CN109537650A - 一种边坡大量程测距仪及边坡变形实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边坡大量程测距仪及边坡变形监测方法，包括导向杆、设置于导向杆外侧的导向壳体、设置于导向壳体下方的导向基座；所述导向杆的外壁与导向壳体的内壁通过轴承连接；所述导向壳体内设有测量导向杆旋转角度的第一角度测量装置；所述导向杆的外壁缠绕有牵拉绳，牵拉绳的一端固定于导向杆，另一端穿过导向壳体；所述导向底座与导向壳体通过轴承连接；所述测距仪还包括测量导向壳体旋转角度的第二角度测量装置。本发明给出边坡变形后相邻测距仪之间的距离变化以及测距仪位置坐标的计算方法。本发明能够对岩土体进行实时监测，确定滑动影响区范围和地层移动状况。

Description

一种边坡大量程测距仪及边坡变形实时监测方法

技术领域

本发明涉及边坡变形监测技术领域，特别是一种边坡大量程测距仪及边坡变形监测方法。主要用于边坡滑动时，对岩土体进行实时监测，确定滑动影响区范围和地层移动状况。

背景技术

边坡失稳作为威胁人类安全的重大地质灾害，随着工程建设和资源能源开发而加剧。边坡变形监测是通过传感器或监测仪器设备，对岩土体稳定性进行动态监测的操作过程。目前，有关边坡变形监测方法方面，大地精密测量法受到地形条件和气象条件的限制，工作量大、周期长、连续观测能力差；基于GPS和INSAR技术的边坡监测，受信号遮挡和多路径效应等原因，影响测试精度；近景摄影测量法受气候条件影响较大，其观测的绝对精度低；基于振弦式、电阻式、光纤光栅等传感器的测试设备，受传感器性质影响，无法实现大量程边坡变形监测。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种边坡大量程测距仪及边坡变形监测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种边坡大量程测距仪，包括导向杆、设置于导向杆外侧的导向壳体、设置于导向壳体下方的导向基座；所述导向杆的外壁与导向壳体的内壁通过轴承连接；所述导向壳体内设有测量导向杆旋转角度的第一角度测量装置；所述导向杆的外壁缠绕有牵拉绳，牵拉绳的一端固定于导向杆，另一端穿过导向壳体；所述导向底座与导向壳体通过轴承连接；所述测距仪还包括测量导向壳体旋转角度的第二角度测量装置。

进一步的，所述第一角度测量装置为多圈绝对值编码器，其固定于导向壳体，其编码器实心轴固定于导向杆，且与导向杆同轴。

进一步的，所述第二角度测量装置为三维电子罗盘，其安装于导向壳体。

进一步的，所述导向杆与导向壳体之间设置复位弹簧，复位弹簧的两端分别固定于导向杆的外壁和导向壳体的内壁，其压缩方向与牵拉绳抽拉方向相同。

进一步的，所述导向杆的外壁可有供牵拉绳缠绕的螺旋凹槽。

基于上述的测距仪的边坡变形实时监测方法，包括如下步骤：

步骤1：在边坡设置若干个呈折线形排列的监测点，其中一个监测点作为基准点布置在滑动影响区外，其余监测点布置于滑动影响区；将导向基座固定于钻孔内，并与周围岩土体协调变形；

步骤2：将测距仪的牵拉绳与相邻测距仪连接；第一角度测量装置和第二角度测量装置分别与外部测试仪器电性连接；

步骤3：根据导向杆和导向壳体的旋转角度计算相邻两个测距仪之间距离变化和相对转角；

步骤4：以布置在滑动影响区外的基准点为基准，根据相邻测距仪之间的距离变化和相对转角计算边坡滑动后测距仪的位置坐标。

进一步的，相邻测距仪之间的距离变化为：

其中n为导向杆转动次数，η为导向杆最后一次转动的角度，λ为牵拉绳缠绕圈与水平方向夹角，α为导向壳体相对于前一导向壳体的旋转角度，R1为导向杆半径，R2 为牵拉绳半径。

进一步的，设定滑动影响区以外的基准点为N₁点，滑动影响区以内的监测点依次为N₂、N₃、…、N_i、…；边坡滑动后监测点位置变化为N’₂、N’₃、…、N’_i、…；以指北方向为0°，顺时针为正，边坡滑动前导向壳体的旋转角度分别记为γ₁、γ₂、…γ_i-1、…，边坡滑动后导向壳体相对于前一个导向壳体的旋转角度分别记为α₁、α₂、…、α_i-1、…，则边坡滑动后测距仪的监测点N’_i位置坐标为：

其中N_i′N_i-1′为边坡滑动后相邻监测点N_i、N_i-1之间的距离，等于边坡滑动前N_i、N_i-1之间的距离加上边坡滑动后N_i、N_i-1之间的距离变化值。

进一步的，各测距仪的布置间距为5-10m。

有益效果：本发明两个测距仪之间的距离变化可通过牵拉绳的长度变化确定，导向杆上设置螺旋凹槽，使牵拉绳紧密缠绕导向杆，牵拉绳的长度变化能精确体现在导向杆的转动角度上；利用多圈绝对值编码器记录导向杆的转动角度，精度得到保障；本发明能够实现对岩土体进行实时监测，确定滑动影响区范围和地层移动状况。

附图说明

图1为测距仪剖面示意图；

图2为图1各截面示意图；

图3为测距仪布置示意图；

图中标号：1、导向壳体；2、导向杆；3、导向底座；4、复位弹簧；5、导向凹槽；6、牵拉绳；7、第一轴承；8、编码器实心轴；9、传感器法兰；10、多圈绝对值编码器； 11、第二轴承；12、伞形保护罩；13、三维电子罗盘；14、第一引线；15、金属挂钩； 16、多圈绝对值编码器的引线；17、导向壳体中方形槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种边坡大量程测距仪，包括导向杆2、导向壳体1、导向基座3。导向杆2为实心不锈钢等直径杆体，直径为30-70mm、长度300-1500mm；表面刻有螺旋形的导向凹槽5，其长度为200-1000mm。导向壳体1为直径为42-95mm，钢板厚度为 2-5mm的不锈钢圆筒体。导向壳体1中设置宽度为10-15mm的方形槽17，供牵拉绳6 伸出。导向壳体1的外壳中心安装一个金属挂钩15，用以与相邻测距仪的牵拉绳6相连接。导向杆2穿过上下两个相同规格的第一轴承7内径后向外延长30-70mm，导向杆2 与第一轴承7之间焊接固定。导向壳体1包裹于第一轴承7外侧，并与轴承焊接固定。

导向杆2穿过第一轴承7后延长段设置复位弹簧4，所用复位弹簧4为扭转弹簧，复位弹簧4的两端分别固定于导向杆2外壁和导向壳体1内壁，复位弹簧4的压缩方向与牵拉绳6抽拉方向相同，起着对牵拉绳6保持直线和回收功能。导向壳体1内腔底部设置凹槽，通过传感器法兰9将多圈绝对值编码器10固定于凹槽，通过联轴器将多圈绝对值编码器实心轴8固定于导向杆2底部，通过他们之间的相连测量导向杆2转动次数n和最后一次转动的角度η。导向壳体1底部设置穿线孔，当多圈绝对值编码器的引线16穿孔后进行密封，并与测试仪器进行相连。

牵拉绳6的一段锚固在导向杆2的最下部并沿着导向凹槽5紧密缠绕在导向杆1，将牵拉绳6穿过导向壳体1方槽17后与相邻布置的另一台测距仪相连。

相邻两个测距仪之间的距离变化的计算方法为，设导向杆2旋转角度为2πn+η，λ为牵拉线缠绕圈与水平方向夹角，α为导向壳体相对于前一个导向壳体的旋转角度，R₁为导向杆半径，R₂为牵拉绳半径。由于牵拉绳在导向杆上紧密缠绕，则牵拉绳长度变化为：

将前后测距仪中三维电子罗盘测出的导向壳体的角度相减，其绝对值即为α的值。计算出的L值即为相邻两个测距仪之间的距离变化值。

导向底座3的直径与导向壳体1直径相同，长度为500-1000mm，顶部与导向壳体 1通过第二轴承11相连，底部呈锥形状。导向壳体1穿过第二轴承11内径并焊接固定，导向底座3包裹于第二轴承11外壁，并与第二轴承11焊接固定。

上述中多圈绝对值编码器10、导向杆2、导向壳体1、导向基座3为同心轴，确保测试角度数据的准确性和使用寿命。

导向壳体1顶部设置伞形保护罩12，其直径为导向壳体1直径的2-3倍，防止雨雪进入测距仪内部。导向壳体和伞形保护罩之间安装三维电子罗盘13，测量导向壳体1 的旋转角度。

当牵拉绳6缠绕导向杆2的高度为1m，取导向杆2直径为70mm，牵拉绳6直径为5mm，则测距仪最大量程约为47.24m。

有关大量程测距仪的布设方法：根据边坡主滑方向和变形范围，将测距仪呈“一字形”布设。即滑动影响区外布置独立的测距仪，滑动影响区内各测距仪作为“节点”进行相连接。相邻测距仪之间移动前后的旋转方向由三维电子罗盘13测其角度。根据滑动影响区面积和滑动程度，各测距仪的布置间距为5-10m，此时测距仪的最大误差为10cm。如图3所示，“一字形”测距仪可布置于滑动影响区的任意一面或多面。

将多圈绝对值编码器10和三维电子罗盘13分别通过导线引到滑动影响区外设置的监测室，并与测试仪器进行相连。将采集数据传输给网关，网关通过移动网络将数据远距离传送给监控中心，实现边坡变形的实时监测。

边坡位移计算方法：根据边坡滑动过程中相邻两测距仪所测的位移和角度变化，确定测斜仪所处地层的移动坐标。设第一根测距仪在滑动影响区以外的基准点为N₁点，测距仪监测点号依次向下顺延，N₂、N₃、…、N_i、…；测距仪滑动后监测点位置变为N’₂、 N’₃、…、N’_i、…。以指北方向为0°，顺时针为正，滑动前导向壳体的旋转角度分别记为γ₁、γ₂、…γ_i-1、…，滑动后以基准点起后续连接导向壳体相对于前一个导向壳体的旋转角度分别记为α₁、α₂、…、α_i-1、…，则边坡滑动后测距仪的监测点N’_i位置坐标为：

其中N_i′N_i-1′为边坡滑动后相邻监测点N_i、N_i-1之间的距离，等于边坡滑动前监测点N_i、N_i-1之间原始距离加上由公式(1)计算出的边坡滑动后N_i、N_i-1之间的距离变化值。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种边坡大量程测距仪，其特征在于，包括导向杆、设置于导向杆外侧的导向壳体、设置于导向壳体下方的导向基座；所述导向杆的外壁与导向壳体的内壁通过轴承连接；所述导向壳体内设有测量导向杆旋转角度的第一角度测量装置；所述导向杆的外壁缠绕有牵拉绳，牵拉绳的一端固定于导向杆，另一端穿过导向壳体；所述导向底座与导向壳体通过轴承连接；所述测距仪还包括测量导向壳体旋转角度的第二角度测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种边坡大量程测距仪，其特征在于，所述第一角度测量装置为多圈绝对值编码器，其固定于导向壳体，其编码器实心轴固定于导向杆，且与导向杆同轴。

3.根据权利要求1所述的一种边坡大量程测距仪，其特征在于，所述第二角度测量装置为三维电子罗盘，其安装于导向壳体。

4.根据权利要求1所述的一种边坡大量程测距仪，其特征在于，所述导向杆与导向壳体之间设置复位弹簧，复位弹簧的两端分别固定于导向杆的外壁和导向壳体的内壁，其压缩方向与牵拉绳抽拉方向相同。

5.根据权利要求1所述的一种边坡大量程测距仪，其特征在于，所述导向杆的外壁可有供牵拉绳缠绕的螺旋凹槽。

6.基于权利要求1-5任一所述的测距仪的边坡变形实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在边坡设置若干个呈折线形排列的监测点，其中一个监测点作为基准点布置在滑动影响区外，其余监测点布置于滑动影响区；将导向基座固定于钻孔内，并与周围岩土体协调变形；

步骤2：将测距仪的牵拉绳与相邻测距仪连接；第一角度测量装置和第二角度测量装置分别与外部测试仪器电性连接；

步骤3：根据导向杆和导向壳体的旋转角度计算相邻两个测距仪之间距离变化和相对转角；

步骤4：以布置在滑动影响区外的基准点为基准，根据相邻测距仪之间的距离变化和相对转角计算边坡滑动后测距仪的位置坐标。

7.根据权利要求6所述的边坡变形实时监测方法，其特征在于，相邻测距仪之间的距离变化为：

其中n为导向杆转动次数，η为导向杆最后一次转动的角度，λ为牵拉绳缠绕圈与水平方向夹角，α为导向壳体相对于前一导向壳体的旋转角度，R1为导向杆半径，R2为牵拉绳半径。

8.根据权利要求7所述的边坡变形实时监测方法，其特征在于，设定滑动影响区以外的基准点为N₁点，滑动影响区以内的监测点依次为N₂、N₃、…、N_i、…；边坡滑动后监测点位置变化为N’₂、N’₃、…、N’_i、…；以指北方向为0°，顺时针为正，边坡滑动前导向壳体的旋转角度分别记为γ₁、γ₂、…γ_i-1、…，边坡滑动后导向壳体相对于前一个导向壳体的旋转角度分别记为α₁、α₂、…、α_i-1、…，则边坡滑动后测距仪的监测点N’_i位置坐标为：

其中N_i′N_i-1′为边坡滑动后相邻监测点N_i、N_i-1之间的距离，等于边坡滑动前N_i、N_i-1之间的距离加上边坡滑动后N_i、N_i-1之间的距离变化值。

9.根据权利要求7所述的边坡变形实时监测方法，其特征在于，各测距仪的布置间距为5-10m。