CN106382972B - 一种单孔地下水位监测方法及实时监控装置 - Google Patents

一种单孔地下水位监测方法及实时监控装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单孔地下水位监测方法利用埋入地下的测斜管及其顶部的激光测距仪以及反光浮标计算地下水位，并实时传输数据。本发明同时提供一种单孔地下水位实时监控装置，包括激光测距仪、测斜管、反光浮标、通讯模块以及数据处理终端。利用本发明进行实时测量和监控，具有设备技术成熟、测量结果精确、适用场合广泛、使用能源清洁环保、可靠性好、维护量小、节约人工等优点，非常适合应用于滑坡领域的地下水水位监测。

Description

一种单孔地下水位监测方法及实时监控装置
技术领域
本发明涉及一种单孔地下水位监测方法及实时监控装置，属于滑坡地下水位的实时监测技术领域。
背景技术
我国是地质灾害大国，对于地质灾害尤其是滑坡的监测十分必要，地下水位是滑坡稳定性分析的重要水力学参数，其监测作为滑坡监测中的重要一环，也必不可少。地下水水位一般先观测水头埋深，再结合监测点高程得到水位高程。
已知地下水水位的监测方法很多，主要可以分为人工观测和自动观测两种。人工观测方法采用的仪器主要是电接触悬垂式水尺，以通电报警提示水位，以测尺判断具体埋深，该方法因其技术要求低、简单、易携带，在国外应用较广泛，但也存在人工工作量大，测读方式原始因而可能放大误差的弊端；地下水位自动监测仪器主要包括浮子式和压力式。浮子式地下水位计在国内应用最广泛，一般都能在10cm口径的测井管中工作，有些可装在5cm口径的井内工作，但由于地下水埋深较大，较长的悬索影响了其感应灵敏度，一般精度都在厘米级；压力地下水位计具有使用方便、功耗低、精度高等多优点，但是存在地下水中的泥沙影响精度，压阻式有时飘、温飘，要定时校准等问题。此外，还有近些年发展的超声波水位计，由于超声波发射有5°～7°的发散角，因此该角度内不能有遮挡物，而对于滑体内的测斜管而言，变形是必然的，也因而限制了其的适用。此外，还有一些用于明渠或河流、水坝等露水头水位监测的雷达水位计，激光水位计等仪器、方法，用激光水位计垂直检测水位，因其设计特点而不能用于滑坡内地下水位的监测。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种单孔地下水位监测方法及实时监控装置，可以实时实施单孔地下水位监测、不受测斜管变形影响。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种单孔地下水位监测方法，包括以下步骤：
(1)对滑坡进行勘察，确定重点监测位置；
(2)在重点监测位置处钻孔并埋入内壁附有反光涂层的测斜管；
(3)采用1956年黄海高程系统，测量测斜孔顶部高程，记录为H1；
(4)在测斜孔顶部安装激光测距仪，激光测距仪设置于测斜孔顶部，发射激光脉冲的激光二极管位于孔的几何中心；
(5)将反光浮标投入测斜管内，反光浮标随重力作用落入测斜井底部，并浮于地下水水面浸润线；
(6)激光测距仪向测斜孔内发出入射激光脉冲，激光脉冲在测斜孔内壁多次反射后到达反光浮标后形成反射激光脉冲沿原路返回并被激光测距仪内的激光接收元件接受，由此测得测光测距仪与反光浮标间的距离L：
其中c为光速，TΔ为激光脉冲往返时间；
(7)利用测斜管的测斜数据得到测斜管顶部与反光浮标顶面所在平面夹角θ；
(8)利用以下公式计算地下水水位高程：
得到重点监测位置的地下水水位高程后，通过通信模块将检测位置的水位高程实时地发送至远程的数据处理终端。
本发明同时提供了一种基于上述方法的单孔地下水位实时监控装置，包括激光测距仪，所述激光测距仪位于埋设于地下的测斜管的顶部，激光测距仪发射的激光脉冲的起点位于放置测斜管的测斜孔的几何中心处，测斜管内壁涂有反光涂层，测斜管内部地下水水位处漂浮有表面设置反光贴膜的反光浮标，所述激光测距仪与通讯模块连接，通讯模块通过无线移动通讯网络与数据处理终端连接，所述激光测距仪和通讯模块均与太阳能电池板连接，所述反光浮标呈中部厚、周围薄的碟形。
所述太阳能电池板位于测斜孔旁。
所述数据处理终端为用于数据处理和存储的PC机、手机和工作站的一种。
所述通讯模块通过GSM移动通信网络和/或GPRS无线通信网络与数据处理终端连接。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明反光浮标浮于水面，能够准确反映水位的移动变化，内壁涂有反光涂层的测斜管可以保证激光脉冲的反射，激光测距的方式技术成熟，其精度相对于超声波等更高，三者组合而成的测量系统可以更精确地测量出地下水位埋深的变化；
(2)本发明采用太阳能电池板供电，清洁环保；
(3)本发明的测斜管可根据地势需要进行不同程度的弯曲，应用广泛，尤其适用于滑坡地下水监控，有效地解决了现有滑坡地下水位监测装置存在的稳定性差、操作麻烦、效率和准确率较低、使用寿命较短的问题；
(4)本发明的测斜管仍然可以用于测斜，一管多用，经济性好；
(5)本发明可利用无线通讯网络进行远程控制，实现自动化实时监测，无须人工野外的跟踪调查、节约人力物力。
附图说明
图1是本发明的模块连接示意图。
图2是本发明的原理示意图。
图3是本发明在滑坡水位监测应用中的地下部分剖面示意图。
图4是本发明的反光浮标示意图。
图中：100-测量系统，110-激光测距仪，120-测斜管，130-反光浮标，200-通讯模块，300-太阳能电池板，400-数据处理终端，500-反光贴膜，600-浸润线，700-滑面，810-入射激光脉冲，820-反射激光脉冲。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种单孔地下水位监测方法，参照图2和图3包括以下步骤：
(1)对滑坡进行相关勘察工作后、确认重点监测位置；
(2)按照相关规范及技术要求钻孔并埋入测斜管120，测斜管120在埋入前确认其内壁附有反光涂层且质量满足要求；
(3)采用1956年黄海高程系统，测量测斜孔顶部高程，记录为H1；
(4)在测斜孔顶部安装激光测距仪110，激光测距仪110设置于测斜孔顶部，发射激光脉冲的激光二极管位于孔的几何中心；
(5)将图3所示的反光浮标130投入测斜管内，反光浮标130尺寸小于测斜井井壁，反光浮标随重力作用落入测斜井底部，并浮于地下水水面浸润线600；
(6)激光测距仪向测斜孔内发出入射激光脉冲810，激光脉冲在测斜孔内壁多次反射后到达反光浮标130后形成反射激光脉冲820沿原路返回并被激光测距仪内的激光接收元件接受，由此测得测光测距仪110与反光浮标130间的距离L：
其中c为光速，TΔ为激光脉冲往返时间；由于光速极快，测斜管长度一般在百米之内，反光浮标表面的反光贴膜类似角反射器的反射原理防止了漫反射，所以光线在测斜管内反射所增加的距离误差可忽略不计；
(7)现有得应用三角测量法的激光测距仪精度极高，应用该类仪器可较好的测得激光测距仪与水位的斜线距离，因此利用测斜管的测斜数据得到测斜管顶部与反光浮标顶面所在平面夹角θ；
(8)利用以下公式计算地下水水位高程：
得到重点监测位置的地下水水位高程后，通过通信模块将检测位置的水位高程实时地发送至远程的数据处理终端。
参照图1和图2，本发明同时提供了一种单孔地下水位实时监控装置，包括激光测距仪110，所述激光测距仪110位于埋设于地下的测斜管120的顶部，激光测距仪110发射的激光脉冲的起点位于放置测斜管120的测斜孔的几何中心处，测斜管120内壁涂有反光涂层，测斜管内部地下水水位处即浸润线600处漂浮有表面设置反光贴膜500的反光浮标130，激光测距110、测斜管120和反光浮标130构成测量系统100。所述激光测距仪110与通讯模块200连接，通讯模块200通过无线移动通讯网络与数据处理终端400连接。浸润线600下方线条为滑坡的滑面700。
所述激光测距仪和通讯模块均与太阳能电池板300连接。
所述太阳能电池板位于测斜孔旁，可为激光测距仪及通信模块等野外工作仪器供电。
所述反光浮标呈中部厚、周围薄的碟形。如图4所示，反光浮标呈碟形，有助于其从测斜管顶部扔下去后保证其以较大面积正对上方，使得反射面积增大。
所述数据处理终端为用于数据处理和存储的PC机、手机和工作站的一种，可实现测得数据的处理、储存、管理。
所述通讯模块通过GSM移动通信网络和/或GPRS无线通信网络与数据处理终端连接。
通信模块200可采用GPRS无线传输设备，利用GSM移动通信网络的短信息和GPRS业务搭建一个超远距离的数据传输平台，可将激光测距仪110所测数据传输至数据处理终端400中。所述数据处理终端400可为PC、手机、工作站等多种形式，可实现测得数据的处理、储存、管理。结合测斜孔顶部高程可得到滑坡地下水位的实时变化数据。
利用本发明进行实时测量和监控，具有设备技术成熟、测量结果精确、适用场合广泛、使用能源清洁环保、可靠性好、维护量小、节约人工等优点，非常适合应用于滑坡领域的地下水水位监测。

Claims (6)

1.一种单孔地下水位监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对滑坡进行勘察，确定重点监测位置；
(2)在重点监测位置处钻孔并埋入内壁附有反光涂层的测斜管；
(3)采用1956年黄海高程系统，测量测斜孔顶部高程，记录为H1；
(4)在测斜孔顶部安装激光测距仪，激光测距仪设置于测斜孔顶部，发射激光脉冲的激光二极管位于孔的几何中心；
(5)将反光浮标投入测斜管内，反光浮标随重力作用落入测斜井底部，并浮于地下水水面浸润线；
(6)激光测距仪向测斜孔内发出入射激光脉冲，激光脉冲在测斜孔内壁多次反射后到达反光浮标后形成反射激光脉冲沿原路返回并被激光测距仪内的激光接收元件接受，由此测得测光测距仪与反光浮标间的距离L：
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>cT</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中c为光速，TΔ为激光脉冲往返时间；
(7)利用测斜管的测斜数据得到测斜管顶部与反光浮标顶面所在平面夹角θ；
(8)利用以下公式计算地下水水位高程：
<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>L</mi> <mi> </mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>cT</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的单孔地下水位监测方法，其特征在于：得到重点监测位置的地下水水位高程后，通过通信模块将检测位置的水位高程实时地发送至远程的数据处理终端。
3.一种基于权利要求2所述方法的单孔地下水位实时监控装置，其特征在于：包括激光测距仪，所述激光测距仪位于埋设于地下的测斜管的顶部，激光测距仪发射的激光脉冲的起点位于放置测斜管的测斜孔的几何中心处，测斜管内壁涂有反光涂层，测斜管内部地下水水位处漂浮有表面设置反光贴膜的反光浮标，所述激光测距仪与通讯模块连接，通讯模块通过无线移动通讯网络与数据处理终端连接，所述激光测距仪和通讯模块均与太阳能电池板连接，所述反光浮标呈中部厚、周围薄的碟形。
4.根据权利要求3所述的单孔地下水位实时监控装置，其特征在于：所述太阳能电池板位于测斜孔旁。
5.根据权利要求3所述的单孔地下水位实时监控装置，其特征在于：所述数据处理终端为用于数据处理和存储的PC机、手机和工作站的一种。
6.根据权利要求3所述的单孔地下水位实时监控装置，其特征在于：所述通讯模块通过GSM移动通信网络和/或GPRS无线通信网络与数据处理终端连接。
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