CN111562619A - 一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法 - Google Patents

一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法 Download PDF

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贾艳昌
姜彤
方东敏
薛雷
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Abstract

一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，包括以下步骤：a.安装监测设备：在滑坡体上布设永久磁铁，永久磁铁的N极或S极垂直滑坡体坡面向上，在磁铁上方形成恒定磁场；在埋设磁铁的正上方架设线圈，线圈的边长大于磁铁长度的2倍，下方导线位于磁铁下端的正上方，线圈平行于滑坡体坡面，将线圈连接至数据采集仪，形成闭合电路，数据采集仪高频采集闭合电路中的电流信号；b.测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值；c.当滑坡体滑动时，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中形成电流，数据采集设备记录闭合电路
Figure DEST_PATH_IMAGE002
时刻监测电流为

Description

一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法
技术领域
本发明属于滑坡灾害监测领域，具体地说涉及一种应用于滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，更加具体的说是一种在滑坡体上布设的恒定磁场在滑坡滑动时磁场上方线圈产生电流的大小计算滑坡滑动速度和滑动位移的方法。
背景技术
我国幅员辽阔，地质灾害频发，尤其是滑坡每年给我国带来巨大的人员伤亡和经济损失。目前国内外滑坡滑动速度和滑动位移监测预警方法已有多种，滑坡变形位移和变形速度监测方法主要有GNSS监测方法、雷达干涉监测方法、钻孔测斜仪监测方法、三维激光扫描监测方法和群测群防等方法，最近诞生了基于地球磁场强度的滑坡滑动速度和滑动位移监测新方法。
发明内容
滑坡滑动的速度和滑动的位移是滑坡稳定性判断的关键指标，因此现有的滑坡监测方法多监测滑坡的滑动的速度和滑动的位移。但是现有的GNSS监测方法、雷达干涉监测方法、钻孔测斜仪监测方法、三维激光扫描监测方法都是成本极高的监测方法，很难大范围推广。群测群防方法依靠人员经验判断，缺乏可靠性。基于地球磁场强度的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法由于地球磁场强度弱，对监测仪器灵敏度要求极高，增加了监测设备成本和降低了监测精度。
本发明的目的在于提供一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，基于在滑坡体上布设的恒定磁场在滑坡滑动时磁场上方线圈产生电流的大小计算滑坡滑动速度和滑动位移的方法。本发明采集信号精度高，成本低廉、安装简便，具有适用性强特点。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，包括以下步骤：
a.安装监测设备：在滑坡体上布设永久磁铁，永久磁铁的N极或S极垂直滑坡体坡面向上，在磁铁上方形成恒定磁场；在埋设磁铁的正上方架设线圈，线圈的边长大于磁铁长度的2倍，下方导线位于磁铁下端的正上方，线圈平行于滑坡体坡面，将线圈连接至数据采集仪，形成闭合电路，数据采集仪高频采集闭合电路中的电流信号；
b.测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值：设置数据采集仪采集频率f，采集频率f大于10赫兹；匀速V0移动线圈，读取电流表读数I0；然后再将线圈移动到原始位置，放置在原始位置不动，开始测滑坡体滑动速度和位移；
c.当滑坡体滑动时，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中形成电流，数据采集设备记录闭合电路ti时刻监测电流为Ii；
d.根据法拉第电磁感应定律计算滑坡体滑动速度与滑动位移。
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤a永久磁铁深埋在滑坡体内，埋深为100-400mm。
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤b中匀速V0移动线圈，0.01m/s<V0<2m/s。
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤a中数据采集仪为北京北科安地科技发展有限公司的ADT-M1000S型测站式监测终端。
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤a中永久磁铁为钕铁硼系列永久磁铁。
上述测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值，所述的测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值如下：
根据法拉第电磁感应定律，磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值nBL＝I0R/V0
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤a中线圈圈数可根据需要增加或减少：当滑坡滑动速度小，电路电流小时适当增加线圈圈数；当滑坡滑动速度较大，电路电流大可适当减少线圈圈数，线圈距离滑坡体表面小于500mm。
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤a中线圈为10-500圈，线圈距离地表200-800mm，线圈距离滑坡体表面小于等于500mm。
上述基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a中线圈为100圈，线圈距离地表400mm，线圈距离滑坡体表面小于500mm。
上述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，所述步骤d中计算滑坡体滑动速度和滑动位移如下：
根据法拉第电磁感应定律，在ti时刻导线中电流Ii＝I0Vi/V0
在ti时刻滑坡沿坡面方向滑动速度Vi＝IiV0/I0(i＝1,2,3…n)
滑坡沿坡面方向累积滑动位移为：
Figure BDA0002454388700000031
(i＝1,2,3…n)
f-数据采集设备采集频率，赫兹；
n-线圈圈数，圈；
Vi-在ti时刻滑坡竖直方向滑动速度，米/天；
SS-在ti时刻滑坡沿坡面方向累积滑动位移，米。
相对于现有技术，有以下优点：
本发明中的磁场采用恒定的永久磁场，磁场强度大、可控制，克服地球磁场弱的缺点；
采集电路电流的电流表微安级精度即可满足要求，克服基于地球磁场监测滑坡滑动速度和滑动位移技术中要求电流表精度必须是那安精度级的缺点。
采集设备精度高，成本低廉、安装简便，具有适用性强特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
本发明数据采集仪采用北京北科安地科技发展有限公司ADT-M100S型测站式数据采集仪终端采集电流表电流数据。
实施例1：
一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，包括以下步骤：
a.安装监测设备：在滑坡体1上布设永久磁铁2，永久磁铁的N极或S极垂直滑坡体坡面向上，在磁铁上方形成恒定磁场；在埋设磁铁的正上方架设线圈3，线圈的边长大于磁铁长度的2倍，下方导线位于磁铁下端的正上方，线圈平行于滑坡体坡面，将线圈连接至数据采集仪4，形成闭合电路，数据采集仪高频采集闭合电路中的电流信号；
b.测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值：设置数据采集仪采集频率f，采集频率f大于10赫兹；匀速V0移动线圈，读取电流表读数I0；然后再将线圈移动到原始位置，放置在原始位置不动，开始测滑坡体滑动速度和位移；
c.当滑坡体滑动时，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中形成电流，数据采集设备记录闭合电路ti时刻监测电流为Ii；
d.根据法拉第电磁感应定律计算滑坡体滑动速度与滑动位移；
根据法拉第电磁感应定律，在ti时刻导线中电流Ii＝I0Vi/V0
在ti时刻滑坡沿坡面方向滑动速度Vi＝IiV0/I0(i＝1,2,3…n)
滑坡沿坡面方向累积滑动位移为：
Figure BDA0002454388700000041
(i＝1,2,3…n)
f-数据采集设备采集频率，赫兹；
Vi-在ti时刻滑坡竖直方向滑动速度，米/天；
SS-在ti时刻滑坡沿坡面方向累积滑动位移，米。
所述步骤a中永久磁铁为钕铁硼系列永久磁铁，永久磁铁深埋在滑坡体内，埋深为100-400mm，所述步骤b中匀速V0移动线圈，0.01m/s<V0<2m/s。
上述测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值，所述的测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值如下：根据法拉第电磁感应定律，磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值nBL＝I0R/V0，所述步骤a中线圈圈数可根据需要增加或减少：当滑坡滑动速度小，电路电流小时适当增加线圈圈数；当滑坡滑动速度较大，电路电流大可适当减少线圈圈数，线圈距离滑坡体表面小于等于500mm。
实验时，步骤a中线圈选为10-500圈，线圈距离地表200-800mm，线圈距离滑坡体表面小于500mm。
实施例2：
一种监测滑坡滑动速度和滑动位移的方法，包括以下步骤：
a.安装监测设备：在滑坡体上布设1块长宽高为1500mm*300mm*300mm的钕铁硼系列N35永久磁铁，磁铁长边沿着滑坡体滑动方向，磁铁埋深200mm，磁铁上表面与滑坡体上表面平行，磁铁的N极向上；在埋设磁铁的上方架设线圈，线圈圈数为100，线圈距离地表400mm，线圈平行于滑坡体表面，将线圈连接数据采集仪，形成闭合电路。
b.设置数据采集仪采集频率f＝10赫兹；匀速V0＝0.01米/秒移动架设绝缘导线，读取电流表读数I0＝0.27A。
c.当滑坡体滑动时，通过闭合导线的磁通量发生变化，闭合导线形成电流，数据采集设备记录闭合电路在1秒内产生的10组时间和电流(ti，Ii)，这10组数据分别为(0.1s，12μa)，(0.2s，16μa)，(0.3s，18μA)，(0.4s，22μA)，(0.5s，38μA)，(0.6s，56μA)，(0.7s，43μA)，(0.8s，28μA)，(0.9s，15μA)，(1.0s，11μA)
d.计算滑坡体滑动速度和滑动位移如下：
根据法拉第电磁感应定律，在ti时刻滑坡沿坡面方向滑动速度Vi＝IiV0/I0(i＝1,2,3…n)，则数据采集设备记录的10组时间和电流(ti，Ii)可获得10组时间和滑坡滑动速度(0.1s，0.096m/d)，(0.2s，0.128m/d)，(0.3s，0.144m/d)，(0.4s，0.176m/d)，(0.5s，0.304m/d)，(0.6s，0.448m/d)，(0.7s，0.344m/d)，(0.8s，0.224m/d)，(0.9s，0.12m/d)，(1.0s，0.088m/d)；
根据法拉第电磁感应定律，滑坡沿坡面方向累积滑动位移为：
Figure BDA0002454388700000051
通过计算累积位移为0.00000095926mR-闭合线路的电阻，欧姆；
f-数据采集设备采集频率，赫兹；
Vi-在ti时刻滑坡竖直方向滑动速度，米/天；
SS-在ti时刻滑坡沿坡面方向累积滑动位移，米。
实施例3：
一种监测滑坡滑动速度和滑动位移的方法，包括以下步骤：
a.安装监测设备：在滑坡体上布设1块长宽高为3000mm*300mm*400mm的钕铁硼系列N35永久磁铁，磁铁长边沿着滑坡体滑动方向，磁铁埋深400mm，磁铁上表面与滑坡体上表面平行，磁铁的N极向上；在埋设磁铁的上方架设线圈，线圈圈数为10，线圈距离地表500mm，线圈平行于滑坡体表面，将线圈连接数据采集仪，形成闭合电路；
b.测量闭合线路的电阻R＝1欧姆；设置数据采集仪采集频率f＝10赫兹；匀速V0＝0.1米/秒移动架设绝缘导线，读取电流表读数I0＝0.015A；
c.当滑坡体滑动时，通过闭合导线的磁通量发生变化，闭合导线形成电流，数据采集设备记录闭合电路在1秒内产生的10组时间和电流(ti，Ii)，这10组数据分别为(0.1s，1.0μa)，(0.2s，1.1μa)，(0.3s，1.5μA)，(0.4s，1.7μA)，(0.5s，1.6μA)，(0.6s，1.3μA)，(0.7s，1.2μA)，(0.8s，1.3μA)，(0.9s，1.4μA)，(1.0s，1.0μA)
d.计算滑坡体滑动速度和滑动位移如下：
根据法拉第电磁感应定律，在ti时刻滑坡沿坡面方向滑动速度Vi＝IiV0/I0(i＝1,2,3…n)，则数据采集设备记录的10组时间和电流(ti，Ii)可获得10组时间和滑坡滑动速度(0.1s，1.44m/d)，(0.2s，1.58m/d)，(0.3s，2.16m/d)，(0.4s，2.448m/d)，(0.5s，2.304m/d)，(0.6s，1.872m/d)，(0.7s，1.728m/d)，(0.8s，1.872m/d)，(0.9s，2.016m/d)，(1.0s，1.44m/d)；
根据法拉第电磁感应定律，滑坡沿坡面方向累积滑动位移为：
Figure BDA0002454388700000061
通过计算累积位移为0.00000873333m。
f-数据采集设备采集频率，赫兹；
Vi-在ti时刻滑坡竖直方向滑动速度，米/天；
SS-在ti时刻滑坡沿坡面方向累积滑动位移，米。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.安装监测设备：在滑坡体上布设永久磁铁，永久磁铁的N极或S极垂直滑坡体坡面向上，在磁铁上方形成恒定磁场；在埋设磁铁的正上方架设线圈，线圈的边长大于磁铁长度的2倍，下方导线位于磁铁下端的正上方，线圈平行于滑坡体坡面，将线圈连接至数据采集仪，形成闭合电路，数据采集仪高频采集闭合电路中的电流信号；
b.测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值：设置数据采集仪采集频率f，采集频率f大于10赫兹；匀速
Figure DEST_PATH_IMAGE001
移动线圈，读取电流表读数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；然后再将线圈移动到原始位置，放置在原始位置不动，开始测滑坡体滑动速度和位移；
c.当滑坡体滑动时，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中形成电流，数据采集设备记录闭合电路
Figure 352820DEST_PATH_IMAGE004
时刻监测电流为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
d.根据法拉第电磁感应定律计算滑坡体滑动速度与滑动位移。
2.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a永久磁铁深埋在滑坡体内，埋深为100-400mm。
3.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤b中匀速
Figure 706703DEST_PATH_IMAGE001
移动线圈，0.01m/s<
Figure 992191DEST_PATH_IMAGE001
<2m/s。
4.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a中数据采集仪为北京北科安地科技发展有限公司的ADT-M1000S型测站式监测终端。
5.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a中永久磁铁为钕铁硼系列永久磁铁。
6.根据权利要求1所述的测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值，其特征在于：所述的测量磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值如下：
根据法拉第电磁感应定律，磁场强度与切割磁场导线长度乘积平均值nBL=
Figure 463624DEST_PATH_IMAGE003
R/
Figure 393534DEST_PATH_IMAGE001
。
7.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a中线圈圈数可根据需要增加或减少：当滑坡滑动速度小，电路电流小时适当增加线圈圈数；当滑坡滑动速度较大，电路电流大可适当减少线圈圈数，线圈距离滑坡体表面小于等于500mm。
8.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a中线圈为10-500圈，线圈距离地表200-800mm，线圈距离滑坡体表面小于500mm。
9.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤a中线圈为100圈，线圈距离地表400mm，线圈距离滑坡体表面小于500mm。
10.根据权利要求1所述的基于恒定磁场的滑坡滑动速度和滑动位移监测方法，其特征在于：所述步骤d中计算滑坡体滑动速度和滑动位移如下：
根据法拉第电磁感应定律，在
Figure 620116DEST_PATH_IMAGE004
时刻导线中电流
Figure 517533DEST_PATH_IMAGE006
在
Figure 527078DEST_PATH_IMAGE004
时刻滑坡沿坡面方向滑动速度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（i=1,2,3…n）
滑坡沿坡面方向累积滑动位移为：
Figure 108232DEST_PATH_IMAGE008
（i=1,2,3…n）
f-数据采集设备采集频率，赫兹；
n-线圈圈数，圈；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
-在
Figure 397393DEST_PATH_IMAGE004
时刻滑坡竖直方向滑动速度，米/天；
Figure 860735DEST_PATH_IMAGE010
-在
Figure 470708DEST_PATH_IMAGE004
时刻滑坡沿坡面方向累积滑动位移，米。
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