CN109405747A - 基于平板的滑坡体表面位移监测方法及装置 - Google Patents
基于平板的滑坡体表面位移监测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于平板的滑坡体表面位移监测方法及装置，在滑坡体轴线所在的垂直截面的地表上建立监测点监测墩，监测墩上安装倾斜反射平板和垂直反射平板，在监测墩上安装倾角传感器，在滑坡体轴线上方的固定体上安装设备基座和机架，在机架上安装激光位移传感器，使其正对垂直反射平板，再在滑坡体轴线更高上方的固定体安装另外的基座和机架，在该机架上安装激光位移传感器，使其正对倾斜反射平板，实时监测倾斜反射平板的位移，激光位移传感器、倾角传感器分别与控制器相连，实现信息自动采集和传输，根据位移和倾角的变化判断滑坡体的运动方位和速度。本发明能够实现滑坡体长期自动监测，掌握滑坡体位移变化情况，用于滑坡体稳定性评估。
Description
技术领域：
本发明涉及一种地质灾害监测技术领域，特别是涉及一种基于平板的滑坡体表面位移监测方法及装置。
背景技术：
滑坡是指由于地层结构、河流冲刷、地下水活动、工程施工等几种因素的影响，致使部分或全部土体（或岩体）在重力作用下，沿着地层软弱面（或软弱带）整体向下滑动的不良地质现象。滑坡是工程地质问题中常见的一种自然灾害，在山区及河谷地带尤为常见。许多重要的工厂和居民区就建在滑坡上或是靠近滑坡的地方，滑坡引起的山体垮塌及暴雨后形成的泥石流常给国家建设和人民生命财产造成严重损害。我国是一个崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的国家，尤其是西部地区。根据地质灾害资料，我国每年由此造成的直接经济损失约200亿人民币，其造成的人员伤亡高达数百人。 因此，做好地质灾害监测和预警，特别是滑坡体的监测和预警，对于有效减少直接经济损失和人员伤亡显得尤为重要。滑坡之所以能造成严重损害，是因为难以事先准确预报发生的地点、时间和强度。滑坡灾害预防，重在监测。为防患于未然，必须对滑坡进行监测，实现滑坡危害的早期治理、预警、群测群防，把灾害减少到最低程度。
滑坡监测要素很多，包括地表变形、裂缝位错、深部位移、地下水位、雨量、土壤含水量、变形方向、地声、应力大小、滑坡体渗流量等。但最重要、最直接的监测要素是地表位移和深部位移，地表位移的变化又直接反映深部位移变化情况。因此，国内外成功的滑坡预测基本都是通过位移监测来实现的。
滑坡体滑动变形具有阶段性，典型的滑坡变形位移可分为3个阶段，即初始变形阶段（监测点日变率在1mm以下）、稳定变形阶段（监测点日变率在1-10mm之间）和加速变形阶段（监测点日变率在10mm以上）。这就为滑坡应急防御提供了预见期。
目前，国内滑坡体表面变形监测通常采用常规大地监测技术、GPS测量技术等方法。常规精密大地测量方法和GPS测量技术监测位移，技术手段成熟，适应性强，但布设点观测条件较多，成本高，适合于加速变形阶段和工程施工阶段滑坡体全面监测和防治。由于我国山丘区面积大，滑坡体分布广泛，要开展大量的滑坡体位移监测，现有技术方法推广应用难度很大,因此，很多滑坡体长态监测处于空白状态。滑坡体长期监测是十分必要的，能够及时发现位移突变情况，及时采取应对措施，是减少损失的重要途径。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种组件简单，实用性强、可靠性高的基于平板的滑坡体表面位移监测方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种基于平板的滑坡体表面位移监测方法，在滑坡体轴线所在的垂直截面或者平行于滑坡体轴线所在的垂直截面的地表上建立监测点监测墩，使监测墩随着滑坡体移动而移动，监测墩顶部水平且安装倾斜反射平板和垂直反射平板，倾斜反射平板与水平面夹角为α，在监测墩上安装倾角传感器，能够自动监测平板倾角发生的变化；在滑坡体轴线上方的固定体上安装设备基座和机架，在机架上安装激光位移传感器，使其正对垂直反射平板，能够实时监测垂直反射平板的水平位移；再在滑坡体轴线更高上方的固定体安装另外的基座和机架，在该机架上安装激光位移传感器，使其正对倾斜反射平板，实时监测倾斜反射平板的位移，并在安装时测定该激光传感器与水平方向夹角β，β与α互为补角；激光位移传感器、倾角传感器分别与控制器相连，实现信息自动采集和传输，根据位移和倾角的变化判断滑坡体的运动方位和速度。
需要监测侧向位移时，在基座上安装侧向反射平板，侧向反射平板与滑坡体轴线平行，在滑坡体一侧固定体上设置基座和机架，在机架上安装激光位移传感器，使其正对侧向反射平板，并测定激光位移传感器与水平夹角Φ。
设监测时段初和时段末，倾角传感器监测水平倾角分别为α0和α1，垂直反射平板的水平位移分别为κ0和κ1，倾斜反射平板位移分别为d0和d1，以时段初倾斜反射平板上的激光光斑为原点，以滑坡体轴线水平方向为x 轴，以垂直方向为y轴，以垂直于x轴、y轴方向为z轴，建立三维坐标系；在滑坡体沿着滑坡轴线监测方向上位移为d, 监测点水平位移为dx,垂直位移为dy，侧向位移为dz;
在x轴、y轴组成的平面坐标系中，当α0=α1时，倾斜反射平板做平行移动，激光光斑从原点出发，在倾斜反射平板上沿着直线从下向上移动，至时段末，激光光斑位于B（x1,y1）,时段初的激光光斑所在位置点移动至A(x0,y0),
（1）在滑坡轴线上，倾斜监测方向上的滑坡位移为:
d= d1- d0
（2）监测点水平方向位移为:
dx= κ1-κ0
（3）垂向位移计算:
x1= dcosβ
x0= dx
y1= dsinβ
tg（π/2-β）=( y0- y1) /( x0- x1)
y0= y1+( x0- x1) tg（π/2-β）
y0= dsinβ+( dx - dcosβ) tg（π/2-β）
即 dy= dsinβ+( dx - dcosβ) tg（π/2-β）
(4)侧向位移计算：
在z轴、y轴组成的平面坐标系中，在侧向反射平板上，激光光斑沿着直线从下向上移动，至时段末，激光光斑位于B（z1,y1）,时段初的激光光斑所在位置点移动至A(z0,y0),那么:
设侧向相邻2次测距差为dd，则:
z1= ddcosΦ
y1= ddsinΦ，或者y1= dsinβ
tg（π/2-Φ）=( y0- y1) /( z0- z1)
z0- z1= ( y0- y1) / tg（π/2-Φ）
z0= ( y0- y1) / tg（π/2-Φ）+ z1
即 dz= (dy - ddsinΦ) / tg（π/2-Φ）+ ddcosΦ
在通常情况下，滑坡体微小形变可以近似于平行移动，滑坡体沿着滑坡轴线向下移动，只需要监测监测点垂直方向、水平方向位移，可不设侧向反射平板和侧向监测设施设备，监测数据能够足以满足滑坡体表面相对位移监测需求;
当滑坡体水平倾角发生变化时，记录变化过程，用于辅助分析滑坡体变形强度和不稳定性,同时根据倾角的变化，可以调整倾斜反射平板和垂直反射平板的角度，使其仍处于原始状态，保持位移监测的一致性。
每日从0时开始，自动开展24段制观测，整点观测时段累计值,当时段累计值大于或等于10mm时，或者前一日位移大于或等于10mm时，数据中心对管理员启动黄色提醒，并自动启动20分钟观测一次；当时段累计值大于或等于20mm时，或者前一日位移大于或等于20mm时，数据中心对管理员启动橙色提醒；当时段累计值大于或等于30mm时，或者前一日位移大于或等于30mm时，数据中心对管理员启动红色提醒;报警阈值大小可以根据滑坡体规模、影响程度等在控制器中进行调整与设置,管理员接到预警提醒后，可进行现场查勘，根据现场查勘情况和综合评估，可以采取全面应急监测、设置警戒线或标志、暂时封路、人员撤离等措施，避免滑坡体滑坡可能造成的损失。
需要监测雨量、视频或图片时，在机架上安装雨量传感器和摄像机，雨量传感器和摄像机分别与控制器连接;激光测距传感器的精度，在测距范围内要满足0.1毫米。
一种基于平板的滑坡体表面位移监测装置，包括倾角传感器和激光位移传感器，在滑坡体轴线所在的垂直截面或者平行于滑坡体轴线所在的垂直截面的地表上建立监测点监测墩，所述监测墩随着滑坡体移动而移动，所述监测墩顶部水平且安装倾斜反射平板和垂直反射平板，所述倾斜反射平板与水平面夹角为α，所述监测墩上安装所述倾角传感器，能够自动监测平板倾角发生的变化；在滑坡体轴线上方的固定体上安装设备基座和机架，所述机架上安装所述激光位移传感器，使其正对所述垂直反射平板，能够实时监测垂直反射平板的水平位移；再在滑坡体轴线更高上方的固定体安装另外的基座和机架，在该机架上安装激光位移传感器，使其正对所述倾斜反射平板，实时监测倾斜反射平板的位移，并测定该激光传感器与水平方向夹角β，β与α互为补角；所述激光位移传感器、倾角传感器分别与控制器相连，实现信息自动采集和传输。
需要监测侧向位移时，在基座上安装侧向反射平板，所述侧向反射平板与滑坡体轴线平行，在滑坡体一侧固定体上设置基座和机架，所述机架上安装激光位移传感器，使其正对所述侧向反射平板，并测定激光位移传感器与水平夹角Φ。
需要监测雨量、视频或图片时，所述机架上安装雨量传感器和摄像机，所述雨量传感器和摄像机分别与控制器连接;所述激光测距传感器的精度，在测距范围内要满足0.1毫米。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够实现滑坡体长期自动监测，掌握滑坡体位移变化情况，用于滑坡体稳定性评估。
2、本发明采用了高精度的激光位移传感器开展滑坡位移监测，位移精度能够达到0.1mm；并且对环境因素要求低，组件简单，实用性强、可靠性高。
3、本发明监测滑坡体的相对位移，能够足以反映滑坡体稳定性和变形阶段，能够为滑坡体防御决策提供重要依据。
4、本发明性价比高，投资小，可以大面积推广，与空地一体自动监测相比，建立同样的监测布点数量，可以节约投资60%以上。
5、本发明能够应用于滑坡体、中小型水坝、电网塔基等位移与沉降监测，需求面大，推广应用前景广阔，实用性强，具有很高的经济效益和社会效益。
附图说明：
图1为基于平板的滑坡体表面位移监测装置的结构示意图；
图2为XOY坐标系中监测计算的示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1和图2，图中，1-垂直反射板，2-倾斜反射板，3-滑坡体，4-监测墩，5-激光位移传感器，6-机架，7-基座，8-山体， 11-时段初垂直平板，12-时段末垂直平板，13-时段初倾斜平板，14-时段末倾斜平板。
设施设备与方法：
1、几个概念。
沿着滑坡体轴线方向，从滑坡体上端固定体向下监测称为正向监测；沿着滑坡体轴线方向，从下向上监测称为逆向监测；从垂直于滑坡体轴线的垂直界面方向的两侧固定体监测称为侧向监测。固定体为滑坡体之外的稳定不动山体或区域。
2、原理
在刚性物体运动时，任何时刻，物体上的任何一点移动位移都相同。因此只要测出物体上任何一点运动的位移，就能得到物体运动的位移。
3、方案
在滑坡体3轴线所在的垂直截面上或者平行于滑坡体轴线所在的垂直截面上地表适当位置，建立监测点监测墩4，使监测墩4随着滑坡体3移动而移动，监测墩4顶部水平，在监测墩4上安装倾斜反射平板2和垂直反射平板1，倾斜反射平板2与水平面呈适当夹角，用倾角仪量测倾角α，在监测墩4上安装倾角传感器一台，在平板倾角发生变化时，能够自动监测。在滑坡体3轴线上方固定体上，选择适当位置安装设备基座7和机架6，在机架6上安装激光位移传感器5一台，使其正对垂直反射平板1，可以实时监测垂直反射平板1的水平位移。再在滑坡体3轴线上方固定体上，选择适当位置设置基座7和机架6，在机架6上安装激光位移传感器设备一台，使其正对倾斜反射平板2，可以实时监测倾斜反射平板2的位移，并测定该激光传感器与水平方向夹角β，β与α互为补角。需要监测侧向位移时，应在基座7上安装侧向反射平板，侧向反射平板与滑坡体轴线平行，在滑坡体3一侧固定体适当位置设立机架6，安装激光位移传感器一台，使其正对侧向反射平板，并测定激光位移传感器与水平夹角Φ。见图1。在需要监测雨量、视频或图片时，在机架6上安装雨量传感器、摄像机各一台。激光测距传感器、倾角传感器、雨量传感器、摄像机与控制器相连，实现信息自动采集和传输。这是正向监测和侧向监测设施设备，逆向监测设施设备与之相同，只是方位不同，不再赘述。激光测距传感器的精度，在测距范围内要满足0.1毫米。
4、地表位移分析计算方法
设监测时段初和时段末，倾角传感器监测水平倾角分别为α0和α1，垂直反射平板的水平位移分别为κ0和κ1，倾斜反射平板位移分别为d0和d1，以时段初倾斜反射平板上的激光光斑为原点，以滑坡体轴线水平方向为x 轴，以垂直方向为y轴，以垂直于x轴、y轴方向为z轴，建立三维坐标系。在滑坡体沿着滑坡轴线监测方向上位移为d, 监测点水平位移为dx,垂直位移为dy，侧向位移为dz。
在x轴、y轴组成的平面坐标系中，当α0=α1时，倾斜反射平板做平行移动（水平运动同时下沉运动），激光光斑从原点出发，在倾斜反射平板上沿着直线从下向上移动，至时段末，激光光斑位于B（x1,y1）,时段初的激光光斑所在位置点移动至A(x0,y0),见图2。
（1）在滑坡轴线上，倾斜监测方向上的滑坡位移为
d= d1- d0
（2）监测点水平方向位移为
dx= κ1-κ0
（3）垂向位移计算
x1= dcosβ
x0= dx
y1= dsinβ
tg（π/2-β）=( y0- y1) /( x0- x1)
y0= y1+( x0- x1) tg（π/2-β）
y0= dsinβ+( dx - dcosβ) tg（π/2-β）
即 dy= dsinβ+( dx - dcosβ) tg（π/2-β）
(4)侧向位移计算
在z轴、y轴组成的平面坐标系中，在侧向反射平板上，激光光斑沿着直线从下向上移动，至时段末，激光光斑位于B（z1,y1）,时段初的激光光斑所在位置点移动至A(z0,y0),那么
设侧向相邻2次测距差为dd，则
z1= ddcosΦ
y1= ddsinΦ，或者y1= dsinβ
tg（π/2-Φ）=( y0- y1) /( z0- z1)
z0- z1= ( y0- y1) / tg（π/2-Φ）
z0= ( y0- y1) / tg（π/2-Φ）+ z1
即 dz= (dy - ddsinΦ) / tg（π/2-Φ）+ ddcosΦ
在通常情况下，滑坡体微小形变可以近似于平行移动，滑坡体沿着滑坡轴线向下移动，只需要监测监测点垂直方向、水平方向位移，可不设侧向反射平板和侧向监测设施设备，减少费用投资。监测数据能够足以满足滑坡体表面相对位移监测需求。
当滑坡体水平倾角发生变化时，记录变化过程，用于辅助分析滑坡体变形强度和不稳定性。同时根据倾角的变化，可以调整倾斜反射平板和垂直反射平板的角度，使其仍处于原始状态，保持位移监测的一致性。
5、运行体制
每日从0时开始，自动开展24段制观测，整点观测时段累计值。当时段累计值大于或等于10mm时，或者前一日位移大于或等于10mm时，数据中心软件系统对管理员启动黄色提醒，并自动启动20分钟观测一次；当时段累计值大于或等于20mm时，或者前一日位移大于或等于20mm时，数据中心软件系统对管理员启动橙色提醒；当时段累计值大于或等于30mm时，或者前一日位移大于或等于30mm时，数据中心软件系统对管理员启动红色提醒。报警阈值可以根据滑坡体规模、影响程度等在控制器中进行调整与设置。管理员接到预警提醒后，可以进行现场查勘，根据现场查勘情况和综合评估，可以采取全面应急监测、设置警戒线或标志、暂时封路、人员撤离等措施，避免滑坡体滑坡可能造成的损失。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于平板的滑坡体表面位移监测方法，其特征是：在滑坡体轴线所在的垂直截面或者平行于滑坡体轴线所在的垂直截面的地表上建立监测点监测墩，使监测墩随着滑坡体移动而移动，监测墩顶部水平且安装倾斜反射平板和垂直反射平板，倾斜反射平板与水平面夹角为α，在监测墩上安装倾角传感器，能够自动监测平板倾角发生的变化；在滑坡体轴线上方的固定体上安装设备基座和机架，在机架上安装激光位移传感器，使其正对垂直反射平板，能够实时监测垂直反射平板的水平位移；再在滑坡体轴线更高上方的固定体安装另外的基座和机架，在该机架上安装激光位移传感器，使其正对倾斜反射平板，实时监测倾斜反射平板的位移，并在安装时测定该激光传感器与水平方向夹角β，β与α互为补角；激光位移传感器、倾角传感器分别与控制器相连，实现信息自动采集和传输，根据位移和倾角的变化判断滑坡体的运动方位和速度。
2.根据权利要求1所述的基于平板的滑坡体表面位移监测方法，其特征是：需要监测侧向位移时，在基座上安装侧向反射平板，侧向反射平板与滑坡体轴线平行，在滑坡体一侧固定体上设置基座和机架，在机架上安装激光位移传感器，使其正对侧向反射平板，并测定激光位移传感器与水平夹角Φ。
3.根据权利要求1所述的基于平板的滑坡体表面位移监测方法，其特征是：
设监测时段初和时段末，倾角传感器监测水平倾角分别为α0和α1，垂直反射平板的水平位移分别为κ0和κ1，倾斜反射平板位移分别为d0和d1，以时段初倾斜反射平板上的激光光斑为原点，以滑坡体轴线水平方向为x 轴，以垂直方向为y轴，以垂直于x轴、y轴方向为z轴，建立三维坐标系；在滑坡体沿着滑坡轴线监测方向上位移为d, 监测点水平位移为dx,垂直位移为dy，侧向位移为dz;
在x轴、y轴组成的平面坐标系中，当α0=α1时，倾斜反射平板做平行移动，激光光斑从原点出发，在倾斜反射平板上沿着直线从下向上移动，至时段末，激光光斑位于B（x1,y1）,时段初的激光光斑所在位置点移动至A(x0,y0),
（1）在滑坡轴线上，倾斜监测方向上的滑坡位移为:
d= d1- d0
（2）监测点水平方向位移为:
dx= κ1-κ0
（3）垂向位移计算:
x1= dcosβ
x0= dx
y1= dsinβ
tg（π/2-β）=( y0- y1) /( x0- x1)
y0= y1+( x0- x1) tg（π/2-β）
y0= dsinβ+( dx - dcosβ) tg（π/2-β）
即dy= dsinβ+( dx - dcosβ) tg（π/2-β）
(4)侧向位移计算：
在z轴、y轴组成的平面坐标系中，在侧向反射平板上，激光光斑沿着直线从下向上移动，至时段末，激光光斑位于B（z1,y1）,时段初的激光光斑所在位置点移动至A(z0,y0),那么:
设侧向相邻2次测距差为dd，则:
z1= ddcosΦ
y1= ddsinΦ，或者y1= dsinβ
tg（π/2-Φ）=( y0- y1) /( z0- z1)
z0- z1= ( y0- y1) / tg（π/2-Φ）
z0= ( y0- y1) / tg（π/2-Φ）+ z1
即 dz= (dy - ddsinΦ) / tg（π/2-Φ）+ ddcosΦ
在通常情况下，滑坡体微小形变可以近似于平行移动，滑坡体沿着滑坡轴线向下移动，只需要监测监测点垂直方向、水平方向位移，可不设侧向反射平板和侧向监测设施设备，监测数据能够足以满足滑坡体表面相对位移监测需求;
当滑坡体水平倾角发生变化时，记录变化过程，用于辅助分析滑坡体变形强度和不稳定性,同时根据倾角的变化，可以调整倾斜反射平板和垂直反射平板的角度，使其仍处于原始状态，保持位移监测的一致性。
4.根据权利要求1所述的基于平板的滑坡体表面位移监测方法，其特征是：
每日从0时开始，自动开展24段制观测，整点观测时段累计值,当时段累计值大于或等于10mm时，或者前一日位移大于或等于10mm时，数据中心对管理员启动黄色提醒，并自动启动20分钟观测一次；当时段累计值大于或等于20mm时，或者前一日位移大于或等于20mm时，数据中心对管理员启动橙色提醒；当时段累计值大于或等于30mm时，或者前一日位移大于或等于30mm时，数据中心对管理员启动红色提醒;报警阈值大小可以根据滑坡体规模、影响程度等在控制器中进行调整与设置,管理员接到预警提醒后，可进行现场查勘，根据现场查勘情况和综合评估，可以采取全面应急监测、设置警戒线或标志、暂时封路、人员撤离等措施，避免滑坡体滑坡可能造成的损失。
5.根据权利要求1所述的基于平板的滑坡体表面位移监测方法，其特征是：
需要监测雨量、视频或图片时，在机架上安装雨量传感器和摄像机，雨量传感器和摄像机分别与控制器连接;激光测距传感器的精度，在测距范围内要满足0.1毫米。
6.一种基于平板的滑坡体表面位移监测装置，包括倾角传感器和激光位移传感器，其特征是：在滑坡体轴线所在的垂直截面或者平行于滑坡体轴线所在的垂直截面的地表上建立监测点监测墩，所述监测墩随着滑坡体移动而移动，所述监测墩顶部水平且安装倾斜反射平板和垂直反射平板，所述倾斜反射平板与水平面夹角为α，所述监测墩上安装所述倾角传感器，能够自动监测平板倾角发生的变化；在滑坡体轴线上方的固定体上安装设备基座和机架，所述机架上安装所述激光位移传感器，使其正对所述垂直反射平板，能够实时监测垂直反射平板的水平位移；再在滑坡体轴线更高上方的固定体安装另外的基座和机架，在该机架上安装激光位移传感器，使其正对所述倾斜反射平板，实时监测倾斜反射平板的位移，并测定该激光传感器与水平方向夹角β，β与α互为补角；所述激光位移传感器、倾角传感器分别与控制器相连，实现信息自动采集和传输。
7.根据权利要求6所述的基于平板的滑坡体表面位移监测装置，其特征是：需要监测侧向位移时，在基座上安装侧向反射平板，所述侧向反射平板与滑坡体轴线平行，在滑坡体一侧固定体上设置基座和机架，所述机架上安装激光位移传感器，使其正对所述侧向反射平板，并测定激光位移传感器与水平夹角Φ。
8.根据权利要求6所述的基于平板的滑坡体表面位移监测装置，其特征是：需要监测雨量、视频或图片时，所述机架上安装雨量传感器和摄像机，所述雨量传感器和摄像机分别与控制器连接;所述激光测距传感器的精度，在测距范围内要满足0.1毫米。
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