CN103411527A - 一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，通过一个永磁体和两个或多个磁探测器组成一个局部节点监测系统，再通过在滑坡体分布多个这样的节点构成一个整体的滑坡监测网络，在局部节点监测系统中，将永磁体固定于滑坡体稳定层，将两个或多个磁探测器放置于滑坡体的滑坡层，经磁探测器探测到的磁信号传回监控中心后，通过磁定位算法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间方位及空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的空间位置，再通过坐标变换，即可计算出该局部节点的滑坡深层位移，综合多个局部监测节点构成的监测网络计算得到的滑坡深层位移数据，即可评估出滑坡体的深层滑坡情况。

Description

一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法

技术领域

本发明提供了一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法方法。

背景技术：

滑坡是丘陵山区经常发生的地质灾害，在我国每年发生的地质灾害中所占比重最大。为了降低滑坡地质灾害造成的危害和损失，可以采用工程防护、监测预警或是搬迁避让三种措施来应对滑坡地质灾害，其中监测预警是应用较普遍的半主动预防性减灾措施。滑坡灾害体监测主要的监测量就是位移，包括滑坡体的地表位移和滑坡体沿滑动带滑动的深层位移，其中滑坡的深层位移所采用的主要技术手段是钻孔测斜。

钻孔测斜具体的做法是先从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下若干米，安装具有滑槽的测斜管，测斜管外部灌浆与滑坡体结合牢固，监测时采用测斜仪逐段测量测斜管的倾斜度变化，解算时认为滑动面以下部分不发生移动并将其作为位移解算的基点，因此当滑坡发育到一定阶段，变形进入蠕滑阶段时，埋设在滑动面位置的测斜管会因为上下岩体的错动而折断，这样深部位移的计算基点就失效了，整个测斜孔也就废弃了。因此如果能够寻找到一种可以在深部进行大变形测量的方法，那么对于捕捉滑坡从蠕滑阶段进入临滑阶段的变形特征，对于滑坡的临滑预报都具有非常重要的意义。

发明内容

本发明利用磁定位方法进行滑坡深层位移监测，将探测点和标的点进行分离，由永磁体构成的标的点在无源情况下可以永久提供一个标的磁场，这样在深层发生的大距离滑移可以转化为局部磁场的变化，这个变化量永久存在，抗干扰能力强，并且磁测方法数据采样频率高，信号稳定，精度高，对于实时监测意义重大，这对于滑坡深层位移监测将是一个极为重要的技术突破。

本发明采用的技术方案：

一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，包括以下步骤：

1）对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下的稳定层，在稳定层埋设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固；

2）将两个或多个磁探测器用固定装置将其固定构成一个探测装置，沿着钻孔在滑动面以上的滑坡层放置该探测装置，这样就组成了一个局部节点监测系统；

3）通过上述步骤每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统，然后将各监测节点编号，探测装置通过数据线与滑坡体外的数据处理器、信号发射器相连接，数据处理器将探测到的磁信号转化为数字信号，信号发射器再将此数字信号通过无线传感器网络技术及无线公共通信网络传输回监控中心；

4）监控中心对信号进行编程处理和计算，经磁探测器探测到的磁信号通过磁定位算法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间方位及空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的空间位置，再通过坐标变换，即可计算出该局部节点的滑坡深层位移，再综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的滑坡情况进行综合评估；

5）通过上述方法完成滑坡深层位移的测量。

上述的磁探测器至少为3个，通过3个以上探测器测得的数据两两相减消除地磁场的影响。

本发明取得的技术效果：

（1）获得的信息直观可靠，实用性强；

（2）便于普及，受环境影响小；

（3）无主观成分，简单、客观、精密，选点方便；

（4）内容丰富，精度高；

（5）远程监测，自动化程度高。

附图说明

图1是监测节点的坐标图示；

图2是滑坡体监测节点剖面图示；

图3是监测节点位置示意图；

图4是信号处理和传输示意图。

图1中点1是永磁体的中心坐标点，点2和点3是两个探测点的坐标位置，点2’和点3’是滑坡后两个探测点的坐标位置；

图2中1是永磁体，2和2’分别是滑坡发生前和滑坡发生后探测点的位置，3是被滑坡体的滑坡层，4是滑坡体的稳定层；

图3中1和2是监测节点滑坡发生前两个探测点的位置，1’和2’是滑坡发生后两个探测点的位置，3是永磁体，4是滑坡体的稳定层，5是滑坡体的滑坡层；

图4是探测点探测信号的处理与传输技术路线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参见图1-4，一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，包括以下步骤：

1）对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下的稳定层，在稳定层埋设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固；

2）将两个或多个磁探测器用固定装置将其固定构成一个探测装置，沿着钻孔在滑动面以上的滑坡层放置该探测装置，这样就组成了一个局部节点监测系统；

3）通过上述步骤每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统，然后将各监测节点编号，探测装置通过数据线与滑坡体外的数据处理器、信号发射器相连接，数据处理器将探测到的磁信号转化为数字信号，信号发射器再将此数字信号通过无线传感器网络技术及无线公共通信网络传输回监控中心；

4）监控中心对信号进行编程处理和计算，经磁探测器探测到的磁信号通过磁定位算法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间方位及空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的空间位置，再通过坐标变换，即可计算出该局部节点的滑坡深层位移，再综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的滑坡情况进行综合评估；

5）通过上述方法完成滑坡深层位移的测量。

优选地，所述的磁探测器至少为3个，通过3个以上探测器测得的数据两两相减消除地磁场的影响。

本发明中每个局部节点监测系统的构建，是把一个永磁体埋设在滑坡体的稳定层，将两个（或多个）磁探测器通过一个连接杆固定装置使其空间方位保持相对固定，并放置于滑坡体的滑坡层。由于探测器对应的探测点与永磁体距离远大于永磁体本身的线度，此时永磁体可以等效为一个磁偶极子，其在探测点所在区域将形成一个稳定的磁场环境。

1、探测点空间位置的定位

将磁探测器对应的坐标系设为空间全局坐标系，由于永磁体空间位置不变，可将永磁体中心设定为坐标原点。两个磁探测器的固定距离为c，探测器的Y轴方向为其连线方向。两个探测点的空间坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，检测到的磁感应强度分量分别为B_1x、B_1y、B_1z和B_2x、B_2y、B_2z。两个探测点相对于永磁体中心的空间距离分别为r₁和r₂，其中 $r_1=\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2+{z_1}^2},$ $r_2=\sqrt{({x_2}^2+{y_2}^2+{z_2}^2}.$ 永磁体的等效磁矩为

在坐标系下的方位角和仰角分别为α和β。

根据探测点磁场分量求解公式及坐标变换关系有：

$B_{1x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_1}^5}[(2{x_1}^2-{y_1}^2-{z_1}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3x_1{y}_1\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3x_1{z}_1\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_1}^5}[(2{y_1}^2-{x_1}^2-{z_1}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3x_1{y}_1\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3y_1{z}_1\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_1}^5}[(2{z_1}^2-{x_1}^2-{y_1}^2)\cos \mathrm{\α}+3x_1{z}_1\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3y_1{z}_1\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

$B_{2x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_2}^5}[(2{x_2}^2-{y_2}^2-{z_2}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3x_2{y}_2\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3x_2{z}_2\cos \mathrm{\α}]$

$B_{2y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_2}^5}[(2{y_2}^2-{x_2}^2-{z_2}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3x_2{y}_2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3y_2{z}_2\cos \mathrm{\α}]$

$B_{2z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_2}^5}[(2{z_2}^2-{x_2}^2-{y_2}^2)\cos \mathrm{\α}+{3x}_2{z}_2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3y_2{z}_2\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

x₁=x₂

z₁=z₂

y₁+c=y₂

对于以上九个方程，有八个未知量即两个探测点的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)以及α和β，将后三个方程带入前六个方程，则可简化成六个方程五个未知量，即探测点1的坐标(x₁,y₁,z₁)以及α和β，通过计算机程序设计可求得这些未知量，这样也就确定了探测点的空间位置。

2、滑坡深层位移的测量

当探测点出现滑坡情况时，探测器的空间方位以及探测点的磁感应强度分量随探测点变化都将发生改变，空间全局坐标系由滑坡前的XYZ变化为滑坡后的X′Y′Z′，此时两个探测点在X′Y′Z′坐标系下的空间坐标分别为(x₁′,y₁′,z₁′)和(x₂′,y₂′,z₂′)，检测到的磁感应强度分量为B_1x′、B_1y′、B_1z′和B_2x′、B_2y′、B_2z′。磁矩

在X′Y′Z′坐标系下的方位角和仰角分别为α′和β′。

通过上面相同的算法可以求出滑坡后两个探测点在X′Y′Z′坐标系中的空间位置(x₁′,y₁′,z₁′)、(x₂′,y₂′,z₂′)以及α′和β′，由于X′Y′Z′坐标系与XYZ坐标系有相同的坐标原点，相当于X′Y′Z′坐标系是XYZ坐标系发生了一个空间方位的旋转，相应的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\λ}}_{11}& {\mathrm{\λ}}_{12}& {\mathrm{\λ}}_{13}\\ {\mathrm{\λ}}_{21}& {\mathrm{\λ}}_{22}& {\mathrm{\λ}}_{23}\\ {\mathrm{\λ}}_{31}& {\mathrm{\λ}}_{32}& {\mathrm{\λ}}_{33}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right]$

式中 $\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\λ}}_{11}& {\mathrm{\λ}}_{12}& {\mathrm{\λ}}_{13}\\ {\mathrm{\λ}}_{21}& {\mathrm{\λ}}_{22}& {\mathrm{\λ}}_{23}\\ {\mathrm{\λ}}_{31}& {\mathrm{\λ}}_{32}& {\mathrm{\λ}}_{33}\end{array}\right)$ 为坐标变换矩阵。

（1）坐标变换矩阵的求解

其中坐标变换矩阵是与坐标系旋转的章动角θ、进动角ψ、自旋角

的正余弦相关的矩阵。满足以下关系式：

${\mathrm{\λ}}_{11}^2+{\mathrm{\λ}}_{21}^2+{\mathrm{\λ}}_{31}^2=1$

${\mathrm{\λ}}_{12}^2+{\mathrm{\λ}}_{22}^2+{\mathrm{\λ}}_{32}^2=1$

${\mathrm{\λ}}_{13}^2+{\mathrm{\λ}}_{23}^2+{\mathrm{\λ}}_{33}^2=1$

λ₁₁λ₁₂+λ₂₁λ₂₂+λ₃₁λ₃₂=0

λ₁₂λ₁₃+λ₂₂λ₂₃+λ₃₂λ₃₃=0

λ₁₁λ₁₃+λ₂₁λ₂₃+λ₃₁λ₃₃=0

设

为单位矢量，

在XYZ和X′Y′Z′的空间坐标分别为(sinαcosβ,sinαsinβ,cosα)和(sinα′cosβ′,sinα′sinβ′,cosα′)，此空间坐标可以通过前面得到的α和β及α′和β′可以求出，代入坐标变换公式可以得到

sinαcosβ=λ₁₁sinα′cosβ′+λ₁₂sinα′sinβ′+λ₁₃cosα′

sinαsinβ=λ₂₁sinα′cosβ′+λ₂₂sinα′sinβ′+λ₂₃cosα′

cosα=λ₃₁sinα′cosβ′+λ₃₂sinα′sinβ′+λ₃₃cosα′

此三个方程与上面的六个方程联立，通过计算机程序设计可解出坐标变换矩阵。

（2）滑坡深层位移的求解

利用上面的坐标变换公式，将滑坡后X′Y′Z′坐标系中两个探测点的坐标(x₁′,y₁′,z₁′)和(x₂′,y₂′,z₂′)变换到XYZ坐标系中，可得到两个探测点在XYZ坐标系中的坐标(x₁′′,y₁′′,z₁′′)和(x₂′′,y₂′′,z₂′′)。

以两个探测点中点的位移作为滑坡深层位移，可得：

$L=\sqrt{{(\frac{x_2-x_1}{2}-\frac{x_2^{\′\′}-x_1^{\′\′}}{2})}^2+{(\frac{y_2-y_1}{2}-\frac{y_2^{\′\′}-y_1^{\′\′}}{2})}^2+{(\frac{z_2-z_1}{2}-\frac{z_2^{\′\′}-z_1^{\′\′}}{2})}^2}$

（3）地球磁场的影响和处理方法

探测点磁场实际上应该是永磁体磁场和地球磁场二者的矢量叠加。地球是一个大磁体，在其周围形成磁场，地磁场强度较弱且比较稳定，随地点或时间的变化较小。如果对滑坡深层位移的探测精度要求很高，在方案设计中还应该消除地球磁场的影响。消除地磁场的影响可采取以下方案：在两个探测点的基础上增加一个或多个探测点，多个探测点固联在一条直线上，根据地磁场分布的特殊性,可认为在较小的地域范围内地磁场在短时间内变化很微弱,即多个磁探测器在同一时间受到的地磁场干扰基本相同。利用差分原理，把磁探测器输出的同类信号两两相减，就可以消除静态和准静态干扰信号，从而提高探测精度。

3、测量距离和测量精度

以磁矩为250Am²的永磁体为例，可计算得到不同测量距离处磁场大小的范围，如下表。

永磁体磁矩（Am2）	探测距离（m）	磁场大小（nT）
			250	1	25000-50000
250	2	3125-6250
			250	3	925-1850
250	4	390-780
			250	5	200-400
250	6	115-230
			250	4.01	387-775
250	5.01	199-398

很明显，本项技术的探测距离和探测精度取决于永磁体磁矩大小和探测器精度，当磁矩大小为250（Am²）、探测器精度为1nT时，综合考虑各项因素，测量距离为0-6m，滑坡位移测量精度为0.01m。如果选用磁矩更大的永磁体，则测量距离和测量精度都会大大提高。

例如，选用钕铁硼N38圆柱形永磁铁作磁定位探测实验，永磁铁直径80mm，厚度50mm，充磁方向为厚度方向，磁矩大小为250.52Am²。将三个探测精度为1nT的三轴磁阻探测器固联在一条直线上并保持空间方位一致，相邻磁探测器的空间间距为5cm。在实验室中模拟滑坡体的深层位移滑动。

第一步，固定永磁体的空间位置，将固联的探测器装置放置于永磁体附近的某一空间位置，以此时探测器的坐标系为空间全局坐标系XYZ，设定Z轴方向为圆柱形永磁体中心轴方向，永磁体中心为坐标原点，固联装置中的三个探测器所对应探测点的空间坐标通过现场实际测量依次为（1.15,0.3,-0.024）、（1.2，0.3，-0.024）、（1.25，0.3,-0.024）,单位为米。此时三个磁探测器探测到的磁场分量数据见下表：

	BX（nT）	BY（nT）	BZ（nT）
				探测器1	-3392.33	23461.17	-44718.1
探测器2	-3415.51	23475.45	-43033.3
				探测器3	-3439.1	23487.7	-41589.7

通过三个探测器测得的数据两两相减消除地磁场的影响，通过上述的磁定位方法，利用计算机编程，可求解得到三个探测器的空间位置分别为（1.159,0.281,-0.0258）、（1.209，0.281，-0.0258）、（1.214，0.281,-0.0258），求解得到永磁体在坐标系中的方位角和仰角分别为2.66度、36.54度。

可见通过理论计算得到的探测器空间位置与现场实际测量得到的空间位置非常接近，而产生偏差的原因有：（1）现场实际测量的坐标位置不是非常精准；（2）三个磁探测器的空间方位不是非常严格一致；（3）为了提高计算机程序运算速度，编程迭代的精度设置较小。

第二步，将固联装置平移到另一位置，探测器空间方位保持不变，通过现场实际测量此时固联装置中的三个探测器所对应探测点的空间坐标依次为（0.95，0,-0.024）、（1.0，0，-0.024）、（1.05，0，-0.024）,固联装置中间的磁探测器对应的移动距离为0.361m。

此时三个磁探测器探测到的磁场分量数据见下表：

	BX（nT）	BY（nT）	BZ（nT）
				探测器1	-3409.94	13082.95	-63363.5
探测器2	-3460.38	13198.03	-59198.5
				探测器3	-3245.26	13292.06	-55798.8

用同样的方法，可求解得到此时三个探测器的空间位置分别为（0.951，0.013,-0.024）、（1.001，0.013，-0.0239）、（1.051，0.013，-0.0239）。最终计算得到中间探测器的滑移距离为0.339m，与现场测量结果的绝对误差为0.022m，相对误差为6.09%。产生误差的原因同第一步的误差原因外，还有移动前后的坐标系不是严格一致。

第三步，将固联装置在第二步的位置处围绕着X方向顺时针旋转90度，此时的空间坐标系改变为X′Y′Z′，三个磁探测器探测到的磁场分量数据见下表：

	BX′（nT）	BY′（nT）	BZ′（nT）
				探测器1	-3516.35	-63253.8	14903.98
探测器2	-3397.43	-59115.2	14758.93
				探测器3	-3317.15	-55725.8	14640.34

可求解得到此时三个探测器在X′Y′Z′坐标系的空间位置分别为（0.951，-0.0256,-0.011）、（1.001，-0.0256，-0.011）、（1.051，-0.0256，-0.011），永磁体磁矩在X′Y′Z′坐标系中的方位角和仰角分别为92.02度、87.86度。通过计算机编程得到的坐标变换矩阵为：

$\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -0.008& -1.002\\ 0& 1& 0\end{array}\right)$

通过坐标变换公式，可得此时三个探测器在XYZ坐标系中的坐标分别为（0.951，0.01123,-0.0256）、（1.001，0.01123，-0.0256）、（1.051，0.01123，-0.0256），则得到中间探测器的滑移距离为0.341m，绝对误差为0.02m，相对误差为5.54%。产生误差的原因同第一步。

Claims (2)

1.一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下的稳定层，在稳定层埋设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固；

2）将两个或多个磁探测器用固定装置将其固定构成一个探测装置，沿着钻孔在滑动面以上的滑坡层放置该探测装置，这样就组成了一个局部节点监测系统；

3）通过上述步骤每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统，然后将各监测节点编号，探测装置通过数据线与滑坡体外的数据处理器、信号发射器相连接，数据处理器将探测到的磁信号转化为数字信号，信号发射器再将此数字信号通过无线传感器网络技术及无线公共通信网络传输回监控中心；

4）监控中心对信号进行编程处理和计算，经磁探测器探测到的磁信号通过磁定位算法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间方位及空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的空间位置，再通过坐标变换，即可计算出该局部节点的滑坡深层位移，再综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的滑坡情况进行综合评估；

5）通过上述方法完成滑坡深层位移的测量。

2.根据权利要求1所述的基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，其特征在于：所述的磁探测器至少为3个，通过3个以上探测器测得的数据两两相减消除地磁场的影响。

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