L0和螺旋平行线的分布电容C0的公式。当螺旋平行线处于没有拉伸变形的状态时，各个层次的铜线皆可以紧密相连，这样的情况下可以将其视为形态为圆柱的电容器。当螺旋平行线处于拉伸变形的状态时，详见图五，为次层的铜线紧密缠绕，这时可以将拉伸的长度设为d。
图5 螺旋平行线拉伸时示意图
由此可得出公式如下图：
图6 公式
这里的Ra是首层硅胶的半径之长，Rb则为次层硅胶的半径之长。如此下来，就要针对CB在螺旋平行线处于拉伸状态时的分布电容进行研究，当铜线处于拉伸状态时的那个区域段便当做是平行的直导线模型。这里可以假设d作为螺旋平行线的拉伸时的长度值，可以将r作为铜线的半径径长，由此，分布电容CB处于螺旋平行线拉伸状态时的公式可以表示为下图所示：
图7 公式
因此螺旋平行线的分布电容Co就会有以下式子：
图8 公式
这时的信号在传输线上达到一个区域值时，表面就会聚集所有的电荷，这个时候的电磁波就会都处在螺旋线之中的介质里，这是当电磁波速率用v来表示的时候，电感与分布电容就可以得出下面的公式：
图9 公式
由此还可以得到螺旋平行线的特性阻抗Zc的公式见下图：
图10 公式
通过参数的代入，可以得出如图十一所示的关系图，这里可以看出的是介电常数对于螺旋平行线特性阻抗的影响并不是很大。从图中还可以看出螺旋平行线特性阻抗和介电常数的关系是呈单调递减趋势这样的状态的，这其中的螺旋平行线的阻抗却在拉伸值变大的时候也在逐步增大。 图11 特性阻抗与介电常数、拉伸量的三维图
三、螺旋平行线的时域反射研究
这种方法称之为时域反射法，它的工作就是可以对螺旋平行线进行激励的信号输入，然后在螺旋平行线处于拉伸状态而变形的时候，变形的区域里的阻抗会产生变化，这个时候的激励信号便会针对于发生变化的阻抗的位置上发生一个反射信号。当我们接收到这个反射信号时，便可以对其进行研究，我们可以根据该反射信号所处的拉伸区域与长度值，还有反射信号的幅度等等进行分析，从而判断测量出地面塌陷的位置以及损毁的程度等。如图12所见，时域反射法在螺旋平行线的基础上的测量图：
图12 时域反射原理示意图
现准备一根长度为一百厘米的螺旋平行线，一般来所，一百厘米的螺旋平行线里面所缠绕的铜线在拉直的时候会有六十米的长度。然后把这根一百厘米长的螺旋平行线平铺设于所准备好的实验装置之上。螺旋线最末的部分的两根铜线短路，这时的螺旋线要用压板将其固定，但是被压住的区域应该距离螺旋线最末的部分二十五厘米，经过换算可以得出被压住的铜线与铜线最末部分的长度值为十五米。
图13 实验装置结构图
如上图所示的实验装置中，实现了该装置中的齿轮和螺纹的一个对立转化问题，造成了左右平板的拉伸，也就实现了螺旋平行线得到拉伸这样一个结果。这里所用到的是泰克DSA8300型号仪器的时域反射法模块发射的信号而且可以收到显示出反射信号所呈现的波形，这个时候，运用设置在固定平板上的游标卡尺对拉伸值进行测量，如十四图：
图14 实验图
螺旋线在一样的区域拉伸一到六厘米，从而可以绘制出如十五图所见到的反射信号的幅度和拉伸长度值、拉伸的位置的关系图：
图15 反射幅度、拉伸位置、拉伸长度的关系图
我们可以得知的是，该装置下的信号发射以及接受实际上是和缠绕的铜线息息相关的。因此在十五图中，一米的螺旋线里的铜线的长度值可以用表示为图中所示的横坐标，也就是一共有六十米的长度。通过对十五图的分析来看，螺旋线的拉伸变形值如果越大，那么时域反射仪器当中的反射的信号的幅度也会越大，同时，幅度最大的时候所对应的横坐标，也就是变形的位置是一样的。但是变形的位置案例来说处于横坐标上坐标值应该是四十五，但是通过计算得出的却是四十三，原因就是我们没有将两个压板下的铜线长度考虑在内。
四、UVE-PLS模型的建立与地面塌陷的预测
根据以上的实验可以知道，螺旋平行线是可以用于水泥固定土体里面的测量地面的塌陷。因为往往当地面塌陷之前的时间里，其内部皆会有变形而致使螺旋平行线出现拉伸变形的状况。我们结合时域反射仪器针对于所接收到的信号进行研究，便能够对地面塌陷的程度值和区域进行确认，这里面反射信号最大的部分就是地面塌陷的区域，而螺旋平行
（下转第227页）