CN105806283B - 基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统。本发明的目的是要解决现有监测技术存在的问题，而提供一种基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，以监测孔为测线，通过阵列分布的环状节点端将监测孔内岩土体的变形传递到拉线，此时穿过节点端的拉线会以节点端的固定滑轮为中心，两端发生偏转；节点端两端的感应器将捕获这一拉线姿态的变化，并通过电刷滑轮将这一信息传递给拉线，再由拉线将这一拉线的姿态变化信息传递到地表监测控制端；通过数据传输技术连接各个节点端，通过信号传递时差反演节点端在测线方向的位置，通过拉线的姿态信息反演垂直测线方向的位移，从而实现测线上岩土体的位移监测。
Description
技术领域
本发明涉及了一种用于滑坡深部位移实时监测的方法和系统装置，尤其涉及一种能在测线上，满足大变形监测需求，并且可回收利用的实时监测系统。
背景技术
滑坡是全球范围内的主要地质灾害之一，往往造成人员伤亡、道路掩埋、房屋损毁，严重威胁生命财产安全。监测预警作为地质灾害风险减缓的重要措施之一，正越来越受到人们的重视。滑坡的发生发展演化过程，伴随着大量宏观可测物理信息的改变，如地表位移、深部位移、地表倾角、岩土体压力、声发射等。在众多可测物理量中，地表位移及深部位移因其能直接反映滑坡体的当前状态，其变形趋势又与滑坡体所处阶段存在良好的映射关系，且位移量施测相对简单方便，因而工程界普遍利用位移监测对滑坡体的安全状况进行合理评价。
对于滑坡深部位移监测，现常用的监测手段主要有，钻孔倾斜仪、拉线式深部位移计、TDR埋设测量。对于最广泛使用的钻孔测斜仪，分移动式和固定式两种。移动式钻孔测斜仪通过探头在导轨内的移动可以精确探测每一测点的倾角变化，进而给出更符合实际的深部位移曲线，但此种测斜仪无法实现自动化监测；固定式测斜仪由于传感器只布设在有限的几个测点上，一般只能给出测点间相对位移的变化。当深部发生较大位移时，前者探头容易发生卡位现象，后者传感器无法在倾角过大时，难以满足倾角的精度要求，二者均不能继续监测。拉线式深部位移计，可以在深部大位移条件下继续工作。但是随着精度要求提高，拉线数量也要随之提高，这提高深部的测斜管的管径要求。应用TDR技术的监测，可以快速采集到数字测量结果并传送至接收端，从而实现滑坡监测的智能化，但是不能用于监测只存在倾斜不存在剪切作用的区域，且无法确定滑坡移动的方向。另外受变形耦合条件限制，其埋设方式还有待研究，尚未广泛使用。
发明内容
本发明解决了现有技术中的不足，提供了一种基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统。该系统能够通过拉线的姿态信息反演垂直测线方向的位移，从而实现测线上岩土体的位移监测。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，至少包括位于地面上的伺服卷扬机、控制与解译设备以及位于监测孔内的拉线，控制与解译设备与伺服卷扬机连接并控制拉线的升降，所述拉线上由上至下依次安装有起始节点、普通节点和固定节点，各节点依次套在拉线上，起始节点位于监测孔的孔口并与控制与解译设备相连接，固定节点位于拉线的底端并将拉线的底端锚固于监测孔的底部，普通节点均匀的分布在起始节点和固定节点之间，且所有节点的外壁均与监测孔的孔壁贴合；所述拉线由抗拉芯线、信号芯线及保护胶皮构成，抗拉芯线与信号芯线均被包裹于保护胶皮的内部，信号芯线的四周填充有导接填料；上述所有节点能够将监测孔内岩土体的变化传递到拉线，穿过上述节点的拉线会对应发生姿态偏移，所有节点中均设置有感应器和电刷滑轮，电刷滑轮穿过保护胶皮并通过导接填料与信号芯线电连接，感应器捕获拉线姿态的偏移并通过电刷滑轮、信号芯线以及起始节点将信息传递至地面上的控制与解译设备；
所述控制与解译设备由监测控制端和姿态解译模块组成，所述的监测控制端包括起始节点接口、信号控制电路和电源；所述的起始节点接口与起始节点相连接并实现信号传输；所述信号控制电路用于在监测前、监测中、监测后发送控制信号和接收反馈信号，并通过伺服卷扬机控制拉线的升降，使拉线在监测中保持恒定的拉力；所述电源为整个系统供电；所述的姿态解译模块收集监测到的拉线姿态偏移信息，并通过解译后获得岩土体位移信息。
所述的普通节点、起始节点和固定节点的外壳均为中空圆柱体，内壁装配有固定滑轮、电刷滑轮，其上下两端各装配一个拉线测盘，普通节点内还设置有与各部件连接的微处理芯片；所述的电刷滑轮围绕节点的轴线分布有一组；所述的固定滑轮在电刷滑轮的上下方各设置一组，并且环状布置使拉线通过其中心自由滑动，同时电刷滑轮顶开拉线上的保护胶皮，使信号芯线与电刷滑轮接通；所述的拉线测盘包括滑动盘和感应盘，所述的滑动盘中间有圆形孔洞，且孔洞内壁有滚轮，拉线贴合滚轮并由圆形孔洞中穿过；所述的感应盘固定在外壳上，并套在滑动盘上与滑动盘之间通过轴承连接；感应器布设在滑动盘外缘和感应盘盘面上，当拉线在上述节点内偏移时，会带动滑动盘在感应盘内滑动，感应盘盘面上的感应器受滑动盘外缘感应器激发输出信号；所述的微处理芯片控制上述节点的充电、信号接收、信号识别与信号输出。
普通节点的外壳的内壁上还装配有内壁弹卡，所述的内壁弹卡围绕节点的轴线分布有一组，在监测控制端发出的信号控制下卡紧和松开拉线，限制普通节点与拉线的相对滑动。
普通节点的外壳的外壁装配有外壁弹卡，所述的外壁弹卡在监测控制端发出的信号控制下伸出和收回，以控制普通节点与岩土体耦合变形。
所述的起始节点内还设置有电子罗盘和倾角仪。
所述的固定节点中设置有可伸缩的拉线钩，在监测时将拉线牢牢固定在监测孔的底部。
所述的姿态解译模块收集监测到的拉线姿态偏移信息，并通过解译后获得岩土体位移信息，具体的解译方法如下：首先定义两种坐标系：A、监测坐标系C，以固定节点的测线终点为原点，表征监测终点零位移的前提下，监测线路上实际位移，以铅锤向上方向为Z轴正方向，以正北方向为X轴正方向的笛卡尔坐标系；
B、节点坐标系C′m，即以每个节点的中心为原点，节点的轴线指向监测起点方向为Z方向，径向某一标准方位为X轴正方向的笛卡尔坐标系；
Vm，m-1表示在监测坐标系C中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线的向量；表示在节点m-1的节点坐标系C′m-1中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线的向量；表示在节点m-1的节点坐标系C′m-1中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线在节点m-1的节点内部这段拉线的向量；
对于某一时刻，Vm，m-1、在同一条直线上，存在如下关系：
其中——节点反馈的拉线相对节点的姿态信息；
——节点反馈信号的时间差获得的每段拉线的长度；
当m＝1时，在起始节点可以反馈自身的姿态信息C0，得到
当m＝2，3，4，...，N时，N为节点总数，亦为固定节点对应的编号，将Vm-1，m-2代入公式(1)，可依次求得V2，1，V3，2，V4，3，...，Vm，m-1，...，VN，N-1；
每段拉线在监测坐标系中的向量Vm，m-1＝(xm，ym，zm)，固定节点N坐标为(0，0，0)，在t＝T时刻，各个节点的位移如下：
本发明提供的方法及系统以监测孔为测线，通过阵列分布的环状节点将监测孔内岩土体的变形传递到拉线，此时穿过节点的拉线会以节点的固定滑轮为中心，两端发生偏转；节点两端的感应器将捕获这一拉线姿态的变化，并通过电刷滑轮将这一信息传递给拉线，再由拉线将这一拉线的姿态变化信息传递到地表监测控制端；通过数据传输技术连接各个节点，通过信号传递时差反演节点在测线方向的位置，通过拉线的姿态信息反演垂直测线方向的位移，从而实现测线上岩土体的位移监测。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明中由于节点可以沿拉线自由滑动，因此在钻孔中不仅能监测垂直测线方向的位移，还能能够检测沿测线方向的位移。2、本发明通过调整起始节点的空间姿态量测模式，即可以实现测线铅垂布置和水平布置的切换。3、本发明既可以在钻孔测斜管中监测，也可以直接在相对稳定的钻孔中监测。4、本发明控制端预留多余的拉线，即可实现对垂直测线方向大位移的持续监测。5、本发明能够对各个节点状态独立控制，可以实现普通节点与围岩脱离，与拉线抱死，固定节点放开拉线，实现整套系统(除固定节点以外)的回收。
附图说明
图1为本发明提供的滑坡深部位移实时监测系统的结构示意图；
图2为普通节点的俯视图；
图3为普通节点的立体结构图；
图4为拉线的结构图；
图5为拉线的剖视图；
图6为拉线姿态解译方法原理图；
图7也为拉线姿态解译方法原理图。
图中：1-控制与解译设备，2-伺服卷扬机，3-拉线、4-起始节点、5-普通节点、6-固定节点，7-外壳，8-外壁弹卡，9-内壁弹卡，10-拉线测盘，11-电刷滑轮，12-固定滑轮，13-信号芯线，14-抗拉芯线，15-保护胶皮，16-导接填料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本发明提供的基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统的整体结构如图1所示，包括位于地面上的伺服卷扬机2、控制与解译设备1以及位于监测孔内的拉线3，控制与解译设备1与伺服卷扬机2连接并控制拉线3的升降，所述拉线上由上至下依次安装有起始节点4、普通节点5和固定节点6，各节点依次套在拉线3上，起始节点4位于监测孔的孔口并与控制与解译设备相连接，固定节点6位于拉线的底端并将拉线的底端锚固于监测孔的底部，普通节点5均匀的分布在起始节点4和固定节点6之间，且所有节点的外壁均与监测孔的孔壁贴合。
所述拉线的结构如图4和图5所示，由抗拉芯线14、信号芯线13及保护胶皮15构成，抗拉芯线与信号芯线均被包裹于保护胶皮的内部，信号芯线的四周填充有导接填料16。
所述的普通节点的结构如图2和图3所述，其外壳7为中空圆柱体，内壁装配有固定滑轮12、电刷滑轮11、内壁弹卡9，其上下两端各装配一个拉线测盘10，其外壁装配外壁弹卡8，普通节点内还设置有与各部件连接的微处理芯片；所述的电刷滑轮11围绕节点的轴线分布有一组；所述的固定滑轮在电刷滑轮的上下方各设置一组，并且环状布置使拉线通过其中心自由滑动，同时电刷滑轮顶开拉线上的保护胶皮15，使信号芯线与电刷滑轮接通；所述的内壁弹卡围绕节点的轴线分布有一组，在监测控制端发出的信号控制下卡紧和松开拉线，限制普通节点与拉线的相对滑动；所述的拉线测盘包括滑动盘和感应盘，所述的滑动盘中间有圆形孔洞，且孔洞内壁有滚轮，拉线贴合滚轮并由圆形孔洞中穿过；所述的感应盘固定在外壳上，并套在滑动盘上与滑动盘之间通过轴承连接；感应器布设在滑动盘外缘和感应盘盘面上，当拉线在普通节点内偏移时，会带动滑动盘在感应盘内滑动，感应盘盘面上的感应器受滑动盘外缘感应器激发输出信号；所述的外壁弹卡在监测控制端发出的信号控制下伸出和收回，以控制普通节点与岩土体耦合变形；所述的微处理芯片控制普通节点的充电、信号接收、信号识别与信号输出，并向普通节点的内壁弹卡、外壁弹卡传递松开和卡紧的指令。所述的起始节点与普通节点结构相似，布置于监测孔口，直接与控制端连接并固定，其拉线测盘只装配于拉线出口一端，没有内、外弹卡，另内置电子罗盘和倾角仪。所述的固定节点与普通节点结构相似，锚固于监测孔底，其拉线测盘只装配于拉线入口一端，没有内、外弹卡，另有可伸缩的拉线钩，在监测时将拉线牢牢固定。
所述控制与解译设备1由监测控制端和姿态解译模块组成，所述的监测控制端包括起始节点接口、信号控制电路和电源；所述的起始节点接口与起始节点相连接并实现信号传输；所述信号控制电路用于在监测前、监测中、监测后发送控制信号和接收反馈信号，并通过伺服卷扬机控制拉线的升降，使拉线在监测中保持恒定的拉力；所述电源为整个系统供电；所述的姿态解译模块收集监测到的拉线姿态偏移信息，并通过解译后获得岩土体位移信息。
所述的姿态解译模块收集监测到的拉线姿态偏移信息，并通过解译后获得岩土体位移信息，拉线姿态解译方法原理图如图6和图7所示，具体的解译方法如下：首先定义两种坐标系：A、监测坐标系C，以固定节点的测线终点为原点，表征监测终点零位移的前提下，监测线路上实际位移，以铅锤向上方向为Z轴正方向，以正北方向为X轴正方向的笛卡尔坐标系；
B、节点坐标系C′m，即以每个节点的中心为原点，节点的轴线指向监测起点方向为Z方向，径向某一标准方位为X轴正方向的笛卡尔坐标系；
Vm，m-1表示在监测坐标系C中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线的向量；表示在节点m-1的节点坐标系C′m-1中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线的向量；表示在节点m-1的节点坐标系C′m-1中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线在节点m-1的节点内部这段拉线的向量；
对于某一时刻，Vm，m-1、在同一条直线上，存在如下关系：
其中——节点反馈的拉线相对节点的姿态信息；
——节点反馈信号的时间差获得的每段拉线的长度；
当m＝1时，在起始节点可以反馈自身的姿态信息C0，得到
当m＝2，3，4，...，N时，N为节点总数，亦为固定节点对应的编号，将Vm-1，m-2代入公式(1)，可依次求得V2，1，V3，2，V4，3，...，Vm，m-1，...，VN，N-1；
每段拉线在监测坐标系中的向量Vm，m-1＝(xm，ym，zm)，固定节点N坐标为(0，0，0)，在t＝T时刻，各个节点的位移如下：
Claims (7)
1.一种基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，至少包括位于地面上的伺服卷扬机、控制与解译设备以及位于监测孔内的拉线，控制与解译设备与伺服卷扬机连接并控制拉线的升降，其特征在于：所述拉线上由上至下依次安装有起始节点、普通节点和固定节点，各节点依次套在拉线上，起始节点位于监测孔的孔口并与控制与解译设备相连接，固定节点位于拉线的底端并将拉线的底端锚固于监测孔的底部，普通节点均匀的分布在起始节点和固定节点之间，且所有节点的外壁均与监测孔的孔壁贴合；所述拉线由抗拉芯线、信号芯线及保护胶皮构成，抗拉芯线与信号芯线均被包裹于保护胶皮的内部，信号芯线的四周填充有导接填料；上述所有节点能够将监测孔内岩土体的变化传递到拉线，穿过上述节点的拉线会对应发生姿态偏移，所有节点中均设置有感应器和电刷滑轮，电刷滑轮穿过保护胶皮并通过导接填料与信号芯线电连接，感应器捕获拉线姿态的偏移并通过电刷滑轮、信号芯线以及起始节点将信息传递至地面上的控制与解译设备；
所述控制与解译设备由监测控制端和姿态解译模块组成，所述的监测控制端包括起始节点接口、信号控制电路和电源；所述的起始节点接口与起始节点相连接并实现信号传输；所述信号控制电路用于在监测前、监测中、监测后发送控制信号和接收反馈信号，并通过伺服卷扬机控制拉线的升降，使拉线在监测中保持恒定的拉力；所述电源为整个系统供电；所述的姿态解译模块收集监测到的拉线姿态偏移信息，并通过解译后获得岩土体位移信息。
2.根据权利要求1所述的基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述的普通节点、起始节点和固定节点的外壳均为中空圆柱体，内壁装配有固定滑轮、电刷滑轮，其上下两端各装配一个拉线测盘，普通节点内还设置有与各部件连接的微处理芯片；所述的电刷滑轮围绕节点的轴线分布有一组；所述的固定滑轮在电刷滑轮的上下方各设置一组，并且环状布置使拉线通过其中心自由滑动，同时电刷滑轮顶开拉线上的保护胶皮，使信号芯线与电刷滑轮接通；所述的拉线测盘包括滑动盘和感应盘，所述的滑动盘中间有圆形孔洞，且孔洞内壁有滚轮，拉线贴合滚轮并由圆形孔洞中穿过；所述的感应盘固定在外壳上，并套在滑动盘上与滑动盘之间通过轴承连接；感应器布设在滑动盘外缘和感应盘盘面上，当拉线在上述节点内偏移时，会带动滑动盘在感应盘内滑动，感应盘盘面上的感应器受滑动盘外缘感应器激发输出信号；所述的微处理芯片控制上述节点的充电、信号接收、信号识别与信号输出。
3.根据权利要求2所述的基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：普通节点的外壳的内壁上还装配有内壁弹卡，所述的内壁弹卡围绕节点的轴线分布有一组，在监测控制端发出的信号控制下卡紧和松开拉线，限制普通节点与拉线的相对滑动。
4.根据权利要求2所述的基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：普通节点的外壳的外壁装配有外壁弹卡，所述的外壁弹卡在监测控制端发出的信号控制下伸出和收回，以控制普通节点与岩土体耦合变形。
5.根据权利要求2所述的基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述的起始节点内还设置有电子罗盘和倾角仪。
6.根据权利要求2所述的基于拉线姿态解译的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述的固定节点中设置有可伸缩的拉线钩，在监测时将拉线牢牢固定在监测孔的底部。
7.一种基于权利要求1-6中任一所述的滑坡深部位移实时监测系统的拉线姿态解译方法，其特征在于包括以下步骤：
首先定义两种坐标系：A、监测坐标系C，以固定节点的测线终点为原点，表征监测终点零位移的前提下，监测线路上实际位移，以铅锤向上方向为Z轴正方向，以正北方向为X轴正方向的笛卡尔坐标系；
B、节点坐标系C＇m，即以每个节点的中心为原点，节点的轴线指向监测起点方向为Z方向，径向某一标准方位为X轴正方向的笛卡尔坐标系；
Vm，m-1表示在监测坐标系C中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线的向量；表示在节点m-1的节点坐标系C＇m-1中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线的向量；表示在节点m-1的节点坐标系C＇m-1中，从节点m到上一个节点m-1这段拉线在节点m-1的节点端内部这段拉线的向量；
对于某一时刻，Vm，m-1、在同一条直线上，存在如下关系：
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其中 ——节点反馈的拉线相对节点端的姿态信息；
——节点反馈信号的时间差获得的每段拉线的长度；
当m＝1时，在起始节点可以反馈自身的姿态信息C0，得到
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当m＝2，3，4，...，时，N为节点端总数，亦为固定节点对应的编号，将Vm-1，m-2代入公式(1)，可依次求得V2，1，V3，2，V4，3，...，Vm，m-1，...，VN，N-1；
每段拉线在监测坐标系中的向量Vm，m-1＝(xm，ym，zm)，固定节点端N坐标为(0，0，0)，在t＝T时刻，各个节点的位移如下：
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