CN113219157B - 一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法 - Google Patents

一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法，该系统包括：滑坡物理模型及其监测系统，滑坡物理模型包括滑坡框架和设置在滑坡框架内的滑坡体；监测系统包括力‑位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪和两个高速摄像机，力‑位移监测单元与高速摄像机配合获取滑坡体关键点力和位移信息，位移场监测单元与高速摄像机配合获取滑坡体深部位移场信息，三维激光扫描仪获取滑坡体表面位移场信息，监测系统连接的终端设备实时对获取的滑坡体力与位移信息进行监测。本发明提供的滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法，可实现滑坡物理模型关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息的实时准确监测。

Description

一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法
技术领域
本发明涉及地质灾害监测技术领域，特别是涉及一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法。
背景技术
滑坡物理模型监测试验是研究滑坡地质灾害成因机理及特点的有效方法，在滑坡物理模型监测试验中，力与位移信息是分析滑坡演化过程的重要参数，采用应力传感器、应变传感器、位移传感器、摄像仪器等可以对滑坡过程的力和位移信息进行有效的采集。目前，科学技术的发展促进了滑坡物理模型监测试验的进步，但监测试验过程中仍存在以下局限或缺陷：
(1)滑坡是岩体或土体沿边坡内部滑动面向下滑动的现象，传统位移监测实验多是针对滑坡体表面位移场的监测，无法准确反映滑坡体变形及破坏过程；
(2)受限于滑坡体内部位移传感器尺寸，滑坡体内部位移监测难以得到不同深度的位移变化情况，为滑坡体不同滑动阶段的变形特征分析造成了困难；
(3)滑坡演化过程中，压力盒位置会随着岩土体滑动而变化，传统方法难以确定压力盒的实时位置，滑坡过程中所测力并非压力盒设计位置坐标力值，难以保证所得压力的精度；
(4)滑坡过程伴随着力和位移的实时变化，现有监测方法难以得到滑坡体内监测点的力和位移实时变化信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法，可实现滑坡物理模型关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息的实时准确监测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统，包括：滑坡物理模型及其监测系统，所述滑坡物理模型包括滑坡框架和设置在滑坡框架内的滑坡体，所述滑坡框架由前挡板、后挡板、两个侧挡板和底板围成矩形半封闭空间，所述滑坡体包括第一水平段、边坡段和第二水平段，所述第一水平段、边坡段和第二水平段依次连接，所述边坡段划分为多个定位条块区；所述监测系统包括力-位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪和两个高速摄像机，所述力-位移监测单元设在边坡段上，所述位移场监测单元为设在所述侧挡板上的定位网格，所述三维激光扫描仪设在所述滑坡体正前方，两个所述高速摄像机设在所述滑坡物理模型两侧且镜头朝向所述侧挡板，所述力-位移监测单元与所述高速摄像机配合用于获取所述滑坡体的关键点力和位移信息，所述位移场监测单元与所述高速摄像机配合用于获取所述滑坡体的深部位移场信息，所述三维激光扫描仪用于获取所述滑坡体的表面位移场信息，所述力-位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪和高速摄像机连接有终端设备，所述终端设备用于实时对获取的所述滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测。
可选的，两个所述侧挡板的材质均为透明钢化玻璃。
可选的，所述前挡板、后挡板、两个侧挡板和底板之间采用L型铝合金直角包边压条粘接。
可选的，所述定位网格包括定位主网格和定位子网格，定位主网格和定位子网格均由横向和纵向刻度线组成，所述定位子网格位于所述定位主网格的单元格内。
可选的，所述力-位移监测单元包括多个力-位移监测模块，多个所述力-位移监测模块分别设在不同的定位条块区，每个所述力-位移监测模块包括埋设于边坡段内的压力盒和贯穿出边坡段的定位杆，所述压力盒上设置有固定环，所述定位杆底端通过所述固定环与所述压力盒固定，所述定位杆上部穿出所述边坡段后设置有定位球，所述定位球包括杆体定位球和杆顶定位球，所述杆体定位球穿设在所述定位杆的杆体上，所述杆顶定位球穿设在所述定位杆的杆顶上，所述压力盒经导线与所述终端设备连接。
可选的，所述定位杆的材质为高碳钢丝。
可选的，每个所述定位条块区由不同颜色试验材料区分。
本发明还提供了一种滑坡物理模型力和位移信息监测方法，应用于上述的滑坡物理模型力和位移信息监测系统，包括以下步骤：
S1)所述力-位移监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的关键点力和位移信息；
S2)所述位移场监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的深部位移场信息；
S3)所述三维激光扫描仪获取所述滑坡体的表面位移场信息；
S4)所述终端设备实时对获取的所述滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测。
可选的，所述力-位移监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的关键点力和位移信息包括以下步骤：
S101)所述压力盒获取所述滑坡体的压力信息；
S102)所述高速摄像机捕捉所述定位球在所述位移场监测单元上的运动轨迹，确定所述压力盒的位置坐标：通过所述位移场监测单元确定所述杆顶定位球的位置坐标(X1，Y1)和杆体定位球的位置坐标(X2，Y2)，确定出所述杆顶定位球与所述杆体定位球的距离L1并测量出所述杆体定位球与所述定位杆下端的距离L2，顺次直线连接所述杆顶定位球与所述杆体定位球并延长L2长度确定所述压力盒的位置坐标(X3，Y3)；
S103)汇总分析得到所述滑坡体关键点力和位移信息。
可选的，所述位移场监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的深部位移场信息具体包括以下步骤：
S201)所述高速摄像机捕捉定位条块区在所述位移场监测单元上的变形与运动轨迹；
S202)通过所述定位网格确定所述滑坡体滑坡过程中定位条块区内部各点及轮廓线坐标；
S203)汇总分析得到所述滑坡体深部位移场信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明实施例提供的滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法，通过力-位移监测单元与高速摄像机的配合得到压力盒的位置坐标数据及压力变化数据，实现了滑坡体关键点的力和位移信息的准确监测；通过位移场监测单元与高速摄像机的配合更好实现了滑坡体的深部位移场数据的记录采集，为不同滑动阶段滑坡体变形特征的监测提供了新途径；通过三维激光扫描仪采集滑坡体表面三维坐标信息，得到了滑坡体的表面位移场信息，实现滑坡体滑坡过程表面位移场演变特征的监测；将监测系统连接到终端设备，可实时对获取的滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测；该系统的力和位移监测单元包括多个力和位移监测模块，每个力和位移监测模块包括压力盒和定位杆，压力盒与定位杆底端固定，定位杆在滑坡体上部设置有定位球，通过定位球可确定出压力盒所处位置，提高了滑坡体压力盒位置的压力监测精度，基于压力盒体积小巧，因此可多点布设进行监测，便于研究人员对滑坡体不同滑动阶段的变形特征进行研究分析。
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为本发明实施例滑坡物理模型力和位移信息监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例滑坡物理模型力和位移信息监测系统的俯视图；
图3为本发明实施例滑坡物理模型力和位移信息监测系统的A-A剖面图；
图4为本发明实施例力-位移监测模块的结构示意图；
图5为本发明实施例位移场监测单元的结构示意图；
图6为本发明实施例滑坡物理模型力和位移信息监测方法的流程图。
附图标记说明：1、滑坡体；1-1、定位条块区；2、侧挡板；2-1、定位主网格；2-2、定位子网格；3、后挡板；4、前挡板；5、高速摄像机；6、三维激光扫描仪；7、力-位移监测模块；7-1、压力盒；7-2、导线；7-3、固定环；7-4、定位杆；7-5、杆体定位球；7-6、杆顶定位球；8、底板。
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滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法，可实现滑坡物理模型关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息的实时准确监测。
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。
如图1至图5所示，本发明实施例提供的滑坡物理模型力和位移信息监测系统，包括：滑坡物理模型及其监测系统，滑坡物理模型包括滑坡框架和设置在滑坡框架内的滑坡体1，滑坡框架由前挡板4、后挡板3、两个侧挡板2和底板8围成矩形半封闭空间；两个侧挡板2的材质均为透明钢化玻璃；前挡板4、后挡板3、两个侧挡板2和底板8之间采用L型铝合金直角包边压条粘接，也可采用其他方式固定于一体；滑坡体1包括第一水平段、边坡段和第二水平段，第一水平段、边坡段和第二水平段依次连接，边坡段划分为多个定位条块区1-1，每个定位条块区由不同颜色的试验颜料进行区分，定位条块区划分密度由滑坡体尺寸及监测系统精度确定；监测系统包括力-位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪6和两个高速摄像机5，力-位移监测单元设在边坡段上，位移场监测单元为设在侧挡板2上的定位网格，定位网格包括定位主网格2-1和定位子网格2-2，定位主网格2-1和定位子网格2-2均由横向刻度线和纵向刻度线组成，定位子网格位于定位主网格内，三维激光扫描仪6设在滑坡体1正前方，两个高速摄像机5设置在滑坡物理模型两侧且镜头朝向侧挡板2，力-位移监测单元与高速摄像机5配合用于获取滑坡体1的关键点力和位移信息，位移场监测单元与高速摄像机5配合用于获取滑坡体1的深部位移场信息，三维激光扫描6仪用于获取滑坡体1的表面位移场信息，力-位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪和高速摄像机连接有终端设备，终端设备用于实时对获取的滑坡体1的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测。
其中，力-位移监测单元包括多个力-位移监测模块7，多个力-位移监测模块7分别设置在不同的定位条块区1-1，每个力-位移监测模块7包括埋设于边坡段内的压力盒7-1和贯穿出边坡段的定位杆7-4，定位杆7-4的材质为高碳钢丝，压力盒7-1上设置有固定环7-3，定位杆7-4底端通过固定环7-3与压力盒7-1固定，定位杆7-4上部穿出边坡段后设置有定位球，定位球包括杆体定位球7-5和杆顶定位球7-6，杆体定位球7-5穿设在定位杆7-4的杆体上，杆顶定位球7-6穿设在定位杆7-4的杆顶上，压力盒7-1经导线7-2与终端设备连接。
如图6所示，本发明实施例提供的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，应用于上述滑坡物理模型力和位移信息监测系统，包括以下步骤：
S1)力-位移监测单元与高速摄像机配合获取滑坡体的关键点力和位移信息；
S2)位移场监测单元与高速摄像机配合获取滑坡体的深部位移场信息；
S3)三维激光扫描仪获取滑坡体的表面位移场信息；
S4)终端设备对获取的滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测。
其中，力和位移监测单元与高速摄像机配合获取滑坡体的关键点力和位移信息包括以下步骤：
S101)压力盒获取滑坡体的压力信息；通过将压力盒安装在模型不同深度，实现对滑坡深部、滑移面及浅部力-位移信息的监测；
S102)高速摄像机捕捉定位球在位移场监测单元上的运动轨迹，确定压力盒的位置坐标：通过位移场监测单元确定杆顶定位球的位置坐标(X1，Y1)和杆体定位球的位置坐标(X2，Y2)，确定出杆顶定位球与杆体定位球的距离L1并测量出杆体定位球与定位杆下端的距离L2，顺次直线连接杆顶定位球与杆体定位球并延长L2长度确定压力盒的位置坐标(X3，Y3)；
S103)汇总分析得到滑坡体关键点力和位移信息。
位移场监测单元与高速摄像机配合获取滑坡体的深部位移场信息具体包括以下步骤：
S201)高速摄像机捕捉定位条块区在位移场监测单元上的变形与运动轨迹；
S202)通过定位网格确定滑坡体滑坡过程中定位条块区内部各点及轮廓线坐标；
S203)汇总分析得到滑坡体深部位移场信息。
本发明实施例提供的滑坡物理模型力和位移信息监测系统及方法，通过力-位移监测单元与高速摄像机的配合得到压力盒的位置坐标数据及压力变化数据，实现了滑坡体关键点的力和位移信息的准确监测；通过位移场监测单元与高速摄像机的配合更好实现了滑坡体的深部位移场数据的记录采集，为不同滑动阶段滑坡体变形特征的监测提供了新途径；通过三维激光扫描仪采集滑坡体表面三维坐标信息，得到了滑坡体的表面位移场信息，实现滑坡体滑坡过程表面位移场演变特征的监测；将监测系统连接到终端设备，可实时对获取的滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测；该系统的力和位移监测单元包括多个力和位移监测模块，每个力和位移监测模块包括压力盒和定位杆，压力盒与定位杆底端固定，定位杆在滑坡体上部设置有定位球，通过定位球可确定出压力盒所处位置，提高了滑坡体压力盒位置的压力监测精度，基于压力盒体积小巧，因此可多点布设进行监测，便于研究人员对滑坡体不同滑动阶段的变形特征进行研究分析。
本文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)

1.一种滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，所述方法应用于一种滑坡物理模型力和位移信息监测系统，所述系统包括：滑坡物理模型及其监测系统，所述滑坡物理模型包括滑坡框架和设置在滑坡框架内的滑坡体，所述滑坡框架由前挡板、后挡板、两个侧挡板和底板围成矩形半封闭空间，所述滑坡体包括第一水平段、边坡段和第二水平段，所述第一水平段、边坡段和第二水平段依次连接，所述边坡段划分为多个定位条块区；所述监测系统包括力-位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪和两个高速摄像机，所述力-位移监测单元设在边坡段上，所述位移场监测单元为设在所述侧挡板上的定位网格，所述三维激光扫描仪设在所述滑坡体正前方，两个所述高速摄像机设在所述滑坡物理模型两侧且镜头朝向所述侧挡板，所述力-位移监测单元与所述高速摄像机配合用于获取所述滑坡体的关键点力和位移信息，所述位移场监测单元与所述高速摄像机配合用于获取所述滑坡体的深部位移场信息，所述三维激光扫描仪用于获取所述滑坡体的表面位移场信息，所述力-位移监测单元、位移场监测单元、三维激光扫描仪和高速摄像机连接有终端设备，所述终端设备用于实时对获取的所述滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测；
所述力-位移监测单元包括多个力-位移监测模块，多个所述力-位移监测模块分别设在不同的定位条块区，每个所述力-位移监测模块包括埋设于边坡段内的压力盒和贯穿出边坡段的定位杆，所述压力盒上设置有固定环，所述定位杆底端通过所述固定环与所述压力盒固定，所述定位杆上部穿出所述边坡段后设置有定位球，所述定位球包括杆体定位球和杆顶定位球，所述杆体定位球穿设在所述定位杆的杆体上，所述杆顶定位球穿设在所述定位杆的杆顶上，所述压力盒经导线与所述终端设备连接；
所述方法包括以下步骤：
S1)所述力-位移监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的关键点力和位移信息；
S2)所述位移场监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的深部位移场信息；
S3)所述三维激光扫描仪获取所述滑坡体的表面位移场信息；
S4)所述终端设备实时对获取的所述滑坡体的关键点力和位移信息、深部位移场信息以及表面位移场信息进行监测；
所述力-位移监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的关键点力和位移信息包括以下步骤：
S101)所述压力盒获取所述滑坡体的压力信息；
S102)所述高速摄像机捕捉所述定位球在所述位移场监测单元上的运动轨迹，确定所述压力盒的位置坐标：通过所述位移场监测单元确定所述杆顶定位球的位置坐标(X1，Y1)和杆体定位球的位置坐标(X2，Y2)，确定出所述杆顶定位球与所述杆体定位球的距离L1并测量出所述杆体定位球与所述定位杆下端的距离L2，顺次直线连接所述杆顶定位球与所述杆体定位球并延长L2长度确定所述压力盒的位置坐标(X3，Y3)；
S103)汇总分析得到所述滑坡体关键点力和位移信息。
2.根据权利要求1所述的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，两个所述侧挡板的材质均为透明钢化玻璃。
3.根据权利要求1所述的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，所述前挡板、后挡板、两个侧挡板和底板之间采用L型铝合金直角包边压条粘接。
4.根据权利要求1所述的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，所述定位网格包括定位主网格和定位子网格，定位主网格和定位子网格均由横向和纵向刻度线组成，所述定位子网格位于所述定位主网格的单元格内。
5.根据权利要求1所述的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，所述定位杆的材质为高碳钢丝。
6.根据权利要求1所述的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，每个所述定位条块区由不同颜色试验材料区分。
7.根据权利要求1所述的滑坡物理模型力和位移信息监测方法，其特征在于，所述位移场监测单元与所述高速摄像机配合获取所述滑坡体的深部位移场信息具体包括以下步骤：
S201)所述高速摄像机捕捉定位条块区在所述位移场监测单元上的变形与运动轨迹；
S202)通过所述定位网格确定所述滑坡体滑坡过程中定位条块区内部各点及轮廓线坐标；
S203)汇总分析得到所述滑坡体深部位移场信息。
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