CN108106595A - 一种边坡变形的监测预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边坡变形的监测预警装置，通过对边坡体的表面和内部变形发展情况一体化的综合观测，测量范围大、适用范围广，可用于各种边坡工程的安全预警；连续不间断地的全天候自动监测、连续观测能力较好，精度高、耐久性好，不受通视条件、工程地质条件、气象条件、观测范围和时间等的限制，观测精度受人为因素影响小，尤其适合于大型复杂边坡体的长期变形监测；实现了自动化的观测、采集、存储和数据分析，对于坡体从微小变形到较大裂缝等异常现象都可以较早地监测到，及时有效的反馈监测信息，降低了误判、漏判等情况，为研究坡体的变形特征、演化规律和工程加固治理等提供了充分的科学技术保障依据，以确保边坡工程的长期稳定与安全性。

Description

一种边坡变形的监测预警装置

技术领域

本发明涉及边坡安全性检测领域，尤其涉及一种边坡变形的监测预警装置。

背景技术

我国地形地貌复杂多样，随着工程开发建设，不断涌现出了众多复杂的岩土边坡。边坡是一个非常复杂的系统工程，其稳定性关系到整个工程的安危，一旦变形失稳会严重威胁到附近工程的建设和安全运行，造成人员伤亡和财产损失，甚至是带来毁灭性的灾难。近年来边坡灾害数量不断增多，对边坡安全性提出了更高的要求和更大的需求，如何监控和预警边坡安全问题引起了越来越多的重视。预警是在边坡的动态演化过程中，实时告知边坡状态，对其可能出现的险情发出警告，以便迅速采取有效的防控措施。边坡的变形破坏是一个从渐变到突变的连续累积发展过程，在失稳前或临界状态下，其物理量会发生实质性变化，都会有征兆，这为有效预警边坡安全提供了科学依据。位移和应力是反馈边坡变形过程的最重要信息，可以最直观的了解和反映边坡的力学动态、变化规律、空间分布等有关稳定性状态信息。目前常见的边坡预警装置中，存在着许多缺点，如监测数据受地形视线、测距等条件影响较大，监测误差大、稳定性低，且造价高、对操作使用的技术要求大，限制了其普遍适用性，难以满足当地对边坡防灾减灾的需要。因此，如何设置一种合理的预警装置来高效监控边坡变形显得十分必要，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种边坡变形的监测预警装置。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种边坡变形的监测预警装置，包括：监测组件、计算组件及预警组件；其中，监测组件包括导槽管及多个传感器；导槽管由可向任意方向弯曲的柔性纳米材料制得，设置于坡体内部，其中一端固定设置于边坡内的稳固地层，另一端伸出坡体外表面，多个传感器设置于导槽管的内侧壁，传感器包括位移传感器和电感传感器，用于监测感应导槽管不同部位之间的相对位置变化信息；计算组件连接位移传感器和电感传感器，用于采集位移传感器和电感传感器感应的相对位置变化信息，计算导槽管不同部位之间移动距离、相互转动角度及错位情况，判断边坡的变形程度；预警组件连接计算组件，用于在计算组件判断边坡的变形程度大于阈值时，发出警报信号进行预警。

其中，导槽管包括若干依序连接的短节导槽管，每一短节导槽管内设置一位移传感器，相邻两节短节导槽管之间连接的部位设置两个电感传感器。

其中，计算组件包括：采集单元，连接位移传感器和电感传感器，用于实时或定时采集二者感应相邻短节导槽管之间的相对位置变化信息；计算单元，用于根据采集到的相邻短节导槽管之间的相对位置变化信息，计算相邻的短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及错位情况；判断单元，用于预设相邻导槽管之间的相对移动距离及相互转动角度的阈值，判断计算得到的相对移动距离和相互转动角度与预设的阈值的大小，并在相对移动距离和、或相互转动角度大于预设的阈值时，向预警组件发送预警信号。

其中，计算单元根据位移传感器的感应信息计算相对位移距离，根据电感传感器的感应信息计算相互转动角度和应力值。

其中，计算单元通过无线通信的方式连接一计算机，计算机根据计算单元的计算结果绘制相邻短节导槽管之间的相对移动距离和、或应力与导槽管长度的坐标图，以判断导槽管的变形情况。

其中，采集单元连接一无线信号发送器，无线信号发送器设置于导槽管内；计算单元连接一无线信号接收器，无线信号发送器和无线信号接收器之间通过无线通信的方式进行数据传输。

其中，导槽管设置于边坡表面设置的钻孔内，外壁和边坡坡体内部之间的缝隙通过灌注混凝土砂浆进行填充。

其中，导槽管的管径为90mm，且设置于边坡坡体外侧的一端设置一太阳能电池板以进行供电。

区别于现有技术，本发明的边坡变形的监测预警装置对边坡体的表面和内部变形发展情况一体化的综合观测，测量范围大、适用范围广，将监测与预警相融合，广泛适用于各种边坡工程的安全预警。可连续不间断地的全天候自动监测、连续观测能力较好，精度高、耐久性好，不受通视条件、工程地质条件、气象条件、观测范围和时间等的限制，观测精度受人为因素影响小，尤其适合于大型复杂边坡体的长期变形监测；实现了自动化的观测、采集、存储和数据分析，对于坡体从微小变形到较大裂缝等异常现象都可以较早地监测到，及时有效的反馈监测信息，降低了误判、漏判等情况，为研究坡体的变形特征、演化规律和工程加固治理等提供了充分的科学技术保障依据，以确保边坡工程的长期稳定与安全性。

附图说明

图1是本发明提供的一种边坡变形的监测预警装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种边坡变形的监测预警装置的通过计算机绘制图形的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种边坡变形的监测预警装置的结构示意图。该监测预警装置100包括监测组件110、计算组件120及预警组件130。

其中，监测组件110包括导槽管111及多个传感器112。导槽管111是由可向任意方向弯曲的柔性纳米材料制得的管状体。导槽管111固定设置于边坡的坡体内，设置于坡体内的一端固定于边坡内的稳固地层，另一端伸出坡体外侧表面。导槽管111设置于坡体上的钻孔中，钻孔的深度根据坡体的性质而定。导槽管111的长度大于或等于钻孔深度。导槽管111外侧与钻孔孔壁接触。在实际操作中，钻孔内径大于导槽管111的直径，以使导槽管111能够全部放置于钻孔内。导槽管111与钻孔之间的缝隙通过灌注混凝土砂浆进行填充。优选的，导槽管111是由若干个依序连接的短节导槽管组成，短节导槽管的数量视边坡监测区域大小而定。导槽管111可沿垂直边坡坡面的方向设置。当导槽管111埋置于坡体内部时，不同部位的导槽管111，或者不同的短节导槽管因其外侧接触的坡体内部地层移动而被带动，向地层移动的方向发生形变。

传感器112设置于导槽管111内侧壁，包括多个位移传感器1121和电感传感器1122。其中，位移传感器1121设置于每个短节导槽管的侧壁上，电感传感器1122设置于相邻的短节导槽管之间相互连接的位置。在导槽管111发生形变时，通过位移传感器1121和电感传感器1122产生感应数据。具体的，本发明所涉及的电感传感器1122是通过在相邻的短节导槽管末端设置刚性板，同时在刚性板上布有一定数量的线圈，通过两板间的电互感作用，从而测得两板间位移应力的大小变化和错位情况，得到相邻两节短节导槽管间的相对移动距离、相互转动角度及错位情况。放入导槽管111后，采用灌注混凝土砂浆将钻孔填密实，使得导槽管与边坡紧密相连，粘结牢固。当周围坡土体滑动时，滑动的土体会带动某一节或多节装置，通过各节短节导槽管分别测得各部分坡土体的变化情况，进而可测出整个边坡的变化情况。具体计算过程是通过计算组件120进行的。

计算组件120连接每一位移传感器1121和电感传感器1122，用于采集每一位移传感器1121和电感传感器1122的感应数据，计算导槽管111不同部位之间移动距离、相互转动角度及错位情况，判断边坡的变形程度。计算组件120包括采集单元121、计算单元122和判断单元123。采集单元121连接位移传感器1121和电感传感器1122，用于实时或定时采集二者感应相邻短节导槽管之间的相对位置变化信息。坡体内部发生滑动时，带动埋设于坡体内的导槽管111发生形变，从而使设置于导槽管111内的位移传感器1121和电感传感器1122产生感应数据。通过采集单元121采集位移传感器1121和电感传感器1122产生的感应数据。采集单元121和计算单元122之间通过无线通信的方式进行连接。计算单元122用于根据采集到的相邻短节导槽管之间的相对位置变化信息，计算相邻的短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及错位情况。具体的，计算单元122在计算过程中，通过在电感传感器1122刚性板上布设一定数量的线圈，通过相邻两板间的电互感作用，从而测得两板间位移应力的大小变化和错位情况，得到相邻两节装置间的相对移动距离、相互转动角度及错位情况。判断单元123用于预设相邻短节导槽管之间的相对移动距离及相互转动角度的阈值，判断计算得到的相对移动距离和相互转动角度与预设的阈值的大小，并在相对移动距离和、或相互转动角度大于预设的阈值时，向预警组件130发送预警信号。判断单元123预先设定相邻短节导槽管之间的相对移动距离及相互转动角度的阈值，该阈值是通过经验，或通过计算设定，是边坡坡体变形的临界值，也是导槽管111埋设在坡体内部的部分因坡体滑动而发生变形时，需要发出警报信号的临界值。在计算单元122计算得到相邻短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及产生的应力值，判断单元123将计算结果与判断单元123预设的相邻短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及盈利中的阈值范围进行比较，若在连续次数的采集计算得到的相邻短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及应力值至少其中之一者超出预设的阈值范围，则判断单元123判定需要向预警组件130发送警报信号。

具体的，采集单元121采集的感应信息包括位移传感器的感应信息和电感传感器的感应信息，将采集到的信息进行模数转换后，设定为x(t)，根据全波傅立叶式算法的基本原理，将x(t)分解为正弦和余弦分量，公式表示如公式（1）：

（1）

式中，x_mn是n次倍频分量的幅值，α_n是t=0时该分量的相角，a_n和b_n分别为各次谐波的正弦分量和余弦分量的幅值。根据傅氏级数求解n次倍频分量的原理为：

（2）

（3）

式中T为基频分量的周期，为基频分量的角频率。将其离散化处理后，各次谐波分量的虚部和实部为：

（4）

（5）

式中N为周期采样的点数，在离散的情况下，

可得输入信号的幅值和相角为：

幅值

相角

将两种传感器采集信号经计算得到的幅值和相角作为短节导槽管之间的相对位移距离、应力值及相对转动角度，与阈值范围进行对比。

进一步，计算单元122以无线通信方式连接一计算机140，计算单元122将计算结果传输到计算机140。计算机140根据计算结果得到的相邻短节导槽管之间的相对移动距离及相互转动角度，建立导槽管111中相邻的短节导槽管连接位置的相对移动距离及相互转动角度的坐标示意图，更进一步，计算机140通过接收每一位移传感器1121和电感传感器1122的感应数据计算得到的相邻短节导槽管之间的相对移动距离及相互转动角度，可直接虚拟得到导槽管111的实时形状示意图，如图2所示。直接通过图形显示导槽管111的实际形状，直观的观察导槽管111的弯曲程度，并在导槽管111的弯曲程度达到阈值时，向预警组件130发送预警信号。

在本实施方式中，在导槽管111内设置一无线信号发送器150，设置于导槽管111内的采集单元121将采集到的传感器感应信号传输到无线信号发送器150，通过无线信号发送器150进行发送。计算单元122连接一无线信号接收器160，无线信号接收器160接收无线信号发送器150发送的传感器感应信号，发送到计算单元122进行计算。

进一步，提供一太阳能电池板作为供电电源，位于边坡钻孔的最外坡表面处。感应信号数据通过无线信号发射器150传送至无线信号接收器160，接收到无线电信号后，通过数据线传输给与其相连接的计算单元122及计算机140。

计算机140将各数据转换处理成时程变化曲线，当位移或应力在连续多次采集计算后，结果超过某一设定阈值后，传输至预警组件130。根据相应的监测节点可确定处边坡异常变形的部位以及发生滑动面的位置，然后立及向安全信息管理平台发布消息，通知相关监管人员及时关注和采取相关的防护措施，预防滑坡灾害的发生，将损失降低到最低点。

区别于现有技术，本发明的边坡变形的监测预警装置对边坡体的表面和内部变形发展情况一体化的综合观测，测量范围大、适用范围广，将监测与预警相融合，广泛适用于各种边坡工程的安全预警。可连续不间断地的全天候自动监测、连续观测能力较好，精度高、耐久性好，不受通视条件、工程地质条件、气象条件、观测范围和时间等的限制，观测精度受人为因素影响小，尤其适合于大型复杂边坡体的长期变形监测；实现了自动化的观测、采集、存储和数据分析，对于坡体从微小变形到较大裂缝等异常现象都可以较早地监测到，及时有效的反馈监测信息，降低了误判、漏判等情况，为研究坡体的变形特征、演化规律和工程加固治理等提供了充分的科学技术保障依据，以确保边坡工程的长期稳定与安全性。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种边坡变形的监测预警装置，其特征在于，包括：监测组件、计算组件及预警组件；

其中，所述监测组件包括导槽管及多个传感器；导槽管由可向任意方向弯曲的柔性纳米材料制得，设置于坡体内部，其中一端固定设置于所述边坡内的稳固地层，另一端伸出坡体外表面，所述多个传感器设置于所述导槽管的内侧壁，所述传感器包括位移传感器和电感传感器，用于监测感应所述导槽管不同部位之间的相对位置变化信息；

所述计算组件连接所述位移传感器和所述电感传感器，用于采集所述位移传感器和所述电感传感器感应的相对位置变化信息，计算所述导槽管不同部位之间移动距离、相互转动角度及错位情况，判断边坡的变形程度；

所述预警组件连接所述计算组件，用于在所述计算组件判断边坡的变形程度大于阈值时，发出警报信号进行预警。

2.根据权利要求1所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述导槽管包括若干依序连接的短节导槽管，每一短节导槽管内设置一位移传感器，相邻两节短节导槽管之间连接的部位设置两个电感传感器。

3.根据权利要求2所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述计算组件包括：

采集单元，连接所述位移传感器和所述电感传感器，用于实时或定时采集二者感应相邻短节导槽管之间的相对位置变化信息；

计算单元，用于根据采集到的相邻短节导槽管之间的相对位置变化信息，计算所述相邻的短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及应力值情况；

判断单元，用于预设相邻短节导槽管之间的相对移动距离、相互转动角度及应力值的阈值范围，判断计算得到的相对移动距离、相互转动角度及应力值与预设的阈值范围，并在相对移动距离、相互转动角度和、或应力值超出预设的阈值范围时，向预警组件发送预警信号。

4.根据权利要求3所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述计算单元根据所述位移传感器的感应信息计算相对位移距离，根据所述电感传感器的感应信息计算相互转动角度和应力值。

5.根据权利要求3所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述计算单元通过无线通信的方式连接采集单元，所述计算单元还连接一计算机，所述计算机根据所述计算单元的计算结果绘制相邻短节导槽管之间的相对移动距离和、或应力与导槽管长度的坐标图，以判断导槽管的变形情况。

6.根据权利要求4所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述采集单元连接一无线信号发送器，所述无线信号发送器设置于所述导槽管内；所述计算单元连接一无线信号接收器，所述无线信号发送器和所述无线信号接收器之间通过无线通信的方式进行数据传输。

7.根据权利要求1所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述导槽管设置于边坡表面设置的钻孔内，外壁和所述边坡坡体内部之间的缝隙通过灌注混凝土砂浆进行填充。

8.根据权利要求7所述的边坡变形的监测预警装置，其特征在于，所述导槽管的管径为90mm，且设置于边坡坡体外侧的一端设置一太阳能电池板以进行供电。