CN113433155A - 一种寒区路基未冻水实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种寒区路基未冻水实时监测系统及方法，监测系统包括路基探测系统、数据传输系统和监测管理系统。路基探测系统包括埋设在路基冻土层的核磁共振传感器、冻土温度传感器，原位测试路基冻土层的核磁信号及实时温度；数据传输系统包括无线通信仪、路基监测分站和寒区监测环网，实现路基探测数据与监测管理系统命令的双向传输；监测管理系统包括数据存储器、数据处理器、人机交互平台，对监测数据进行存储与处理，结果显示于人机交互平台。将无线通信仪与路基监测分站之间为无线通信连接，通过寒区路基冻土未冻结率测定的分析流程，建立了完整的寒区路基未冻水实时监测体系，解决了现场布线对路基工程的破坏以及信号线之间缠绕串扰难管理的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时监测系统及方法，尤其是一种适用于寒区路基冻土未冻结率实时监测系统及方法。
背景技术
由于昼夜温差、季节温差的作用，我国西部、东北寒区的冻土路基(公路、铁路等)需要克服冻土层反复冻融作用对地基稳定性的影响。冻土，是一种温度低于0℃且含有冰的土，此类土冻结之后并非所有的液态水都转变成了冰，而是在毛细作用和颗粒表面能的作用下始终保持着一定数量的液态水，这部分水称之为未冻水。
一方面，冻土未冻结率是冻土特征参量之一，此参数对于冻土区或季节冻土区众多地下工程设计与计算等方面具有重要的影响，是导致冻土物理力学性质不稳定的一个重要因素。另一方面，土体在冻结过程中产生冻胀现象和水分迁移运动，水分从未冻结端向冻结端迁移，冻胀时的水分迁移正是在温度梯度作用下以未冻水(或薄膜水)的形式发生运动的。因此，冻土层在冻融过程中的未冻结率是关键数据，需要建立一种针对寒区路基冻土未冻结率的永久动态监测系统及方法。
核磁共振(NMR)技术是冻土领域采用较早且较为成熟的一种未冻水含量测试技术。但核磁共振技术多用于实验室测定，且测试成本较高。所以，可用于现场冻土的未冻结率原位测试的技术亟待解决。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中存的不足之处，提供一种寒区路基未冻水实时监测系统及方法，通过冻土未冻结率测定的分析流程，建立完整的寒区路基未冻水实时监测体系，从而解决对冻融循环作用下冻土路基工程的地基稳定性缺乏有效的观测手段问题。
技术方案：本发明的寒区路基未冻水实时监测系统，包括路基探测系统、连接路基探测系统的数据传输系统和监测管理系统；所述的路基探测系统包括间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器和分别设在每个核磁共振传感器外围的多个冻土温度传感器，路基坡体表面上设有与核磁共振传感器和冻土温度传感器信号线相连的数据采集器；所述核磁共振传感器负责提供产生核磁共振现象的场所和条件、激发并接收回波信号，所述的冻土温度传感器负责探测核磁共振传感器外围共振区域范围内冻土实时温度，所述的数据采集器负责采集核磁共振传感器接收的回波信号以及冻土温度传感器探测的温度数据；
所述核磁共振传感器包括防水护套、设在防水护套中部的支撑杆，所述支撑杆上设有经射频信号线与数据采集器相连的射频线圈，所述射频线圈的上下两端对称设有永磁体，数据采集器通过射频信号线发射交变电流使射频线圈产生激励射频信号，激发冻土层中的氢质子，同时接收冻土层回波信号；
所述数据传输系统包括设在路基坡体表面与数据采集器通过数据线连接的无线通信仪、设在地面的路基监测分站和寒区监测环网，无线通信仪通过无线网络与路基监测分站无线连接，路基监测分站通过寒区监测环网与监测管理系统连接，数据采集器通过射频信号线接收回波信号，并将数据采集器中的数据信息回传至监测管理系统；
所述监测管理系统包括数据存储器、数据处理器和人机交互平台，所述数据存储器接受并存储来自寒区监测环网的数据；所述数据处理器将处理的数据结果输入数据存储器中，数据处理器负责调取数据存储器中的数据，并计算路基冻土层的实时未冻结率，计算结果于人机交互平台上动态显示，以便工作人员通过人机交互平台所显示结果做出预警判断。
所述设在核磁共振传感器外围的多个冻土温度传感器为2-4个。
所述冻土温度传感器负责探测核磁共振传感器外围共振区域范围的直线距离为5cm。
所述间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器沿路基坡体斜面埋设的间隔距离为0.8-1m，沿路基坡体走向埋设的间隔距离为1.5-2m。
一种使用上述寒区路基未冻水实时监测系统的监测方法，包括以下步骤：
a.工作人员通过监测管理系统向路基探测系统下达监测命令；
b.路基探测系统接受到监测命令后开始工作，核磁共振传感器现场原位测定核磁信号强度，冻土温度传感器现场原位测定冻土实时温度；
c.取核磁共振传感器外围共振区域内的土样，利用低场核磁共振设备测定冻土试样在0℃-40℃升温区间的核磁信号强度；
d.将冻土试样升温区间核磁信息、现场实测核磁信息及冻土温度数据上传至监测管理系统中的数据存储器；
e.利用数据处理器调取数据存储器中的数据信息，进行数据解释；
f.通过据处理器将数据解释结果传输到人机交互平台显示，实现对寒区路基冻土未冻结率的实时监测。
步骤e中，所述数据解释包括实验室数据和传感器数据，
实验室数据：
①将升温区0℃、3℃、5℃、12℃、24℃、30℃、35℃、40℃核磁信号强度峰值进行线性拟合，得到顺磁线性回归线；
②将回归线反向延长至负温区，根据回归线表达式求出负温区内的理论核磁信号强度峰值；
传感器数据：
①根据实时温度确定横轴坐标x、现场实测信号确定纵轴坐标y；过该点a(x，y)作横轴的垂线，并交回归线于一点b，该点即为同温度下回归线所示信号强度；
②将现场实测信号a点到信号强度基数的距离A与b点到信号强度基数的距离B作商，得出某一温度点下冻土的未冻结率。
有益效果：由于采用上述技术方案，本发明利用核磁共振传感器保留对水分子中氢信号的探测核心功能，数据分析交由监测管理系统统一处理，缩小了核磁类设备的体积，利于在寒区路基的大范围布置；将无线通信仪与路基监测分站之间为无线通信连接，解决了现场布线对路基工程的破坏以及信号线之间缠绕串扰难管理的问题。采用路基探测系统、数据传输系统和监测管理系统对寒区路基未冻水实时监测，将路基探测系统与数据传输系统之间用线路连接，数据传输系统与监测管理系统之间用环网通讯连接，监测管理系统与路基探测系统之间采用无线通讯连接。数据存储器负责接受并存储来自寒区监测环网的数据；数据处理器负责调取数据存储器中的数据，并计算路基冻土层的实时未冻结率；计算结果于人机交互平台上动态显示，工作人员可通过人机交互平台所显示结果做出预警判断；同时数据处理器得到的结果仍输入数据存储器中。通过监测管理系统向路基探测系统下达监测命令，核磁共振传感器现场原位测定核磁信号强度，冻土温度传感器现场原位测定冻土实时温度；取核磁共振传感器外围共振区域内土样，利用低场核磁共振设备测定冻土试样在0℃-40℃升温区间的核磁信号强度将冻土试样升温区间核磁信息、现场实测核磁信息及冻土温度数据上传至监测管理系统中的数据存储器；数据处理器调取数据存储器中的数据信息，进行数据解释；数据处理器将数据解释结果传输到人机交互平台显示，实现对寒区路基冻土未冻结率的实时监测。其结构简单，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明寒区路基未冻水含量实时监测系统布置示意图；
图2为本发明核磁共振传感器结构图；
图3为本发明数据流、命令流传输过程示意图；
图4为本发明实时监测系统工作流程示意图；
图5为本发明未冻结率计算图；
图6为本发明寒区路基某冻土测点监测结果图。
图中：1-路基探测系统、11-冻土温度传感器、12-核磁共振传感器、121-永磁体、122-支撑杆、123-射频线圈、124-射频信号线、125-防水护套、126-核磁共振的共振区域、13-数据采集器、14-测温导线；2-数据传输系统、21-无线通信仪、22-路基监测分站、23-寒区监测环网；3-监测管理系统、31-数据存储器、32-数据处理器、33-人机交互平台。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：
图1-图3所示，本发明的寒区路基未冻水实时监测系统，主要由路基探测系统1、数据传输系统2和监测管理系统3构成，路基探测系统1与数据传输系统2和监测管理系统3连接；所述的路基探测系统1包括间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器12和分别设在每个核磁共振传感器12外围的多个冻土温度传感器11，所述设在核磁共振传感器12外围的多个冻土温度传感器11为2-4个；间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器12沿路基坡体斜面埋设的间隔距离为0.8-1m，沿路基坡体走向埋设的间隔距离为1.5-2m。每个核磁共振传感器12上方路基坡体表面上均设有一个与核磁共振传感器12和冻土温度传感器11信号线相连的数据采集器13；所述核磁共振传感器12负责提供产生核磁共振现象的场所和条件、激发并接收回波信号，所述的冻土温度传感器11负责探测核磁共振传感器12外围直线距离5cm共振区域范围内冻土实时温度，所述的数据采集器13负责采集核磁共振传感器12接收的回波信号以及冻土温度传感器11探测的温度数据；
所述核磁共振传感器12包括防水护套125、设在防水护套125中部的支撑杆122，所述支撑杆122上设有经射频信号线124与数据采集器13相连的射频线圈123，所述射频线圈123的上下两端对称设有永磁体121，射频线圈123通过射频信号线124接收数据采集器13交变电流使射频线圈123产生激励射频信号，激发冻土层中的氢质子；即数据采集器13通过射频信号线124发射交变电流使射频线圈123产生激励射频信号，激发冻土层中的氢质子，同时接收冻土层回波信号，回波信号通过射频信号线被数据采集器13接收；
所述数据传输系统2包括设在路基坡体表面与数据采集器13通过数据线连接的无线通信仪21、设在地面的路基监测分站22和寒区监测环网23，无线通信仪21通过无线网络与路基监测分站21无线连接，路基监测分站22通过寒区监测环网23与监测管理系统3连接，数据采集器13通过射频信号线21接收回波信号，并将数据采集器13中的数据信息回传至监测管理系统3；
所述监测管理系统3包括数据存储器31、数据处理器32和人机交互平台33，所述数据存储器31接受并存储来自寒区监测环网23的数据；所述数据处理器32将处理的数据结果输入数据存储器31中，数据处理器32负责调取数据存储器31中的数据，并计算路基冻土层的实时未冻结率，计算结果于人机交互平台33上动态显示，以便工作人员通过人机交互平台33所显示结果做出预警判断。
如图3、图4、图5所示，本发明的寒区路基未冻水实时监测方法，具体步骤如下：
a.工作人员通过监测管理系统3向路基探测系统1下达监测命令；
b.路基探测系统1接受到监测命令后开始工作，核磁共振传感器12现场原位测定核磁信号强度，冻土温度传感器11现场原位测定冻土实时温度；
c.取核磁共振传感器12外围共振区域内的土样，利用低场核磁共振设备测定冻土试样在0℃-40℃升温区间的核磁信号强度；
d.将冻土试样升温区间核磁信息、现场实测核磁信息及冻土温度数据上传至监测管理系统3中的数据存储器31；
e.利用数据处理器32调取数据存储器31中的数据信息，进行数据解释；所述数据解释包括实验室数据和传感器数据，
实验室数据：
①将升温区0℃、3℃、5℃、12℃、24℃、30℃、35℃、40℃核磁信号强度峰值进行线性拟合，得到顺磁线性回归线；
②将回归线反向延长至负温区，根据回归线表达式求出负温区内的理论核磁信号强度峰值；
传感器数据：
①根据实时温度确定横轴坐标x、现场实测信号确定纵轴坐标y；过该点a(x，y)作横轴的垂线，并交回归线于一点b，该点即为同温度下回归线所示信号强度；
②将现场实测信号a点到信号强度基数的距离A与b点到信号强度基数的距离B作商，得出某一温度点下冻土的未冻结率。
f.通过据处理器32将数据解释结果传输到人机交互平台33显示，实现对寒区路基冻土未冻结率的实时监测。
如图5、图6所示，例如某处传感器周围冻土试样在实验室测得升温区数据如表1所示，拟合出顺磁回归线表达式为y＝-0.345x+284.388。
表1某处冻土试样正温区核磁峰值(例)
由顺磁回归线推算出负温区内的理论核磁信号强度峰值，测得实际负温核磁信号强度峰值，代入计算公式得出未冻结率，见表2。
表2某测点未冻结率变化(例)
Claims (6)
1.一种寒区路基未冻水实时监测系统，其特征在于：它包括路基探测系统(1)、连接路基探测系统(1)的数据传输系统(2)和监测管理系统(3)；所述的路基探测系统(1)包括间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器(12)和分别设在每个核磁共振传感器(12)外围的多个冻土温度传感器(11)，路基坡体表面上设有与核磁共振传感器(12)和冻土温度传感器(11)信号线相连的数据采集器(13)；所述核磁共振传感器(12)负责提供产生核磁共振现象的场所和条件、激发并接收回波信号，所述的冻土温度传感器(11)负责探测核磁共振传感器(12)外围共振区域范围内冻土实时温度，所述的数据采集器(13)负责采集核磁共振传感器(12)接收的回波信号以及冻土温度传感器(11)探测的温度数据；
所述核磁共振传感器(12)包括防水护套(125)、设在防水护套(125)中部的支撑杆(122)，所述支撑杆(122)上设有经射频信号线(124)与数据采集器(13)相连的射频线圈(123)，所述射频线圈(123)的上下两端对称设有永磁体(121)，数据采集器(13)通过射频信号线(124)发射交变电流使射频线圈(123)产生激励射频信号，激发冻土层中的氢质子，同时接收冻土层回波信号；
所述数据传输系统(2)包括设在路基坡体表面与数据采集器(13)通过数据线连接的无线通信仪(21)、设在地面的路基监测分站(22)和寒区监测环网(23)，无线通信仪(21)通过无线网络与路基监测分站(21)无线连接，路基监测分站(22)通过寒区监测环网(23)与监测管理系统(3)连接，数据采集器(13)通过射频信号线(21)接收回波信号，并将数据采集器(13)中的数据信息回传至监测管理系统(3)；
所述监测管理系统(3)包括数据存储器(31)、数据处理器(32)和人机交互平台(33)，所述数据存储器(31)接受并存储来自寒区监测环网(23)的数据；所述数据处理器(32)将处理的数据结果输入数据存储器(31)中，数据处理器(32)负责调取数据存储器(31)中的数据，并计算路基冻土层的实时未冻结率，计算结果于人机交互平台(33)上动态显示，以便工作人员通过人机交互平台(33)所显示结果做出预警判断。
2.根据权利要求1所述的一种寒区路基未冻水实时监测系统，其特征在于：所述设在核磁共振传感器(12)外围的多个冻土温度传感器(11)为2-4个。
3.根据权利要求1所述的一种寒区路基未冻水实时监测系统，其特征在于：所述冻土温度传感器(11)负责探测核磁共振传感器(12)外围共振区域范围的直线距离为5cm。
4.根据权利要求1所述的一种寒区路基未冻水实时监测系统，其特征在于：所述间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器(12)沿路基坡体斜面埋设的间隔距离为0.8-1m，沿路基坡体走向埋设的间隔距离为1.5-2m。
5.一种使用权利要求1所述寒区路基未冻水实时监测系统的监测方法，其特征在于包括以下步骤：
a.工作人员通过监测管理系统(3)向路基探测系统(1)下达监测命令；
b.路基探测系统(1)接受到监测命令后开始工作，核磁共振传感器(12)现场原位测定核磁信号强度，冻土温度传感器(11)现场原位测定冻土实时温度；
c.取核磁共振传感器(12)外围共振区域内的土样，利用低场核磁共振设备测定冻土试样在0℃-40℃升温区间的核磁信号强度；
d.将冻土试样升温区间核磁信息、现场实测核磁信息及冻土温度数据上传至监测管理系统(3)中的数据存储器(31)；
e.利用数据处理器(32)调取数据存储器(31)中的数据信息，进行数据解释；
f.通过据处理器(32)将数据解释结果传输到人机交互平台(33)显示，实现对寒区路基冻土未冻结率的实时监测。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于：步骤e中，所述数据解释包括实验室数据和传感器数据，
实验室数据：
①将升温区0℃、3℃、5℃、12℃、24℃、30℃、35℃、40℃核磁信号强度峰值进行线性拟合，得到顺磁线性回归线；
②将回归线反向延长至负温区，根据回归线表达式求出负温区内的理论核磁信号强度峰值；
传感器数据：
①根据实时温度确定横轴坐标x、现场实测信号确定纵轴坐标y；过该点a(x，y)作横轴的垂线，并交回归线于一点b，该点即为同温度下回归线所示信号强度；
②将现场实测信号a点到信号强度基数的距离A与b点到信号强度基数的距离B作商，得出某一温度点下冻土的未冻结率。
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