CN111735406A - 一种无线边坡变形监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线边坡变形监测系统，涉及岩土工程安全监测领域，包括埋设于边坡表面的安装支座和传感支点；传感支点包括设置于边坡裂缝两侧或疑似裂缝发展区域的无线激光测距传感支点和多个分布于变形边坡的无线倾角传感支点；无线激光测距传感支点斜上方的边坡处设置有与边坡垂直的反射板；无线激光测距传感支点和无线倾角传感支点分别与无线传输及数据储存处理单元无线连接，无线传输及数据储存处理单元对传感支点的测量数据进行采集、无线传输、计算、处理和共享存储，并用于边坡变形计算及安全状态分析。本发明使得监测精度和频率高、偏差率低、监测灵敏高，并且可供多方近程和远程实时的微扰动监测。

Description

一种无线边坡变形监测系统

技术领域

本发明涉及岩土工程安全监测技术领域，特别是涉及一种无线边坡变形监测系统。

背景技术

近年来，我国的高速公路和高速铁路建设蓬勃发展，这些关乎国计民生的重大工程往往需要穿山越岭。为满足工程的正常开展和施工的安全，很多时候山岭中的施工会设计到边坡施工问题。这些边坡里面有的是由于施工开挖对稳定山体造成滑动，有的是原有的古滑坡由于受到施工扰动加速坡体的位移。边坡出现大变形不仅会对施工安全产生隐患，还会影响坡体附近的村庄和其他基础设施，有的边坡工程施工过程中出现了突然坍塌和滑落事故，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，不但延误了工期，而且引起了不良的社会影响。

现场监测是一种及时感知施工过程中边坡稳定情况的重要手段，其中，采用较多的是全站仪，主要的方法是通过确定参照点坐标的变化来确定边坡是否产生位移，也有通过监测边坡附近的房屋来判断边坡位移是否对居民财产产生影响。我国现行的监测规范仍采用人工现场勘测的方式，其主要缺点是不仅耗费了较大的人力物力，而且采集的周期较长，实时性差；之后的数据处理采用人工转录的方式，效率低下导致边坡变形监测很可能滞后于事故发生。此外，如果遇到恶劣的地质环境或气候条件，人工测量又面临着巨大的风险。现在有的学者尝试采用卫星遥感技术或者拍摄技术，通过图像处理的方式来判断边坡变形，但是受拍摄设施和处理技术的限制目前还没有经济的实际应用。

鉴于上述问题，大量从事岩土工程的专家学者对此进行了研究，尤其是在边坡无线自动化监测方面取得了较多进展。如中国专利CN110363965A公开了一种基于激光测距的边坡监测系统,包括发射桩与若干监测桩,监测桩周向阵列于发射桩外围,发射桩与每根监测桩之间连接有至少两根且相互平行的连杆,连杆轴向两端分别铰接于发射桩与监测桩的外壁,发射桩外壁沿周向镶嵌有位置同监测桩相对应的若干激光测距仪，提供一种基于激光测距的边坡监测系统,以解决监测装置不便于携带的技术问题，该专利虽然可以利用激光测距传感器监测边坡的变形但是其变形的监测是相对位移，若要扩展至绝对位移需要依赖布设测点的数量以及布设方式，这会导致监测成本的增加；类似原理的有中国专利CN108896024B公开了一种边坡监测系统，包括了边坡监测主机、用于控制所述边坡监测主机测量工作的远程控制客户端；所述边坡监测主机包括：机架以及分别设置在所述机架上的虚拟主机、用于采集边坡数据信号的激光测距装置和用于所述虚拟主机与所述远程控制客户端通讯连接的通讯数据收发装置；激光测距装置能够将采集到的边坡数据信号发送给所述虚拟主机,用于构建边坡监测点坐标数据；所述虚拟主机能够根据所述远程控制客户端发送的控制命令,将从所述激光测距装置处接收到的边坡数据信号进行处理,获得构建的边坡监测点坐标数据。综上可见，上述专利中公开的技术仍存在诸多技术缺陷。一方面，目前已有的无线自动化监测装置，安装复杂、安装条件受限，且后期维护成本较高，测量中一旦出现损坏无法及时修复；另一方面，其造价较高，不便于大规模使用；此外，现有测量方法以及计算精度获得的测量结果误差大，存在不可获知测量偏差的风险，不能满足即时有效的边坡变形监测需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线边坡变形监测系统，以解决上述现有技术存在的问题，使得监测精度和频率高、偏差率低、监测灵敏高，并且可供多方近程和远程实时的微扰动监测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种无线边坡变形监测系统，包括安装支座、传感支点和无线传输及数据储存处理单元；所述安装支座采用现浇形式埋设于边坡表面，所述安装支座底部向下预埋有钢筋；所述传感支点固定安装于所述安装支座上，所述传感支点内设置有无线收发模块，所述传感支点包括设置于边坡裂缝两侧或疑似裂缝发展区域的无线激光测距传感支点和多个等间距依次分布于变形边坡的无线倾角传感支点；所述无线激光测距传感支点斜上方的边坡处设置有与所述边坡垂直的反射板，所述无线激光测距传感支点与所述反射板间的相对距离变化用于表征边坡裂缝的发展情况；所述无线激光测距传感支点和所述无线倾角传感支点分别与无线传输及数据储存处理单元无线连接，所述无线传输及数据储存处理单元对所述传感支点的测量数据进行采集、无线传输、计算、处理和共享存储，并用于边坡变形计算及安全状态分析。

可选的，所述无线传输及数据储存处理单元包括无线网关、云端服务器和无线收发模块；所述无线激光测距传感支点和所述无线倾角传感支点分别通过内置的所述无线收发模块将测量数据传输到所述无线网关，所述无线网关分别与各所述无线收发模块和所述云端服务器进行无线连接，并用于将测量数据传输给所述云端服务器，所述云端服务器通过对接收到的测量数据进行计算、处理和存储，并将处理结果用于计算边坡的变形以及判断边坡的安全状态。选用小型(100×100×60mm)的无线激光测距传感支点测量边坡裂缝位移，选用小型(52×50×40mm)的无线倾角传感支点测量坡体不同位置的倾斜度，成本低廉、测量精准、避免了传统人工全站仪监测精度低、监测程序复杂、变形监测不及时的问题。

可选的，所述无线激光测距传感支点和所述无线倾角传感支点的监测频率相同，边坡的整体变形根据无线激光测距支点数据和无线倾角传感支点的数据求得，并通过下述公式计算：

Δx_i＝ΔL_i×(1-cos(Δθ_i))

Δy_i＝ΔL_i×sin(Δθ_i)

Δx＝ΔL₁×cos(α)+∑Δx_i，Δy＝ΔL₁×sin(α)+∑Δy_i

其中：ΔL_i为第i个无线倾角传感支点处的边坡边长，选取每两个支点中间距离折半相加，Δθ_i为第i个无线倾角传感支点倾角的变化值，ΔL₁为无线激光测距传感支点的相对距离读数，α为无线激光测距支点的倾角感应值。

可选的，所述无线激光测距传感支点和各所述无线倾角传感支点分别通过安装支架固定在所述边坡表面，其中无线激光测距传感支点的接受靶和激光发射器分别位于监测边坡的裂缝两侧。

可选的，所述无线倾角传感支点包括多个独立测点，每个独立测点均匀布置在所测边坡上；所述安装支座位于所测边坡表面以下至少50cm处。

可选的，所述无线激光测距传感支点和各所述无线倾角传感支点分别设置于所述安装支座上，并采用膨胀螺栓与所述安装支座紧密连接。

可选的，所述无线激光测距传感支点和各所述无线倾角传感支点分别设有独立电源，所述独立电源连接有太阳能发电板。所述无线激光测距传感支点和每个所述无线倾角传感支点相互之间分别独立设置，并分别通过设有的独立电源进行供电，所述独立电源包括工业电池，采用的设备和线路设计，耗电量小、可应用时间久，体积小，避免口径大小限制安装数量，所述无线激光测距传感支点、各所述无线倾角传感支点之间不存在线路连接，减少后期维护费用，使用时，检查各供电电源电量充足即可。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过采用设置于坡体的无线激光测距传感支点与反射板间相对距离变化表征边坡的裂缝发展情况，测量结果更直观、可靠、精准度可控、减少了测量偏差；采用无线数据传输和独立电源的传感支点，解决测量装置间线缆供电或线缆通讯易损坏、难维护的问题，通过无线传输及数据储存处理单元的设置实现自动化监测，以上配合设置使得本发明监测精度和频率高、偏差率低、可供多方近程和远程实时的微扰动监测；本发明对边坡变形监测是无线化、自动化和实时地，可实现易安装、经济性的优点，具有明显的进步性和推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明无线边坡变形监测系统的结构示意图；

图2为本发明无线边坡变形监测系统的计算原理示意图；

图3为本发明无线边坡变形监测系统的传感支点的结构示意图；

附图标记说明：1、安装支座；1-1、安装支架；1-2、螺栓；2、无线激倾角传感支点；3、无线激光测距传感支点；4、反射板；5、无线网关；6、云端服务器；7、网页端；8、施工处。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无线边坡变形监测系统，以解决上述现有技术存在的问题，使得监测精度和频率高、偏差率低、监测灵敏高，并且可供多方近程和远程实时的微扰动监测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种无线边坡变形监测系统，如图1-图3所示，包括安装支座1、传感支点和无线传输及数据储存处理单元，安装支座1埋设于边坡表面，传感支点包括设置于边坡裂缝两侧的无线激光测距传感支点3和数个按照一定间距依次布设在边坡表面内的无线倾角传感支点2，在地面对应无线激光测距传感支点3的相应距离处设一反射板4，以无线激光测距传感支点3与反射板4间的相对距离变化表征边坡裂缝的发展情况，测量结果更可靠、精准度可控；无线传输及数据储存处理单元包括无线网关5、云端服务器6、网页端7，无线激光测距传感支点3和各无线倾角传感支点2分别通过内置的无线收发模块将测量的边坡裂缝变形和倾角数据相继传输到位于所述无线网关5，无线网关5分别与各无线收发模块、云端服务器6和网页端7进行无线连接，云端服务器6通过对接收到的裂缝变形和倾角数据进行计算、处理和存储。

本发明的无线边坡变形监测系统在使用时，先在需要进行监测的边坡表面确定所述安装支座1的位置，并在相应位置处进行开挖，开挖的尺寸要大于安装支架的尺寸，本实施例中采用50×50×50cm的孔，在所挖孔插入钢筋至稳定土体，留出部分钢筋后浇入混凝土，混凝土强度满足要求后进行支架的安装。将无线激光测距传感支点3和无线倾角传感支点2监测频率设为一致进行实时测量并通过无线收发模块将测量的裂缝变形和倾角数据传输给无线网关5，无线网关5接收到测量的裂缝变形数据和倾角数据后通过移动通信网上传到云端服务器6进行计算、处理和存储，近端或远端的管理人员可在网页端7登录对裂缝数据、监测点土体位移曲线进行实时查看和下载计算的数据可以指导施工处8。

本发明将激光测距的反射点设置于地面某一位置处，不仅安装便利，还利于减少测量中因反射点位置的改变对测量结果造成的影响，本发明通过将激光测距的反射点设置于地表以上，则其位置变化可控，即使其位置因外力发生改变也便于测量人员通过对其定位而获知并进行及时矫正以消除测量偏差，故本发明精准率更高。另外，本发明将采集数据通过无线网关5传输给云端服务器6进行计算和储存，结果获得准确且便于多方实时异地查询监控。

具体的，如图3所示，选用小型(100×100×60mm)的无线激光测距传感支点3测量裂缝的变形，选用小型(52×50×40mm)的无线倾角传感支点2测量坡面不同位置的倾斜度，成本低廉、测量精准、避免了传统人工全站仪测量致使的操作复杂、监测实时性低的问题。

上述无线激光测距传感支点2和上述各无线倾角传感支点3的设为同步监测频率，各无线倾角传感支点3处的侧向位移通过下述公式计算获得：

Δx_i＝ΔL_i×(1-cos(Δθ_i))

Δy_i＝ΔL_i×sin(Δθ_i)

Δx＝ΔL₁×cos(α)+∑Δx_i，Δy＝ΔL₁×sin(α)+∑Δy_i

其中：ΔL_i为第i个无线倾角传感支点处的边坡边长，选取每两个支点中间距离折半相加，Δθ_i为第i个无线倾角传感支点倾角的变化值，ΔL₁为无线激光测距传感支点的相对距离读数，α为无线激光测距支点的倾角感应值。

无线激光测距传感支点3和每个无线倾角传感支点2相互之间分别独立设置，并分别通过设有的独立电源进行供电，独立电源包括工业电池，采用的设备和线路设计，耗电量小、可应用时间久，体积小，避免口径大小限制安装数量，所述无线激光测距传感支点3、各无线倾角传感支点2之间不存在线路连接，减少后期维护费用，使用时，检查各供电电源电量充足即可。安装支座1为混凝土结构，安装支座1的强度达到要求后通过前后四个螺栓1-2与安装支架1-1固定，无线激光测距传感支点2和各无线倾角传感支点3分别通过底部螺栓与安装支架1-1固定，选用螺栓1-2和安装支架1-1进行固定安装更为简单快捷，成本更低。安装支座1大小应足够容纳传感支点以及安装支架1-1。

本发明通过采用设置于地面的无线激光测距传感支点3与反射板4间相对距离变化表征边坡裂缝的发展情况，测量结果更可靠、精准度可控、减少了测量偏差；采用无线数据传输和独立电源的传感支点，无需布设任何电力或通信线缆，节省了线缆铺设以及后期维护的费用，避免使用过程中，电力或通信线缆的损坏对设备使用的影响，降低设备损毁的风险，通过无线传输及数据储存处理单元的设置实现自动化监测，无需大量人力物力且不产生施工干扰，以上配合设置使得本发明监测精度和频率高、偏差率低、监测灵敏高、可供多方近程和远程实时的微扰动监测；本发明对边坡变形的监测是无线化、自动化和实时地，具有易安装、经济性的优点。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种无线边坡变形监测系统，其特征在于：包括安装支座、传感支点和无线传输及数据储存处理单元；所述安装支座采用现浇形式埋设于边坡表面，所述安装支座底部向下预埋有钢筋；所述传感支点固定安装于所述安装支座上，所述传感支点内设置有无线收发模块，所述传感支点包括设置于边坡裂缝两侧或疑似裂缝发展区域的无线激光测距传感支点和多个等间距依次分布于变形边坡的无线倾角传感支点；所述无线激光测距传感支点斜上方的边坡处设置有与所述边坡垂直的反射板，所述无线激光测距传感支点与所述反射板间的相对距离变化用于表征边坡裂缝的发展情况；所述无线激光测距传感支点和所述无线倾角传感支点分别与无线传输及数据储存处理单元无线连接，所述无线传输及数据储存处理单元对所述传感支点的测量数据进行采集、无线传输、计算、处理和共享存储，并用于边坡变形计算及安全状态分析。

2.根据权利要求1所述的无线边坡变形监测系统，其特征在于：所述无线传输及数据储存处理单元包括无线网关、云端服务器和无线收发模块；所述无线激光测距传感支点和所述无线倾角传感支点分别通过内置的所述无线收发模块将测量数据传输到所述无线网关，所述无线网关分别与各所述无线收发模块和所述云端服务器进行无线连接，并用于将测量数据传输给所述云端服务器，所述云端服务器通过对接收到的测量数据进行计算、处理和存储，并将处理结果用于计算边坡的变形以及判断边坡的安全状态。

3.根据权利要求1所述的无线边坡变形监测系统，其特征在于：所述无线激光测距传感支点和所述无线倾角传感支点的监测频率相同，边坡的整体变形根据无线激光测距支点数据和无线倾角传感支点的数据求得，并通过下述公式计算：

Δx_i＝ΔL_i×(1-cos(Δθ_i))

Δy_i＝ΔL_i×sin(Δθ_i)

Δx＝ΔL₁×cos(α)+∑Δx_i，Δy＝ΔL₁×sin(α)+∑Δy_i

其中：ΔL_i为第i个无线倾角传感支点处的边坡边长，选取每两个支点中间距离折半相加，Δθ_i为第i个无线倾角传感支点倾角的变化值，ΔL₁为无线激光测距传感支点的相对距离读数，α为无线激光测距支点的倾角感应值。

4.根据权利要求1所述的无线边坡变形监测系统，其特征在于：所述无线激光测距传感支点和各所述无线倾角传感支点分别通过安装支架固定在所述边坡表面，其中无线激光测距传感支点的接受靶和激光发射器分别位于监测边坡的裂缝两侧。

5.根据权利要求4所述的无线边坡变形监测系统，其特征在于：所述无线倾角传感支点包括多个独立测点，每个独立测点均匀布置在所测边坡上；所述安装支座位于所测边坡表面以下至少50cm处。

6.根据权利要求5所述的无线边坡变形监测系统，其特征在于：所述无线激光测距传感支点和各所述无线倾角传感支点分别设置于所述安装支座上，并采用膨胀螺栓与所述安装支座紧密连接。

7.根据权利要求1所述的无线边坡变形监测系统，其特征在于：所述无线激光测距传感支点和各所述无线倾角传感支点分别设有独立电源，所述独立电源连接有太阳能发电板。

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