CN110608691A - 基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统及方法 - Google Patents

基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统及方法，它包括用于产生超声波的超声波发生装置，所述超声波发生装置与用于接收并检测超声波信号的超声波接收装置相配合，所述超声波接收装置通过数据传输模块与数据处理模块相连；所述超声波接收装置设置在较为稳定区域的地表以下；所述超声波发生装置设置在需要监测的易滑坡区域的地表以下。该装置能实现滑坡滑动全过程的正常采集，准确计算滑坡临滑的阶段的深部位移变化趋势，对滑坡滑动方向，滑动时间预测具有指导意义。

Description

基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统及方法
技术领域
本发明涉及了基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统及方法，尤其涉及一种能在监测点位上，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。
位移量施测按照测量参数的性质来分，大致可分为地表变形测量法、深部变形监测法两大类。其中深部变形测量方法以测量滑坡岩土体与基岩间的位移量为主要测量目标，目前有主流测量方法—测斜仪监测法和新型测量方法—时域反射(TDR)监测方法两种。测斜仪监测法是利用倾斜仪每隔一定时间逐段测量钻孔的斜率，以获得岩土水平位移及其随时间变化的原位测量方法。测量探头为数字伺服加速度计式，其原理是根据摆锤受重力影响，通过测取加速度计的敏感轴与铅垂线夹角来测定钻孔的斜率。该方法是目前观测岩土内部水平位移的主要手段。时域反射(TDR)监测技术是一种电子测量技术。首先，向埋入检测孔内的同轴电缆发射脉冲信号，当电缆在孔中发生变形时，就会产生反射波信号，通过对反射信号的分析及处理，即可确定电缆发生形变的程度和位置，从而达到对滑坡监测的目的。该方法具有监测成本低、监测时间短、可远程访问、数据提供便捷、安全性高等优点，是当前在滑坡监测领域中受到广泛关注的方法。
上述两种深部变形测量法的缺点：
1.难以实现滑坡邻滑阶段大位移的监测：测斜仪监测法倾斜仪无法进入大变形的测量钻孔；电缆变形能力有限，大变形阶段可能已经损坏；
2.不能实现数据在恶劣天气(雷电、暴雨、水浸、冰冻等)下的采集，此时存在人身安全和设备安全问题；
3.采集装置的安装施工工艺较为复杂；
4.采集成本高，花费大。
故不能实现滑坡滑动全过程的监测，特别是临滑的阶段，而该阶段的监测预警任务尤其重要，且不能实现高可靠性、实时无间断、低功耗、低成本采集。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统及方法，该装置能实现滑坡滑动全过程的正常采集，准确计算滑坡临滑的阶段的深部位移变化趋势，对滑坡滑动方向，滑动时间预测具有指导意义。该装置能使采集数据便捷地发送远端PC，同时，该装置数据采集与传输的电气部分所需要功耗小，且可通过太阳能电池板及蓄电池持续供应，再者，该装置结构简单、可靠性高，且易于实现。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，它包括用于产生超声波的超声波发生装置，所述超声波发生装置与用于接收并检测超声波信号的超声波接收装置相配合，所述超声波接收装置通过数据传输模块与数据处理模块相连；所述超声波接收装置设置在较为稳定区域的地表以下；所述超声波发生装置设置在需要监测的易滑坡区域的地表以下。
所述超声波发生装置包括多个发射超声波的超声波震子，相邻的两个超声波震子之间通过拉线电缆相连，所述拉线电缆的顶部与控制器相连，所述拉线电缆与控制器相连，所述控制器和拉线电缆都与蓄电池相连，并提供电能。
所述超声波震子所发射超声波的频率为20～80KHz，所述控制器控制多个超声波震子按照一定时间间隔从下至上依次发射超声波信号。
所述拉线电缆采用能够拉长的线缆盘结构，并保证在超声波震子随滑坡体发生位移时可调整电缆长度。
所述超声波接收装置包括设置在稳定区域地表以下的监测桩孔，在监测桩孔的内部通过混凝土层浇筑固定有钢管，所述钢管的内部不同高度设置有多个超声波传感器，超声波传感器之间通过混合电缆固定相连，所述混合电缆与编码器相连，所述编码器将接收的超声波信号转换为无线通信模块所需信号模式，其信号输出端与数据传输模块连接；所述数据传输模块通过无线或有线的方式与数据处理模块的终端PC连接；所述混合电缆与用于提供电能的蓄电池相连。
所述无线通信模块包括与编码器相连的无线信号发射器，所述无线信号发射器通过有线或无线通讯与移动运营商基站通讯相连，所述移动运营商基站通过有线或无线通讯与远程的终端PC通讯相连。
所述钢管深入到滑坡基岩以下1-2m。
所述混合电缆中包括信号传输电缆和供电电缆。
所述蓄电池与用于提供太阳能的太阳能电池板相连。
所述拉线电缆包括线缆密封外壳，在线缆密封外壳的内部卷绕有线圈，所述线圈的两端分别穿过线缆密封外壳的两端，并在末端分别设置有上接线端口和下接线端口。
任意一项所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统的监测方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤1：安装超声波接收装置，对所需监控滑坡体，在其较为稳定区域地表向下钻孔形成监测桩孔，监测桩孔钻至滑带以下的基岩1-2m；
步骤2：在监测桩孔中心处垂直安装内设超声波传感器的钢管，为充分固定钢管位置使其不随滑坡体滑动而改变位置，在桩孔基岩部分浇筑混凝土层；待混凝土凝固后在桩孔内回填岩土；
步骤3：在钢管上端安装太阳能电池板，将超声波传感器分别通供电电缆和信号传输电缆连接，并将信号传输电缆与电气箱内的编码器连接，经编码后传输给无线信号发射器；编码器和无线信号发射器均由太阳能电池板充电的蓄电池供电；
步骤4：在滑坡体上选择滑动较大的监测点位向下钻孔形成桩孔，该桩孔钻至滑带以下的基岩1-2m；
步骤5：桩孔内按一定的距离埋设超声波震子，各超声波震子间通过拉线电缆与滑坡表面的控制器连接，桩孔内回填岩土；
步骤6：超声波震子初始位置定位：待监测系统布置完成之后，通过控制器控制超声波震子由上至下按一定时间间隔发出固定频率的超声波信号；超声波传感器接收到超声波信号并将信号放大，经信号传输电缆将信号传输至编码器，编码器与无线通信模块连接；无线通信模块通过移动运营商基站将超声波信号编码数据通过无线或有线的方式与终端PC连接；终端PC对超声波信号编码数据处理后提取各超声波传感器接收到的各超声波震子发出的超声波信号到时，并通过公式：
式中，为超声波传感器到超声波震子的距离，(xi，yi，zi)为各超声波传感器坐标，(xo，yo，zo)为超声波震子坐标，c为超声波波速，tij为编号i和j超声波传感器接收到某一震子发出超声波的时间差；
求其最小二乘解，将求解得到的超声波震子初始位置Q(x0，y0，z0)作为滑坡深部位移参考值；
步骤7：滑坡深部位移监测：滑坡体在地下水位升降、爆破震动、降雨因素影响下会发生较大滑动，滑坡体与基岩的滑带易形成剪切面，且由于多种因素影响，滑坡体表面面位移与深部位移不同步，如此，滑坡体同步滑动的超声波震子发生绝对位移，超声波震子间发生相对位移，拉线电缆伸长或收缩；重复上述步骤6中对超声波震子的定位过程，对滑坡体滑动后各超声波震子的位置进行定位，连线同测线测点端对比原监测孔测线，实现对测线处滑坡声部位移随深度变化规律的监测；连线编号相同的测点端，实现固定点位绝对位移的监测。
本发明有如下有益效果：
1、预埋设的超声波震子随滑坡体同步滑动，不受滑动方向和大小的影响，对温度、湿度、地下水等环境因素的适应性较强；对于有较厚滑带和滑坡体与基岩有较大相对位移的滑坡同样具有较好监测结果，极大地改进了现有的测斜仪等滑坡深部位移监测仪器的不足；本发明简单，具有施工方便、可大规模监测。
2、太阳能电池板及蓄电池保证超声波发生模块适应长期野外监测的电能供应；所述拉线电缆，其特点在于可拉线式线盘，用于连接两个超声波震子，在两个超声波震子相对位置发生改变时可自由调整电缆长度，拉线电缆在震子间发生相对位移由于其特有的伸长方式而不至于被拉断或剪断，保证了各个震子与控制器的良好信息传递及电力供应。
3、超声波震子，按一定距离埋设在滑坡深部位移测点处的垂直桩孔内的超声波发射器，其能按先后顺序够发射不同频率不同波形的超声波。桩孔内填充有岩土材料，超声波震子随岩土体的移动同步移动。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的滑坡体滑动后结构示意图。
图3为本发明的拉线电缆示意图。
图中：太阳能电池板1、蓄电池2、编码器3、无线通信发射器4、超声波传感器5、混合电缆6、混凝土注浆7、钢管8、桩孔9、控制器10、拉线电缆11、超声波震子12、移动运营商基站13、终端PC14、滑坡体15、滑带16、基岩17、线缆密封外壳18、线圈19、上接线端口20、下接线端口21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-3，基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，它包括用于产生超声波的超声波发生装置，所述超声波发生装置与用于接收并检测超声波信号的超声波接收装置相配合，所述超声波接收装置通过数据传输模块与数据处理模块相连；所述超声波接收装置设置在较为稳定区域的地表以下；所述超声波发生装置设置在需要监测的易滑坡区域的地表以下。通过采用上述的监测系统能实现滑坡滑动全过程的正常采集，准确计算滑坡临滑的阶段的深部位移变化趋势，对滑坡滑动方向，滑动时间预测具有指导意义。
进一步的，所述超声波发生装置包括多个发射超声波的超声波震子12，相邻的两个超声波震子12之间通过拉线电缆11相连，所述拉线电缆11的顶部与控制器10相连，所述拉线电缆11与控制器10相连，所述控制器10和拉线电缆11都与蓄电池2相连，并提供电能。超声波发生装置主要用于发射超声波，进而后续的监测提供数据支撑。
进一步的，所述超声波震子12所发射超声波的频率为20～80KHz，所述控制器10控制多个超声波震子12按照一定时间间隔从下至上依次发射超声波信号。
进一步的，所述拉线电缆11采用能够拉长的线缆盘结构，并保证在超声波震子12随滑坡体发生位移时可调整电缆长度。
进一步的，所述超声波接收装置包括设置在稳定区域地表以下的监测桩孔9，在监测桩孔9的内部通过混凝土层7浇筑固定有钢管8，所述钢管8的内部不同高度设置有多个超声波传感器5，超声波传感器5之间通过混合电缆6固定相连，所述混合电缆6与编码器3相连，所述编码器3将接收的超声波信号转换为无线通信模块所需信号模式，其信号输出端与数据传输模块连接；所述数据传输模块通过无线或有线的方式与数据处理模块的终端PC14连接；所述混合电缆6与用于提供电能的蓄电池2相连。所述超声波传感器5，用于接收超声波震子发出的超声波，包括将超声波信号放大的增益放大器。所述超声波传感器5采用阵列分布，
进一步的，所述无线通信模块包括与编码器3相连的无线信号发射器4，所述无线信号发射器4通过有线或无线通讯与移动运营商基站13通讯相连，所述移动运营商基站13通过有线或无线通讯与远程的终端PC14通讯相连。
进一步的，所述钢管8深入到滑坡基岩17以下1-2m。使钢管与基岩充分固结。
进一步的，所述混合电缆6中包括信号传输电缆和供电电缆。分别用于供电和传递信号。
进一步的，所述蓄电池2与用于提供太阳能的太阳能电池板1相连。所述太阳能电池板与蓄电池连接，为各模块提供长期能源供应。
进一步的，所述拉线电缆11包括线缆密封外壳18，在线缆密封外壳18的内部卷绕有线圈19，所述线圈19的两端分别穿过线缆密封外壳18的两端，并在末端分别设置有上接线端口20和下接线端口21。其特点在于可拉线式线盘，用于连接两个超声波震子，在两个超声波震子相对位置发生改变时可自由调整电缆长度，拉线电缆在震子间发生相对位移由于其特有的伸长方式而不至于被拉断或剪断，保证了各个震子与控制器的良好信息传递及电力供应。
实施例2：
任意一项所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统的监测方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤1：安装超声波接收装置，对所需监控滑坡体15，在其较为稳定区域地表向下钻孔形成监测桩孔9，监测桩孔9钻至滑带以下的基岩1-2m；
步骤2：在监测桩孔9中心处垂直安装内设超声波传感器5的钢管8，为充分固定钢管位置使其不随滑坡体滑动而改变位置，在桩孔基岩部分浇筑混凝土层7；待混凝土凝固后在桩孔内回填岩土；
步骤3：在钢管8上端安装太阳能电池板2，将超声波传感器5分别通供电电缆和信号传输电缆连接，并将信号传输电缆与电气箱内的编码器3连接，经编码后传输给无线信号发射器4；编码器3和无线信号发射器4均由太阳能电池板充电的蓄电池供电；
步骤4：在滑坡体上选择滑动较大的监测点位向下钻孔形成桩孔，该桩孔钻至滑带以下的基岩1-2m；
步骤5：桩孔内按一定的距离埋设超声波震子12，各超声波震子12间通过拉线电缆11与滑坡表面的控制器10连接，桩孔内回填岩土；
步骤6：超声波震子初始位置定位：待监测系统布置完成之后，通过控制器10控制超声波震子12由上至下按一定时间间隔发出固定频率的超声波信号；超声波传感器5接收到超声波信号并将信号放大，经信号传输电缆将信号传输至编码器3，编码器3与无线通信模块连接；无线通信模块通过移动运营商基站将超声波信号编码数据通过无线或有线的方式与终端PC连接；终端PC14对超声波信号编码数据处理后提取各超声波传感器接收到的各超声波震子发出的超声波信号到时，并通过公式：
式中，为超声波传感器到超声波震子的距离，(xi，yi，zi)为各超声波传感器坐标，(xo，yo，zo)为超声波震子坐标，c为超声波波速，tij为编号i和j超声波传感器接收到某一震子发出超声波的时间差；
求其最小二乘解，将求解得到的超声波震子初始位置Q(x0，y0，z0)作为滑坡深部位移参考值；
步骤7：滑坡深部位移监测：滑坡体15在地下水位升降、爆破震动、降雨因素影响下会发生较大滑动，滑坡体15与基岩17的滑带16易形成剪切面，且由于多种因素影响，滑坡体15表面面位移与深部位移不同步，如此，滑坡体15同步滑动的超声波震子12发生绝对位移，超声波震子12间发生相对位移，拉线电缆伸长或收缩；重复上述步骤6中对超声波震子12的定位过程，对滑坡体15滑动后各超声波震子的位置进行定位，连线同测线测点端对比原监测孔测线，实现对测线处滑坡声部位移随深度变化规律的监测；连线编号相同的测点端，实现固定点位绝对位移的监测。

Claims (10)

1.基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：它包括用于产生超声波的超声波发生装置，所述超声波发生装置与用于接收并检测超声波信号的超声波接收装置相配合，所述超声波接收装置通过数据传输模块与数据处理模块相连；所述超声波接收装置设置在较为稳定区域的地表以下；所述超声波发生装置设置在需要监测的易滑坡区域的地表以下。
2.根据权利要求1所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述超声波发生装置包括多个发射超声波的超声波震子(12)，相邻的两个超声波震子(12)之间通过拉线电缆(11)相连，所述拉线电缆(11)的顶部与控制器(10)相连，所述拉线电缆(11)与控制器(10)相连，所述控制器(10)和拉线电缆(11)都与蓄电池(2)相连，并提供电能。
3.根据权利要求2所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述超声波震子(12)所发射超声波的频率为20～80KHz，所述控制器(10)控制多个超声波震子(12)按照一定时间间隔从下至上依次发射超声波信号。
4.根据权利要求2所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述拉线电缆(11)采用能够拉长的线缆盘结构，并保证在超声波震子(12)随滑坡体发生位移时可调整电缆长度。
5.根据权利要求1所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述超声波接收装置包括设置在稳定区域地表以下的监测桩孔(9)，在监测桩孔(9)的内部通过混凝土层(7)浇筑固定有钢管(8)，所述钢管(8)的内部不同高度设置有多个超声波传感器(5)，超声波传感器(5)之间通过混合电缆(6)固定相连，所述混合电缆(6)与编码器(3)相连，所述编码器(3)将接收的超声波信号转换为无线通信模块所需信号模式，其信号输出端与数据传输模块连接；所述数据传输模块通过无线或有线的方式与数据处理模块的终端PC(14)连接；所述混合电缆(6)与用于提供电能的蓄电池(2)相连。
6.根据权利要求5所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述无线通信模块包括与编码器(3)相连的无线信号发射器(4)，所述无线信号发射器(4)通过无线通讯与移动运营商基站(13)通讯相连，所述移动运营商基站(13)通过有线或无线通讯与远程的终端PC(14)通讯相连；
所述钢管(8)深入到滑坡基岩(17)以下1-2m。
7.根据权利要求5所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述混合电缆(6)中包括信号传输电缆和供电电缆。
8.根据权利要求2或5所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述蓄电池(2)与用于提供太阳能的太阳能电池板(1)相连。
9.根据权利要求2所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统，其特征在于：所述拉线电缆(11)包括线缆密封外壳(18)，在线缆密封外壳(18)的内部卷绕有线圈(19)，所述线圈(19)的两端分别穿过线缆密封外壳(18)的两端，并在末端分别设置有上接线端口(20)和下接线端口(21)。
10.采用权利要求1-8任意一项所述基于声源定位的滑坡深部位移实时监测系统的监测方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤1：安装超声波接收装置，对所需监控滑坡体(15)，在其较为稳定区域地表向下钻孔形成监测桩孔(9)，监测桩孔(9)钻至滑带(16)以下的基岩1-2m；
步骤2：在监测桩孔(9)中心处垂直安装内设超声波传感器(5)的钢管(8)，为充分固定钢管位置使其不随滑坡体滑动而改变位置，在桩孔基岩部分浇筑混凝土层(7)；待混凝土凝固后在桩孔内回填岩土；
步骤3：在钢管(8)上端安装太阳能电池板(2)，将超声波传感器(5)分别通供电电缆和信号传输电缆连接，并将信号传输电缆与电气箱内的编码器(3)连接，经编码后传输给无线信号发射器(4)；编码器(3)和无线信号发射器(4)均由太阳能电池板充电的蓄电池供电；
步骤4：在滑坡体上选择滑动较大的监测点位向下钻孔形成桩孔，该桩孔钻至滑带以下的基岩1-2m；
步骤5：桩孔内按一定的距离埋设超声波震子(12)，各超声波震子(12)间通过拉线电缆(11)与滑坡表面的控制器(10)连接，桩孔内回填岩土；
步骤6：超声波震子初始位置定位：待监测系统布置完成之后，通过控制器(10)控制超声波震子(12)由上至下按一定时间间隔发出固定频率的超声波信号；超声波传感器(5)接收到超声波信号并将信号放大，经信号传输电缆将信号传输至编码器(3)，编码器(3)与无线通信模块连接；无线通信模块通过移动运营商基站将超声波信号编码数据通过无线或有线的方式与终端PC连接；终端PC(14)对超声波信号编码数据处理后提取各超声波传感器接收到的各超声波震子发出的超声波信号到时，并通过公式：
式中，为超声波传感器到超声波震子的距离，(xi，yi，zi)为各超声波传感器坐标，(xo，yo，zo)为超声波震子坐标，c为超声波波速，tij为编号i和j超声波传感器接收到某一震子发出超声波的时间差；
求其最小二乘解，将求解得到的超声波震子初始位置Q(x0，y0，z0)作为滑坡深部位移参考值；
步骤7：滑坡深部位移监测：滑坡体(15)在地下水位升降、爆破震动、降雨因素影响下会发生较大滑动，滑坡体(15)与基岩(17)的滑带(16)易形成剪切面，且由于多种因素影响，滑坡体(15)表面位移与深部位移不同步，如此，滑坡体(15)同步滑动的超声波震子(12)发生绝对位移，超声波震子(12)间发生相对位移，拉线电缆伸长或收缩；重复上述步骤6中对超声波震子(12)的定位过程，对滑坡体(15)滑动后各超声波震子的位置进行定位，连线同测线测点端对比原监测孔测线，实现对测线处滑坡声部位移随深度变化规律的监测；连线编号相同的测点端，实现固定点位绝对位移的监测。
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