CN113568052B - 一种滑体预制磁场快速布设系统与布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滑体预制磁场快速布设系统与布设方法，外壳呈中空设置，内设有储球室，滚轮可轴向旋转安装于外壳内，储球室底壁与滚轮相对的位置贯穿设有出球孔，滚轮与出球孔相对的位置设有槽口向上的接球槽；外壳内旋转装置驱动滚轮轴向旋转，接球槽内顶伸装置的驱动杆沿接球槽方向延伸，推动永磁体沿接球槽方向向外移动，永磁体从出球孔向下落入至接球槽内，旋转装置驱动滚轮轴向旋转，使接球槽与穿孔相对，顶伸装置推动永磁体从准备位置移至布设位置。本发明提出的技术方案的有益效果是：解决钻孔测斜监测滑坡深部位移时出现的大变形对管的破坏和测斜管‑土耦合变形问题，且在布设数量和速度上有一定程度的提高，保证了监测精度。

Description

一种滑体预制磁场快速布设系统与布设方法

技术领域

本发明涉及地质灾害监测与防治技术领域，尤其涉及一种滑体预制磁场快速布设系统与布设方法。

背景技术

现有的位移监测是滑坡监测的重要手段。其中滑坡地表位移监测方法已较为丰富，相对地，针对滑坡体深部的位移监测方法仍较少。例如，埋入式布设光纤具有分布式、高灵敏度、电绝缘性好、耐腐蚀、质轻等多项优点，但精度较低，对布设土体的稳定性要求高。同轴电缆（TDR、OTDR、BOTDR）技术利用新兴材料，扩大了布设范围，但技术可靠度低，对传播介质敏感，量程较小，且易被剪断。滑面挫剪型的拉线式位移计虽优点较多，但不耐水压，受限于设置方式和量程，以及假设模型的缺陷而敏感度不高。此外，广受认可的测斜技术精度高、可靠度好，但其存在测斜管-土耦合变形问题，不能适应滑坡大位移变形监测而具有一定的局限性。基于此，三峡大学提出了基于钻孔的磁定位方法实现地下位移的监测方式，但缺乏对滑体变形后地下空间对磁探测器供电环境改变的考虑，且在布设过程中不能保证精度，布设沿空间分布不均，具有一定的局限性。基于此，中国地质大学新提出一种预制磁场的布设方法中，其精度较高，能有效解决测斜管-土耦合变形问题，但布置过程中采用拉线式布设，速度较慢，耗时长，实际工程应用中人工成本较高。另一专利中，磁性小球的数量有限，不能及时在布设过程中增加，且通过螺纹管压入，所需时间长。

基于此，本发明针对滑坡深部变形的大位移特征以及传统磁定位监测装置效率低、布设慢、磁球数量不可增加的缺陷，提出一种滑体预制磁场快速布设系统与方法，对滑坡中长期预测预报具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种滑体预制磁场快速布设系统与布设方法。

本发明的实施例提供一种滑体预制磁场快速布设系统与布设方法，包括牵引机构和可被放入钻孔内的布设探头，所述布设探头具有沿上下向的活动行程，所述牵引机构与所述布设探头连接，用以牵引所述布设探头沿上下向活动；

其中，所述布设探头包括外壳、滚轮、导球管、旋转装置和顶伸装置；所述外壳呈中空设置，内设有储球室，所述储球室内用于存储永磁体，所述滚轮的轮轴呈水平向延伸，所述滚轮可轴向旋转安装于所述外壳内，且位于所述储球室下方，所述外壳侧壁与所述滚轮相对的位置贯设有穿孔，所述储球室底壁与所述滚轮相对的位置贯穿设有出球孔，所述滚轮与所述出球孔相对的位置设有槽口向上的接球槽；

所述导球管上端与所述出球孔连接，下端与所述滚轮外侧壁相抵，所述外壳内固定有旋转装置，所述旋转装置驱动所述滚轮轴向旋转后，所述接球槽与所述导球管下端相对，以使所述永磁体落入至所述接球槽内，所述接球槽内固定有顶伸装置，所述顶伸装置的驱动杆沿所述接球槽方向延伸，推动所述永磁体沿所述接球槽方向向外移动；

所述永磁体具有位于所述接球槽内的准备位置和从所述穿孔穿过并定位于钻孔孔壁内的布设位置，所述永磁体从所述出球孔向下落入至所述接球槽内，所述旋转装置驱动所述滚轮轴向旋转，使所述接球槽与所述穿孔相对，所述顶伸装置推动所述永磁体从所述准备位置移至所述布设位置。

进一步地，所述顶伸装置的驱动杆靠近所述永磁体的一端固定有电磁继电器，所述电磁继电器用于通电时吸附所述永磁体。

进一步地，所述滚轮设有多个，沿所述外壳周向均匀间隔设置，每一所述滚轮对应有一所述储球室，各所述储球室之间呈相互独立设置。

进一步地，所述滚轮外侧壁设有齿槽，相对的两个所述滚轮位于同一高度且相啮合。

进一步地，所述滚轮外侧壁部分位于所述外壳外，用于与钻孔内壁接触。

进一步地，所述接球槽沿所述滚轮径向延伸。

进一步地，还包括控制系统，所述控制系统通过控制线缆连接所述顶伸装置、所述旋转装置。

本发明的实施例还提供一种布设方法，使用如上所述的滑体预制磁场快速布设系统，包括以下步骤：

S1利用牵引机构将布设探头下放至钻孔内；

S2储球室内的永磁体从出球孔落入至接球槽内，旋转装置驱动滚轮旋转，使滚轮上的接球槽与外壳上的穿孔相对，顶伸装置的驱动杆伸长，并推动所述永磁体从所述准备位置移至所述布设位置；

S3顶伸装置的驱动杆回缩，永磁体留在钻孔周围岩土体内，根据实际需要布设间距，设定布设探头的工作周期，重复步骤S2-S3，将各位置监测永磁体编号，组成单孔节点监测系统。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将多个永磁体布设于钻孔周围岩土体中，滑动式磁探测装置可顺利测得测斜管外随滑体一同运动的永磁体的空间位移状态，避免了滑坡体大变形下测斜管管-土耦合带来的变形协调问题，考虑实际滑坡深部的变形特征，避免了忽略测斜管底部的变形的问题，精度相对于传统的测斜测量方式，更接近实际滑体的位移情况，不受滑体大变形的干扰，可以较好的持续性的获得滑坡地下位移监测数据。

滑体预制磁场快速布设系统所需布设时间相较于牵引绳式布设，时间更短，速度更快，布置永磁球体依靠重力自由下落，且数量不易受限，操作简单，结构简单、设计合理。布设探头中的多个滚轮可同时工作，也可调整控制为仅部分滚轮工作，调整顶伸装置的工作频率，从而调整永磁体布设间距。布设探头采用滚轮式，且单组滚轮相互接触，故爬升速度恒定，确保了永磁体布设的均质性。布设探头自身重量相对较大，且滚轮轮周有小齿槽可增加相对摩擦力，避免上升过程中出现打滑现象，保持工作时的稳定。滑体预制磁场快速布设系统为自动化布设系统，省时省力，经济高效，精度更好，方便推广。

附图说明

图1是本发明提供的滑体预制磁场快速布设系统一实施例的结构示意图；

图2是图1中布设探头的内部结构示意图；

图3是图1中布设探头另一视角的内部结构示意图；

图4是图1中顶伸装置和永磁铁的结构示意图；

图5是利用滑体预制磁场快速布设系统的监测原理示意图；

图6是本发明提供的布设方法一实施例的流程示意图。

图中：1-电源、2-牵引机构、3-控制系统、4-电源线、5-集成电缆、6-数据接收处理系统、7-轮式布设探头、8-外壳、8a-外壳本体、8b-壳盖、8c-穿孔、9-横隔板、9a-分隔板、9b-出球孔、10-单片机、11-永磁体、12-导球管、13-滚轮、13a-接球槽、14-顶伸装置、15-旋转装置、16-固定支架、17-配重体、18-滑体、19-滑面、20-基岩、21-钻孔、22-测斜管、23-滑动式磁探测仪、24-驱动杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参见图1至图5，本发明的实施例提供一种滑体预制磁场快速布设系统，包括电源1、牵引机构2、控制系统3和可被放入钻孔21内的布设探头7，所述布设探头7具有沿上下向的活动行程，所述牵引机构2与所述布设探头7连接，用以牵引所述布设探头7沿上下向活动。

电源1通过电源线4与所有用电装置电连接，为整个系统的工作提供动力保障。牵引机构2具体为电动卷扬机，电源1、牵引机构2和控制系统3在布设永磁体11时设置于钻孔21口附近地面。

牵引机构2通过集成电缆5牵引布设探头7，集成电缆5内包括牵引绳，通信线缆和控制线缆（顶伸装置控制线缆，旋转装置控制线缆），电动卷扬机卷筒工作升降集成电缆5从而升降布设探头7，控制系统3通过通信线缆、控制线缆连接布设探头7。

请参见图2和图3，所述布设探头7包括外壳8、滚轮13、旋转装置15和顶伸装置14。

所述外壳8呈中空设置，内设有储球室，所述储球室内用于存储永磁体11。其他实施例中，所述外壳8顶部可开设有与储球室连通的进球孔，进球孔处可拆卸有盖板，可通过进球孔向储球室内添加永磁体11。本实施例中，所述外壳8包括外壳本体8a和壳盖8b，所述外壳本体8a呈开口向上设置，外壳本体8a底部可呈镂空设置也可封底设置，在此不做限定，所述壳盖8b可拆卸安装于所述外壳本体8a上，所述外壳本体8a内固定有横隔板9，横隔板9可拆卸安装，所述横隔板9与所述壳盖8b之间形成所述储球室，制作简便，便于向储球室内添加永磁体11。具体的，壳盖8b和横隔板9通过卡扣的形式安装于外壳本体8a上。进一步的，所述横隔板9顶部固定有多个分隔板9a，所述分隔板9a用于将所述横隔板9和所述壳盖8b之间的空间在所述外壳本体8a周向上分割为多个相互独立的储球室。横隔板9中部和壳盖8b设有供集成电缆5穿过的让位孔，分隔板9a位于集成电缆5周向。

所述滚轮13的轮轴呈水平向延伸，所述滚轮13可轴向旋转安装于所述外壳8内，且位于所述储球室下方。具体的，滚轮13通过固定支架16固定于外壳8内，固定支架16呈倒U形设置，顶部固定于所述横隔板9上，滚轮13通过转轴安装于固定支架16下端，集成电缆5位于外壳8内的部分与固定支架16固定。本实施例中，所述滚轮13设有多个，沿所述外壳8周向均匀间隔设置，每一所述滚轮13对应有一所述储球室，各所述储球室之间呈相互独立设置，避免相互干扰。

所述外壳8侧壁与所述滚轮13相对的位置贯设有穿孔8c，所述储球室底壁（本实施例中为横隔板9）与所述滚轮13相对的位置贯穿设有出球孔9b，出球孔9b呈平滑的漏斗型，永磁体11可在重力的作用下自由下落。所述滚轮13与所述出球孔9b相对的位置设有槽口向上的接球槽13a，接球槽13a的直径略大于永磁体11的直径，永磁体11从所述出球孔9b向下落入至所述接球槽13a内。所述外壳8内固定有旋转装置15，所述旋转装置15驱动所述滚轮13轴向旋转，控制系统3通过旋转装置控制线缆连接旋转装置15，本实施例中，旋转装置15为驱动电机，滚轮13中心安装于驱动电机的旋转轴上。

所述储球槽内设有多个所述永磁体11，一个永磁体11落入至接球槽13a内后，为了避免其他永磁体11落入至壳体内，所述旋转装置15驱动所述滚轮13旋转后，所述滚轮13外侧壁可封堵所述永磁体11从所述储球室内落下。

所述接球槽13a内固定有顶伸装置14，所述顶伸装置14的驱动杆24沿所述接球槽13a方向延伸，推动所述永磁体11沿所述接球槽13a方向向外移动，控制系统3通过顶伸装置控制线缆连接顶伸装置14。本实施例中，所述接球槽13a沿所述滚轮13径向延伸，滚轮13转动90°，即可使接球槽13a与穿孔8c相对。所述永磁体11具有位于所述接球槽13a内的准备位置和从所述穿孔8c穿过并定位于钻孔21孔壁内的布设位置，所述永磁体11从所述出球孔9b向下落入至所述接球槽13a内，所述旋转装置15驱动所述滚轮13轴向旋转，使所述接球槽13a与所述穿孔8c相对，所述顶伸装置14推动所述永磁体11从所述准备位置移至所述布设位置。

本实施例中，所述顶伸装置14为伺服电动缸，伺服电动缸的驱动杆24可伸出外壳8外的长度为永磁体11直径的3倍以上。所述顶伸装置14的驱动杆24靠近所述永磁体11的一端固定有电磁继电器，所述电磁继电器与电源1、控制系统3电连接，用于通电时吸附所述永磁体11。

所述滚轮13外侧壁部分位于所述外壳8外，用于与钻孔21内壁接触，永磁体11被推出接球槽13a外后直接被顶入至钻孔21内壁，可避免永磁体11掉落，同时保证布设探头7在钻孔21内平稳的上升。

所述壳体内设有配重体17，使布设探头7工作时保持垂直状态，壳体底部呈封盖设置时，配重体17可设于壳体底部，壳体底部呈镂空设置时，可通过壳体自身重量进行配重，滚轮13与钻孔21内壁接触带进的岩屑可通过壳体底部排出。

所述滚轮13外侧壁设有齿槽，相对的两个所述滚轮13位于同一高度，且相啮合，因此滚轮13在上下向设在不同高度。旋转装置15驱动滚轮13旋转时，位于同一高度的两个滚轮13相啮合，可增大滚轮13与钻孔21内壁之间的摩擦力，保持滚轮13旋转的稳定和布设探头7的稳定。

本实施例中，滚轮13设有四个，在上下向各设有两个，导球管12上端与所述出球孔9b连接，下端与所述滚轮13外侧壁相抵，所述旋转装置15驱动所述滚轮13旋转后，所述接球槽13a与所述导球管12下端相对，以使所述永磁体11落入至所述接球槽13a内，导球管12为永磁体11起到导向作用，使永磁体11准确落入至接球槽13a内。接球槽13a正对于出球孔9b下方时，导球管12可在重力作用下下端与接球槽13a相对，接球槽13a与出球孔9b错开时，导球管12可通过支架固定，使导球管12下端与接球槽13a相对，导球管12可以为刚性也可以为柔性。

本发明的实施例还提供了一种布设方法，使用上述滑体预制磁场快速布设系统，且包括以下步骤：

S1对拟监测的滑坡段，从滑坡地表向下钻孔至滑床位置，钻孔深入基岩20以下0.5-1m。

S2利用牵引机构2将布设探头7下放至钻孔21内，具体的，电动卷扬机工作，通过控制系统3控制电动卷扬机下放布设探头7至滑带位置，旋转装置15控制滚轮13旋转的转速与布设探头7下放速度相匹配，具体的，控制系统3控制驱动电机转速与电动卷扬机的下放速度相匹配。

S3控制系统3控制电磁继电器通电，储球室内的永磁体11从出球孔9b落入至接球槽13a内，电磁继电器将永磁体11吸附住，控制系统3控制旋转装置15驱动滚轮13旋转，使滚轮13上的接球槽13a与外壳8上的穿孔8c相对，本实施例中滚轮13旋转1/4圈，控制系统3控制顶伸装置14的驱动杆24伸长，并将永磁体11推入钻孔21周围岩土体内；控制系统3控制电磁继电器断电，使电磁铁失去磁性后，控制系统3控制顶伸装置14的驱动杆24回缩，永磁体11留在钻孔21周围岩土体内。根据实际需要布设间距，设定布设探头7的工作周期，即每隔相对于初始位置的n个滚轮13的1/4周长布设永磁体11（n为滚轮13向上爬升的圈数，n≥1），重复步骤S2-S3，将各位置监测永磁体11编号，组成了一个单孔节点监测系统。

S4布设完毕后，撤去布设探头7，在钻孔21内安设测斜管22，并在所述测斜管22外围回填与周围岩土体相似材料，在所述测斜管22内下放滑动式磁探测仪23，所述滑动式磁探测仪23通过通信线缆连接钻孔21外的数据接收处理系统6，所述滑动式磁探测仪23探测到监测点处永磁体11的磁信号，数据接收处理系统6的数据处理器将磁信号转化为数字信号，数据接收处理系统6的信号发射器再将数字信号传输运算终端，所述运算终端通过磁定位算法计算出每一所述磁性球体的空间位置，以及根据磁性球体的空间位置的变化确定其代表的监测点空间状态的改变，可依据此对滑坡状态进行评估。

本发明提供的技术方案，通过将多个永磁体11布设于钻孔21周围岩土体中，滑动式磁探测仪23可顺利测得测斜管22外随滑体18一同运动的永磁体11的空间位移状态，避免了滑坡体大变形下测斜管-土耦合带来的变形协调问题，考虑实际滑坡深部的变形特征，避免了忽略测斜管22底部的变形的问题，精度相对于传统的测斜测量方式，更接近实际滑体18的位移情况，不受滑体18大变形的干扰，可以较好的持续性的获得滑坡地下位移监测数据。

滑体预制磁场快速布设系统所需布设时间相较于牵引绳式布设，时间更短，速度更快，布置永磁球体依靠重力自由下落，且数量不易受限，操作简单，结构简单、设计合理。布设探头7中的多个滚轮13可同时工作，也可调整控制为仅部分滚轮13工作，调整顶伸装置14的工作频率，从而调整永磁体11布设间距。布设探头7采用滚轮式，且单组滚轮13相互接触，故爬升速度恒定，确保了永磁体11布设的均质性。布设探头7自身重量相对较大，且滚轮13轮周有小齿槽可增加相对摩擦力，避免上升过程中出现打滑现象，保持工作时的稳定。滑体预制磁场快速布设系统为自动化布设系统，省时省力，经济高效，精度更好，方便推广。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，包括牵引机构和可被放入钻孔内的布设探头，所述布设探头具有沿上下向的活动行程，所述牵引机构与所述布设探头连接，用以牵引所述布设探头沿上下向活动；

其中，所述布设探头包括外壳、滚轮、导球管、旋转装置和顶伸装置；所述外壳呈中空设置，内设有储球室，所述储球室内用于存储永磁体，所述滚轮的轮轴呈水平向延伸，所述滚轮可轴向旋转安装于所述外壳内，且位于所述储球室下方，所述外壳侧壁与所述滚轮相对的位置贯设有穿孔，所述储球室底壁与所述滚轮相对的位置贯穿设有出球孔，所述滚轮与所述出球孔相对的位置设有槽口向上的接球槽；

所述导球管上端与所述出球孔连接，下端与所述滚轮外侧壁相抵，所述外壳内固定有旋转装置，所述旋转装置驱动所述滚轮轴向旋转后，所述接球槽与所述导球管下端相对，以使所述永磁体落入至所述接球槽内，所述接球槽内固定有顶伸装置，所述顶伸装置的驱动杆沿所述接球槽方向延伸，推动所述永磁体沿所述接球槽方向向外移动；

所述永磁体具有位于所述接球槽内的准备位置和从所述穿孔穿过并定位于钻孔孔壁内的布设位置，所述永磁体从所述出球孔向下落入至所述接球槽内，所述旋转装置驱动所述滚轮轴向旋转，使所述接球槽与所述穿孔相对，所述顶伸装置推动所述永磁体从所述准备位置移至所述布设位置。

2.如权利要求1所述的滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，所述顶伸装置的驱动杆靠近所述永磁体的一端固定有电磁继电器，所述电磁继电器用于通电时吸附所述永磁体。

3.如权利要求1所述的滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，所述滚轮设有多个，沿所述外壳周向均匀间隔设置，每一所述滚轮对应有一所述储球室，各所述储球室之间呈相互独立设置。

4.如权利要求3所述的滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，所述滚轮外侧壁设有齿槽，相对的两个所述滚轮位于同一高度且相啮合。

5.如权利要求4所述的滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，所述滚轮外侧壁部分位于所述外壳外，用于与钻孔内壁接触。

6.如权利要求1所述的滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，所述接球槽沿所述滚轮径向延伸。

7.如权利要求1所述的滑体预制磁场快速布设系统，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统通过控制线缆连接所述顶伸装置、所述旋转装置。

8.一种布设方法，其特征在于，使用如权利要求1至7任一项所述的滑体预制磁场快速布设系统，包括以下步骤：

S1利用牵引机构将布设探头下放至钻孔内；

S2储球室内的永磁体从出球孔落入至接球槽内，旋转装置驱动滚轮旋转，使滚轮上的接球槽与外壳上的穿孔相对，顶伸装置的驱动杆伸长，并推动所述永磁体从所述准备位置移至所述布设位置；

S3顶伸装置的驱动杆回缩，永磁体留在钻孔周围岩土体内，根据实际需要布设间距，设定布设探头的工作周期，重复步骤S2-S3，将各位置监测永磁体编号，组成单孔节点监测系统。

Images