CN103615962A - 一种滑坡体地表位移测量方法 - Google Patents

Abstract

一种滑坡体地表位移测量方法，通过一个永磁体和两个或多个探测点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滑坡监测网络，在局部节点监测系统中，将永磁体埋设于滑坡体地表滑动层，在滑坡体外设置两个或多个固定探测点，用磁探测器探测磁信号，通过磁定位算法计算出此时永磁体的空间位置，当滑坡发生时，永磁体的空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后永磁体的空间位置，即可计算出该局部节点的地表位移。本发明利用磁定位方法进行滑坡体地表位移监测，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，可用于实时和流动监测，能够有效克服目前采用的监测手段的缺点。

Description

一种滑坡体地表位移测量方法

技术领域

本发明提供了一种基于磁定位方法实现滑坡地表位移测量的在线监测方法。

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。

其中对滑坡体的地表位移监测国内外已应用了多种方法，如三重蠕变曲线地图形分析方法、半对数曲线法和变形速度倒数法进行滑坡时间预测，测量地表破坏声响反射方法检测地表、地下水运动，这些方法都是离线式和非实时性的。在实地监测工作中，国内外滑坡灾害的监测主要采用了5种类型的监测技术与方法。即宏观地质观测法、简易观测法、设站观测法、仪表观测法及自动遥测法。但这些方法都有各自的缺点，分别为：内容单一、精度低、信息量少和劳动强度大，并且须人执守，且连续观测能力较差；对仪器精度要求高，价格昂贵，仪器易出故障，长期稳定性差，资料需要用其他监测方法校核后方能使用。

发明内容

本发明通过一个永磁体和两个（或多个）探测点组成一个局部节点监测系统，用磁探测器探测磁信号，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，本技术是利用磁探测器具有稳定性高、精度高的优点，采用固定探测点位置，通过磁定位算法来确定滑坡体滑动地表处永磁体位置和方位的变化，从而得到滑坡体地表处位移变形的准确数据。再通过无线传感器网络技术及无线公共通信网络将数据传回监控中心，实现对滑坡体的地表位移的实时、远程在线监测。

一种滑坡体地表位移测量方法，它包括如下步骤：通过一个永磁体和两个或多个探测点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，将永磁体埋设于滑坡体地表滑动层，在滑坡体外设置两个或多个固定探测点，用磁探测器探测磁信号，通过磁定位算法计算出此时永磁体的空间位置，当滑坡发生时，永磁体的空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后永磁体的空间位置，即可计算出该局部节点的地表位移；

永磁体空间位置的定位方法为：将磁探测器对应的坐标系设为空间全局坐标系，此坐标系在探测时始终保持不变，两个探测点的空间坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，由于探测点位置固定，两个探测点的空间坐标是已知的，探测点的磁感应强度分量分别为B_1x、B_1y、B_1z和B_2x、B_2y、B_2z，永磁体中心空间坐标设为(x₀,y₀,z₀)，两个探测点相对于永磁体中心的空间距离分别为r₁和r₂，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有：

$B_{1x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_1}^5}[(2{(x_1-x_0)}^2-{(y_1-y_0)}^2-{(z_1-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(x_1-x_0)(y_1-y_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_1-x_0)(z_1-z_0)\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_1}^5}[(2{(y_1-y_0)}^2-{(x_1-x_0)}^2-{(z_1-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_1-x_0)(y_1-y_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_1-y_0)(z_1-z_0)\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_1}^5}[(2{(z_1-z_0)}^2-{(x_1-x_0)}^2-{(y_1-y_0)}^2)\cos \mathrm{\α}+3(x_1-x_0)(z_1-z_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_1-y_0)(z_1-z_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

$B_{2x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_2}^5}[(2{(x_2-x_0)}^2-{(y_2-y_0)}^2-{(z_2-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(x_2-x_0)(y_2-y_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_2-x_0)(z_2-z_0)\cos \mathrm{\α\α\β}]$

$B_{2y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_2}^5}[(2{(y_2-y_0)}^2-{(x_2-x_0)}^2-{(z_2-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_2-x_0)(y_2-y_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_2-y_0)(z_2-z_0)\cos \mathrm{\α}]$

$B_{2z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_2}^5}[(2{(z_2-z_0)}^2-{(x_2-x_0)}^2-{(y_2-y_0)}^2)\cos \mathrm{\α}+3(x_2-x_0)(z_2-z_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_2-y_0)(z_z-z_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

式中 $r_1=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2},r_2=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2},$

可任意选择其中的五个方程，联立后通过计算机程序设计即可求得x₀，y₀，z₀，α和β五个未知量，这样也就确定了永磁体的空间位置和方位；

滑坡地表位移的测量的具体方法为：

当出现滑坡情况时，永磁体的空间位置和空间方位将发生改变，通过滑坡后探测点磁场的变化，用相同的算法可以得到滑坡后永磁体的空间位置坐标x'₀，y'₀，z'₀和方位角α'，β'，即可确定永磁体的位移量即滑坡地表位移L，

$L=\sqrt{{(x_0^{\′}-x_0)}^2+{(y_0^{\′}-y_0)}^2+{(z_0^{\′}-z_0)}^2}.$

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，地磁场强度很弱且比较稳定，随地点或时间的变化较小。如果对滑坡地表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。其还包括地球磁场的影响和处理步骤：在两个探测点的基础上增加一个或多个探测点，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。

本发明取得了以下的技术效果：

本发明利用磁定位方法进行滑坡体地表位移监测，将探测点和标的点进行分离，由永磁体构成的标的点放置于滑坡体地表位置，在无源情况下可以永久提供一个标的磁场，在滑坡体之外设置两个固定探测点，这样在地表位置发生的滑移可以引起探测点位置局部磁场的变化，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，既可用于实时监测，也可用于流动监测，能够有效克服目前采用的监测手段的缺点，这对于滑坡地表位移监测将是一个极为重要的技术突破。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是监测节点的坐标示意图；

图2是监测节点的位置示意图；

图3是信号处理和传输示意图。

图1中1是监测节点选定的坐标原点，2和3是选定的两个固定探测点，4是滑坡前的永磁体位置，6是滑坡后的永磁体位置；

图2中1是山体的稳定层，2是山体的滑坡层，3是滑坡前永磁体的位置，4是滑坡后永磁体的位置，5和6是两个探测点的位置。

具体实施方式

参见附图1-3所示，对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动层，在地表滑动层埋设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固。在滑坡体外选择两个或多个固定探测点，在探测点利用磁探测器进行磁信号的探测，这样就组成了一个局部节点监测系统，以此方法每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统。滑坡情况的监测可选用两种方案，方案一：每个局部节点监测系统的磁探测器永久固定，探测器与数据处理器、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，监控中心对信号进行编程处理和计算，计算出各个局部节点的滑坡地表位移，再综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的地表滑坡情况进行综合评估，此方案可实现对滑坡情况的实时监测，但如何在滑坡体外固定磁探测器是一个难点；方案二：在磁探测器上固联一个坐标定位仪，以保证每次探测时探测器的空间位置和空间方位保持相同，磁探测器对每个局部节点实行人工流动探测，此方案具有操作性强、灵活性高的优点。

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，充磁方向为中心轴线方向，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地表位移滑动。

第一步，使固联的探测器装置空间位置固定，将永磁体放置于固联装置附近的某一空间位置，以探测器的坐标系为空间全局坐标系，圆柱形永磁体中心轴方向为Z轴方向，固联装置中间的探测器所对应的探测点设为坐标原点，永磁体中心的空间坐标通过现场实际测量为（-1.2,-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，可求解得到永磁体中心的空间位置为（-1.209，-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永磁体中心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，将永磁体平移到另一位置，并使永磁体围绕着Z轴方向任意旋转一个角度，通过现场实际测量此时永磁体中心的空间坐标为（-1.5，0.1，0.024）,永磁体中心对应的移动距离为0.5m。

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	-4175.12	23276.79	-37892.4
				探测器2	-4131.57	23309.39	-37108.9
探测器3	-4095.15	23338.16	-36422.6

用同样的方法，可求解得到此时永磁体中心空间位置为（-1.491，0.103，0.0277），方位角和仰角分别为2.72度、76.34度。计算得到永磁体中心的滑移距离为0.476m，与现场测量结果的绝对误差为0.024m，相对误差为4.71%。产生误差的原因同第一步。

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。

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。

Claims (2)

1.一种滑坡体地表位移测量方法，其特征在于：它包括如下步骤：通过一个永磁体和两个或多个探测点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，将永磁体埋设于滑坡体地表滑动层，在滑坡体外设置两个或多个固定探测点，用磁探测器探测磁信号，通过磁定位算法计算出此时永磁体的空间位置，当滑坡发生时，永磁体的空间位置将发生变化，用相同的算法确定滑坡后永磁体的空间位置，即可计算出该局部节点的地表位移；

永磁体空间位置的定位方法为：将磁探测器对应的坐标系设为空间全局坐标系，此坐标系在探测时始终保持不变，两个探测点的空间坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，由于探测点位置固定，两个探测点的空间坐标是已知的，探测点的磁感应强度分量分别为B_1x、B_1y、B_1z和B_2x、B_2y、B_2z，永磁体中心空间坐标设为(x₀,y₀,z₀)，两个探测点相对于永磁体中心的空间距离分别为r₁和r₂，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有：

$B_{1x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_1}^5}[(2{(x_1-x_0)}^2-{(y_1-y_0)}^2-{(z_1-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(x_1-x_0)(y_1-y_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_1-x_0)(z_1-z_0)\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_1}^5}[(2{(y_1-y_0)}^2-{(x_1-x_0)}^2-{(z_1-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_1-x_0)(y_1-y_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_1-y_0)(z_1-z_0)\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_1}^5}[(2{(z_1-z_0)}^2-{(x_1-x_0)}^2-{(y_1-y_0)}^2)\cos \mathrm{\α}+3(x_1-x_0)(z_1-z_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_1-y_0)(z_1-z_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

$B_{2x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_2}^5}[(2{(x_2-x_0)}^2-{(y_2-y_0)}^2-{(z_2-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(x_2-x_0)(y_2-y_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_2-x_0)(z_2-z_0)\cos \mathrm{\α\β}]$

$B_{2y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_2}^5}[(2{(y_2-y_0)}^2-{(x_2-x_0)}^2-{(z_2-z_0)}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3(x_2-x_0)(y_2-y_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_2-y_0)(z_2-z_0)\cos \mathrm{\α}]$

$B_{2z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{{{4\mathrm{\πr}}_2}^5}[(2{(z_2-z_0)}^2-{(x_2-x_0)}^2-{(y_2-y_0)}^2)\cos \mathrm{\α}+3(x_2-x_0)(z_2-z_0)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3(y_2-y_0)(z_z-z_0)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

式中 $r_1=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2},r_2=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2},$

可任意选择其中的五个方程，联立后通过计算机程序设计即可求得x₀，y₀，z₀，α和β五个未知量，这样也就确定了永磁体的空间位置和方位；

滑坡地表位移的测量的具体方法为：

当出现滑坡情况时，永磁体的空间位置和空间方位将发生改变，通过滑坡后探测点磁场的变化，用相同的算法可以得到滑坡后永磁体的空间位置坐标x'₀，y'₀，z'₀和方位角α'，β'，即可确定永磁体的位移量即滑坡地表位移L，

$L=\sqrt{{(x_0^{\′}-x_0)}^2+{(y_0^{\′}-y_0)}^2+{(z_0^{\′}-z_0)}^2}.$

2.根据权利要求1所述的滑坡体地表位移测量方法，其特征在于：其还包括地球磁场的影响和处理步骤：在两个探测点的基础上增加一个或多个探测点，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。

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