CN113739861B - 一种边坡土体三维变形监测装置及平面倾角变化识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边坡土体三维变形监测装置及平面倾角变化识别方法，其中，边坡土体三维变形监测装置包括第一整体位移监测杆、第二整体位移监测杆、两端分别与第一整体位移监测杆和第二整体位移监测杆连接的第一光纤光栅裂缝计、分层位移监测机构、土体含水率监测机构和雨量监测机构；其中，第一整体位移监测杆、第二整体位移监测杆、第一光纤光栅裂缝计、分层位移监测机构、雨量监测机构和土体含水率监测机构均包括适于串联的光纤光栅传感器。本发明实现了待监测区域的土体倾角变化、土层位移变形和土体含水率以及待监测区域范围内的雨量等监测指标的实时在线监测及土体分层同步监测；且通过采用光纤光栅传感器，降低了监测数据的处理难度与成本。

Description

一种边坡土体三维变形监测装置及平面倾角变化识别方法

技术领域

本发明涉及滑坡灾害监测技术领域，具体而言，涉及一种边坡土体三维变形监测装置及平面倾角变化识别方法。

背景技术

边坡变形造成的失稳滑塌已成为山区公路交通的一大安全隐患，而通过对各类边坡变形监测指标进行长期综合分析和处理，能够得出该坡面的边坡变形量、变形速率以及变形发展趋势，实现边坡安全的实时预警，进而避免发生重大的人员伤亡和财产损失。

但目前的用于监测各类指标的边坡变形监测装置存在以下问题：无法针对不同土层进行同时监测；无法监测边坡土体的倾角变化；不同监测指标采用的传感器监测原理不同，在传感器数量较多的情况下，后期系统集成及数据处理较为复杂。

发明内容

本发明解决的问题是：如何对不同土层进行同时监测，以及降低监测装置集成及数据处理难度。

为解决上述问题，本发明提供一种边坡土体三维变形监测装置，包括：

第一整体位移监测杆和第二整体位移监测杆，所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆适于间隔插设在待监测区域的土体中；

第一光纤光栅裂缝计，其两端分别与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆连接；

分层位移监测机构和土体含水率监测机构，所述分层位移监测机构与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆中的至少一个可拆卸连接，所述土体含水率监测机构与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆中的至少一个可拆卸连接，且所述分层位移监测机构和所述土体含水率监测机构均适于埋设在所述土体中；

雨量监测机构，其与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆中的至少一个可拆卸连接，并适于暴露在空气中；

其中，所述第一整体位移监测杆、所述第二整体位移监测杆、所述第一光纤光栅裂缝计、所述分层位移监测机构、所述雨量监测机构和所述土体含水率监测机构均包括适于串联的光纤光栅传感器。

可选地，所述边坡土体三维变形监测装置还包括第三整体位移监测杆和第二光纤光栅裂缝计，所述第三整体位移监测杆适于插设在所述土体中并与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆间隔设置，所述第二光纤光栅裂缝计的两端分别与所述第一整体位移监测杆和所述第三整体位移监测杆连接；所述第三整体位移监测杆和所述第二光纤光栅裂缝计均包括所述光纤光栅传感器。

可选地，所述雨量监测机构还包括第一监测桶，所述第一监测桶适于与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆中的至少一个可拆卸连接；所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述第一监测桶内的第一感应膜片和第一变形监测光纤光栅，所述第一变形监测光纤光栅适于设置在所述第一感应膜片上并监测所述第一感应膜片形变。

可选地，所述第一监测桶内部由所述第一感应膜片分隔为盛水腔和第一密封腔，所述第一变形监测光纤光栅适于设置在所述第一感应膜片朝向所述第一密封腔的一侧；所述雨量监测机构还包括控制阀，所述第一监测桶的侧壁上设有连通所述盛水腔的出水口，所述控制阀适于设置在所述出水口处并控制所述出水口开关。

可选地，所述光纤光栅传感器还包括适于设置在所述第一密封腔内的第一温度补偿光纤光栅，且所述第一温度补偿光纤光栅适于与所述第一变形监测光纤光栅串联。

可选地，所述土体含水率监测机构还包括第二监测桶，所述第二监测桶适于与所述第一整体位移监测杆和所述第二整体位移监测杆中的至少一个可拆卸连接；所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述第二监测桶内的第二感应膜片和第二变形监测光纤光栅，所述第二变形监测光纤光栅适于设置在所述第二感应膜片上并监测所述第二感应膜片形变。

可选地，所述第二监测桶内部由所述第二感应膜片分隔为盛土腔和第二密封腔，所述第二变形监测光纤光栅适于设置在所述第二感应膜片朝向所述第二密封腔的一侧。

可选地，所述第一整体位移监测杆、所述第二整体位移监测杆和所述第三整体位移监测杆均还包括支撑杆和设置在所述支撑杆上并沿所述支撑杆长度方向间隔设置的两个第一受力部，所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述支撑杆内的第一受力片和适于设置在所述第一受力片上的第三变形监测光纤光栅，且所述第一受力片的两端分别连接两个所述第一受力部。

可选地，所述第一整体位移监测杆、所述第二整体位移监测杆和所述第三整体位移监测杆上均设有所述分层位移监测机构；所述分层位移监测机构还包括监测管和分别设置在所述监测管两端的预紧部与第二受力部，所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述监测管内的第二受力片和适于设置在所述第二受力片上的第四变形监测光纤光栅，且所述第二受力片的两端分别连接所述预紧部与所述第二受力部。

为解决上述问题，本发明还提供一种边坡土体平面倾角变化识别方法，采用如上所述的边坡土体三维变形监测装置，包括：

当所述边坡土体三维变形监测装置在待监测区域的土体处安装完成时，获取所述边坡土体三维变形监测装置的第一光纤光栅裂缝计与第一整体位移监测杆的安装夹角角度以及所述第一光纤光栅裂缝计的安装长度；

获取当前所述第一光纤光栅裂缝计的形变量以及所述第一光纤光栅裂缝计两端的相对竖直位移量；

根据所述安装夹角角度、所述安装长度、所述形变量和所述相对位移量，确定所述土体的倾角变化值。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：通过设置边坡土体三维变形监测装置，同时实现了待监测区域的土体倾角变化、土层位移变形和土体含水率以及待监测区域范围内的雨量等多个监测指标的实时在线监测，实现了待监测区域土体的三维变形监测；且多个监测指标相互对照，可有效避免误判、降低误警率，提升待监测区域土体变形监测的可靠性。通过设置第一整体位移监测杆和第二整体位移监测杆，以作为第一光纤光栅裂缝计、分层位移监测机构、雨量监测机构和土体含水率监测机构等的载体，降低了边坡土体三维变形监测装置的集成难度及其在待监测区域土体中的安装难度。其中，通过设置第一光纤光栅裂缝计，实现了待监测区域土体的倾角变化监测。通过设置第一整体位移监测杆、第二整体位移监测杆和所需数量的分层位移监测机构监测土层位移，实现了分层土体位移的对照监测及同步监测。通过设置所需数量的土体含水率监测机构，实现了分层土体含水率的同步监测。通过统一采用适于串联的光纤光栅传感器来协同监测边坡变形动态的多种类监测指标，使得各光纤光栅传感器适于分布式布设以及统一解调和分析，且提升了监测数据的准确性与可靠性，降低了监测数据的处理难度与成本。

附图说明

图1为本发明实施例中边坡土体三维变形监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中边坡土体三维变形监测装置另一视角的结构示意图；

图3为本发明实施例中边坡土体三维变形监测装置又一视角的结构示意图；

图4为本发明实施例中边坡土体三维变形监测装置的部分结构示意图；

图5为本发明实施例中第一整体位移监测杆的结构示意图；

图6中（a）和（b）分别为本发明实施例中步骤100和步骤200对应的边坡土体三维变形监测装置的部分结构示意图；

图7为本发明实施例中边坡土体平面倾角变化识别方法的流程图。

附图标记说明：

1-第一整体位移监测杆，11-支撑杆，12-第一受力部，13-第一受力片；2-分层位移监测机构，21-监测管，22-预紧部，23-第二受力部；3-雨量监测机构，31-第一监测桶，311-盛水腔，312-第一密封腔，313-出水口，32-第一感应膜片，33-第一变形监测光纤光栅，34-第一温度补偿光纤光栅，35-控制阀；4-土体含水率监测机构，41-第二监测桶，411-盛土腔，412-第二密封腔，42-第二感应膜片，43-第二变形监测光纤光栅，44-第二温度补偿光纤光栅；5-第二整体位移监测杆；6-第三整体位移监测杆；7-第一光纤光栅裂缝计；8-第二光纤光栅裂缝计。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本文提供的Z坐标轴中，Z轴的正向代表上方，Z轴的反向代表下方。同时，要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

结合图1-图3所示，本发明实施例提供一种边坡土体三维变形监测装置，包括：

第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5，第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5适于间隔插设在待监测区域的土体中；

第一光纤光栅裂缝计7，其两端分别与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5连接；

分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4，分层位移监测机构2与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个可拆卸连接，土体含水率监测机构4与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个可拆卸连接，且分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4均适于埋设在土体中；

雨量监测机构3，其与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个可拆卸连接，并适于暴露在空气中；

其中，第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5、第一光纤光栅裂缝计7、分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4均包括适于串联的光纤光栅传感器。

本实施例中，边坡土体三维变形监测装置用于设置在边坡等待监测区域处，以监测边坡变形动态得到边坡变形动态监测结果，从而根据边坡变形动态监测结果对边坡进行破坏分析、监控和安全预警等，一方面，对不宜处理或危险性较大的滑坡，监测其变形动态，及时预警，以预防边坡失稳滑塌等灾害发生；另一方面，对于加固处理中以及处理完的边坡，监测变形动态能够为施工提供可靠的资料，保障施工安全。具体地，第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5间隔插设在待监测区域的土体中，用于监测待监测区域土层的位移或沉降。第一光纤光栅裂缝计7设置在位于第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5之间的待监测区域土体表层或土体中，且其两端分别与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5连接，用于监测待监测区域土体的变形动态，例如通过监测第一光纤光栅裂缝计7的长度变化、第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5的夹角变化来反映待监测区域土体的倾角（即倾斜角度）变化等变形动态。

分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4设置在第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个上，即第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个可作为分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4等的载体，以降低边坡土体三维变形监测装置的集成难度，提升边坡土体三维变形监测装置整体结构的稳定性及安装效率，同时降低边坡土体三维变形监测装置在待监测区域土体中的安装难度。而且，分层位移监测机构2可拆卸连接在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上，以提升分层位移监测机构2在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上拆装的便捷性，从而便于根据需求对设置在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上的分层位移监测机构2的数量进行调整；通过设置所需数量的分层位移监测机构2，实现对单层或多层土体的位移或沉降的同步监测。且通过对照第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和相应分层位移监测机构2的监测数据，可根据总体位移等于各分层位移之和的思路，实现分层土体（即不同深度的土壤或土层）位移的对照监测，以及互相验证监测数据的准确性；且通过结合第一光纤光栅裂缝计7测得的土体倾角变化与第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和分层位移监测机构2测得的分层土体位移，实现了待监测区域土体在第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5设置方向上和第一光纤光栅裂缝计7设置方向上的三维变形监测，能够更为全面地反映待监测区域的变形动态。土体含水率监测机构4可拆卸连接在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上，以提升土体含水率监测机构4在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上拆装的便捷性，从而便于根据需求对设置在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上的分层位移监测机构2的数量进行调整；通过设置所需数量的土体含水率监测机构4，实现对单层或多层土体的含水率的同步监测，反映各土层的含水率及含水率变化。分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4适于随大部分第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）埋设在土中，雨量监测机构3则设置在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）顶端处并暴露在空气中，以用于监测雨量；且雨量监测机构3与第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）可拆卸连接，以提升雨量监测机构3在第一整体位移监测杆1（第二整体位移监测杆5）上拆装的便捷性。

边坡土体三维变形监测装置的第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5、第一光纤光栅裂缝计7、分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4均采用适于串联的光纤光栅传感器，即第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5的第三变形监测光纤光栅、第一光纤光栅裂缝计7的第五变形监测光纤光栅、分层位移监测机构2的第四变形监测光纤光栅、雨量监测机构3的第一变形监测光纤光栅33和土体含水率监测机构4的第二变形监测光纤光栅43以及相应的温度补偿光纤光栅（后文介绍）适于通过光纤、光缆串联，以监测相应数据并一并接入相应光纤光栅解调仪等接收监测机构进行统一解调和分析，得到相应监测数据；且通过统一采用相应光纤光栅传感器来监测边坡变形动态，以发挥光纤光栅传感器精度高、集成简单、抗电磁干扰、信号带宽大、灵敏度高、易于复用、重量轻、适于在高温、腐蚀性的危险环境中使用等优势，实现多种类监测指标的协同融合监测以及监测数据的统一解调和分析，降低了监测数据的处理难度与成本。

这样，通过设置边坡土体三维变形监测装置，同时实现了待监测区域的土体倾角变化、土层位移变形和土体含水率以及待监测区域范围内的雨量等多个监测指标的实时在线监测，实现了待监测区域土体的三维变形监测；且多个监测指标相互对照，可有效避免误判、降低误警率，提升待监测区域土体变形监测的可靠性。通过设置第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5，以作为第一光纤光栅裂缝计7、分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4等的载体，降低了边坡土体三维变形监测装置的集成难度及其在待监测区域土体中的安装难度。其中，通过设置第一光纤光栅裂缝计7，实现了待监测区域土体的倾角变化监测。通过设置第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和所需数量的分层位移监测机构2监测土层位移，实现了分层土体位移的对照监测及同步监测。通过设置所需数量的土体含水率监测机构4，实现了分层土体含水率的同步监测。通过统一采用适于串联的光纤光栅传感器来协同监测边坡变形动态的多种类监测指标，使得各光纤光栅传感器适于分布式布设以及统一解调和分析，且提升了监测数据的准确性与可靠性，降低了监测数据的处理难度与成本。

可选地，边坡土体三维变形监测装置还包括第三整体位移监测杆6和第二光纤光栅裂缝计8，第三整体位移监测杆6适于插设在土体中并与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5间隔设置，第二光纤光栅裂缝计8的两端分别与第一整体位移监测杆1和第三整体位移监测杆6连接；第三整体位移监测杆6和第二光纤光栅裂缝计8均包括光纤光栅传感器。

本实施例中，第三整体位移监测杆6用于监测待监测区域土层的位移或沉降，以及用于与相应分层位移监测机构2的监测数据对照以互相验证监测数据的准确性。第二光纤光栅裂缝计8设置在第一整体位移监测杆1和第三整体位移监测杆6之间的待监测区域土体表层或土体中，用于监测待监测区域土体的变形动态，例如通过监测第二光纤光栅裂缝计8的长度变化、第二光纤光栅裂缝计8与第一整体位移监测杆1和第三整体位移监测杆6的夹角变化来反映待监测区域土体的倾角变化等变形动态。如此，通过设置第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8，实现沿第一光纤光栅裂缝计7设置方向和沿第二光纤光栅裂缝计8设置方向两个方向上的土体的倾角变化监测，从而实现待监测区域土体平面上的倾角变化监测，能够更为全面地反映待监测区域土体的变形动态。而且，第三整体位移监测杆6和第二光纤光栅裂缝计8均包括适于通过光纤、光缆串联的光纤光栅传感器，以实现多种类监测指标的协同融合监测以及监测数据的统一解调和分析，降低监测数据的处理难度与成本。值得说明的是，边坡土体三维变形监测装置在待监测区域安装时，对第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8的夹角不作具体限制，第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8的夹角可根据待监测区域的实际情况进行设置；例如，在一些实施例中，第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8以夹角为直角设置在待监测区域。

可选地，第三整体位移监测杆6同样可作为分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4等的载体，即分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4等设置在第三整体位移监测杆6上。

可选地，第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8均包括第五受力片和设置在第五受力片上的第五变形监测光纤光栅，第五变形监测光纤光栅通过感受第五受力片的变形量，得到第一光纤光栅裂缝计7（第二光纤光栅裂缝计8）的形变量，以用于确定土体的倾角变化。具体地，通过实验室进行受力拉伸和光纤光栅变化量的标定试验，拟合光纤光栅波长与第一光纤光栅裂缝计7（第二光纤光栅裂缝计8）形变量的关系，以根据光纤光栅波长的变化确定第一光纤光栅裂缝计7（第二光纤光栅裂缝计8）的形变量。

可选地，第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8的长度可调节，便于边坡土体三维变形监测装置根据在待监测区域的实际情况进行安装。在一些实施例中，第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8的长度最大可达2m，也就是说，具有第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8的边坡土体三维变形监测装置可实现2m*2m的区域监测。

可选地，第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6、第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8均可以是设置一个或多个，以便于边坡土体三维变形监测装置根据在待监测区域的实际情况进行安装。

可选地，结合图1、图2和图4所示，分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4均设有多个，多个分层位移监测机构2设置在第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和第三整体位移监测杆6中的至少一个上。且设置在同一整体位移监测杆（第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5或第三整体位移监测杆6）上的多个分层位移监测机构2沿该整体位移监测杆的长度方向间隔设置，以同步监测分层土体的位移或沉降。设置在同一整体位移监测杆上的多个土体含水率监测机构4沿该整体位移监测杆的长度方向间隔设置，以同步监测分层土体的含水率。对于设置在同一整体位移监测杆上的分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4，优选分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4分别设置在该整体位移监测杆相对的两侧，以避免分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4相互干涉而增加边坡变形监测的多功能监测装置在待监测区域的安装难度。另外，边坡土体三维变形监测装置在待监测区域进行安装时，根据待监测区域土体层数以及土体厚度选取合适数量的分层位移监测机构2和土体含水率监测机构4安装在相应整体位移监测杆（第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5或第三整体位移监测杆6）上。

可选地，结合图1-图4所示，雨量监测机构3还包括第一监测桶31，第一监测桶31适于与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个可拆卸连接；光纤光栅传感器包括适于设置在第一监测桶31内的第一感应膜片32和第一变形监测光纤光栅33，第一变形监测光纤光栅33适于设置在第一感应膜片32上并监测第一感应膜片32形变。

本实施例中，第一监测桶31呈顶端开口的桶状结构，以便于收集雨水用于相应光纤光栅传感器进行雨量监测。第一监测桶31与第一整体位移监测杆1（或第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6）可拆卸连接（例如卡接），以提升第一监测桶31在第一整体位移监测杆1（或第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6）上拆装的便捷性，提升边坡变形监测的多功能监测装置运输、拆装及后期维护的便捷性。雨量监测机构3的光纤光栅传感器包括适于设置在第一监测桶31内的第一感应膜片32和第一变形监测光纤光栅33，在第一感应膜片32因第一监测桶31内收集的雨水变形时，第一变形监测光纤光栅33感受第一感应膜片32的变形量，实现雨量的转换。具体地，通过实验室标定雨量（水量）与光纤光栅波长的变化关系后，即可根据光纤光栅波长的变化确定雨量（水量）。

可选地，由于厚度较大的第一感应膜片32在同样力作用下变形较小，使得第一变形监测光纤光栅33测量值较小；而厚度较小的第一感应膜片32在同样力作用下变形较大，使得第一变形监测光纤光栅33测量值较大。因此，第一感应膜片32可通过改变厚度来实现量程的改变，厚度较大的第一感应膜片32对应的光纤光栅传感器的量程大，灵敏度低；厚度较小的第一感应膜片32对应的光纤光栅传感器的量程小，灵敏度高。

可选地，结合图4所示，第一监测桶31内部由第一感应膜片32分隔为盛水腔311和第一密封腔312，第一变形监测光纤光栅33适于设置在第一感应膜片32朝向第一密封腔312的一侧；雨量监测机构3还包括控制阀35，第一监测桶31的侧壁上设有连通盛水腔311的出水口313，控制阀35适于设置在出水口313处并控制出水口313开关。

本实施例中，第一变形监测光纤光栅33设置在第一感应膜片32下端（即第一感应膜片32位于图4中Z轴反向的一端），且第一感应膜片32与第一监测桶31内壁密封连接，以避免雨水漏至第一密封腔312干涉到第一变形监测光纤光栅33的监测。出水口313设置在第一监测桶31的侧壁上，并位于第一感应膜片32上方，用于盛水腔311排水；控制阀35设置在出水口313处并用于控制出水口313的开关，以根据需要开关出水口313，例如在雨水量达到一定程度（即为某一厚度感应膜片下光纤光栅传感器的最大量程）时自动打开出水口313，其中，可通过例如红外感应等方式监测盛水腔311水位以判断是否需要打开出水口313。

可选地，结合图4所示，光纤光栅传感器还包括适于设置在第一密封腔312内的第一温度补偿光纤光栅34，且第一温度补偿光纤光栅34适于与第一变形监测光纤光栅33串联。

本实施例中，由于第一温度补偿光纤光栅34同时受到温度与外界压力（雨量）等的作用，光栅波长的改变量=温度影响+外界压力影响，因此在第一密封腔312内设置一个第一温度补偿光纤光栅34与第一变形监测光纤光栅33串联，以根据第一温度补偿光纤光栅34监测第一密封腔312内温度，从而根据第一温度补偿光纤光栅34与第一变形监测光纤光栅33的监测数据计算雨量，抵消温度对第一变形监测光纤光栅33的光纤光栅波长造成的影响。具体地，在第一密封腔312内的不受力位置设置与第一变形监测光纤光栅33串联的第一温度补偿光纤光栅34，避免第一温度补偿光纤光栅34变形而影响温度监测。

可选地，结合图4所示，土体含水率监测机构4还包括第二监测桶41，第二监测桶41适于与第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5中的至少一个可拆卸连接；光纤光栅传感器包括适于设置在第二监测桶41内的第二感应膜片42和第二变形监测光纤光栅43，第二变形监测光纤光栅43适于设置在第二感应膜片42上并监测第二感应膜片42形变。

本实施例中，第二监测桶41呈顶端开口的桶状结构，以便于盛放土体进行监测。第二监测桶41与第一整体位移监测杆1（或第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6）可拆卸连接（例如卡接），以提升第二监测桶41在第一整体位移监测杆1（或第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6）上拆装的便捷性，提升边坡变形监测的多功能监测装置运输、拆装及后期维护的便捷性。土体含水率监测机构4的光纤光栅传感器包括适于设置在第二监测桶41内的第二感应膜片42和第二变形监测光纤光栅43，在第二感应膜片42因第二监测桶41内盛放土体重量变化而变形时，第二变形监测光纤光栅43感受第二感应膜片42的变形量，实现含水率的转换。具体地，通过实验室进行土体重量变化与光纤光栅波长的变化关系标定后，即可根据光纤光栅波长的变化确定土体含水率，具体方法为：首先对各个土层的土壤进行挖掘，称量其体重为m1，采用烘干机进行充分烘干，重量为m2，则土壤含水率为（m1-m2）/m1；测试完初始土壤含水率之后，将传感器分别埋入各分层土体内，覆盖第二监测桶41，记录第二变形监测光纤光栅43初始波长量，进而实时监测第二变形监测光纤光栅43的波长量变化，实现土壤重量的监测，以反映各土壤（土层）的含水率变化。而且，各分层土体的土体含水率监测机构4的光纤光栅传感器的第二变形监测光纤光栅43可串联，以实现单层或多层土体含水率的同步测量。另外，结合含水率与雨量的监测值，可以实现不同高度雨水的渗流情况分析，对于滑坡的预测具有重大的意义。

可选地，由于厚度较大的第二感应膜片42在同样力作用下变形较小，使得第二变形监测光纤光栅43测量值较小；而厚度较小的第二感应膜片42在同样力作用下变形较大，使得第二变形监测光纤光栅43测量值较大。因此，第二感应膜片42可通过改变厚度来实现量程的改变，厚度较大的第二感应膜片42对应的光纤光栅传感器的量程大，灵敏度低；厚度较小的第二感应膜片42对应的光纤光栅传感器的量程小，灵敏度高。

可选地，结合图4所示，第二监测桶41内部由第二感应膜片42分隔为盛土腔411和第二密封腔412，第二变形监测光纤光栅43适于设置在第二感应膜片42朝向第二密封腔412的一侧。

本实施例中，第二变形监测光纤光栅43设置在第二感应膜片42下端，且第二感应膜片42与第二监测桶41内壁密封连接，以避免异物（例如土、水、虫等）进入第二密封腔412而干涉到第二变形监测光纤光栅43对第二感应膜片42的监测。

可选地，结合图4所示，光纤光栅传感器还包括适于设置在第二密封腔412内的第二温度补偿光纤光栅44，且第二温度补偿光纤光栅44适于与第二变形监测光纤光栅43串联。

本实施例中，由于第二温度补偿光纤光栅44同时受到温度与外界压力（土壤重量）等的作用，光栅波长的改变量=温度影响+外界压力影响，因此在第二密封腔412内设置一个第二温度补偿光纤光栅44与第二变形监测光纤光栅43串联，以根据第二温度补偿光纤光栅44监测第二密封腔412内温度（同时实现了对分层土体温度的监测），从而根据第二温度补偿光纤光栅44与第二变形监测光纤光栅43的监测数据计算含水率，抵消温度对第二变形监测光纤光栅43的光纤光栅波长造成的影响。具体地，在第二密封腔412内的不受力位置设置与第二变形监测光纤光栅43串联的第二温度补偿光纤光栅44，避免第二温度补偿光纤光栅44变形而影响温度监测。

可选地，第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和第三整体位移监测杆6适于竖直插设在待监测区域土层（土体）中，或倾斜插设在待监测区域土层（土体）中（即相应整体位移监测杆轴线与竖直方向具有一定夹角）。基于土体含水率监测机构4的光纤光栅传感器设有第二温度补偿光纤光栅44，且多个土体含水率监测机构4沿第一整体位移监测杆1（或第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6）的长度方向间隔设置，使得多个土体含水率监测机构4能够实现分层土体纵向（沿相应整体位移监测杆的长度方向）温度的监测。

可选地，结合图5所示，第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和第三整体位移监测杆6均还包括支撑杆11和设置在支撑杆11上并沿支撑杆11长度方向间隔设置的两个第一受力部12，光纤光栅传感器包括适于设置在支撑杆11内的第一受力片13和适于设置在第一受力片13上的第三变形监测光纤光栅，且第一受力片13的两端分别连接两个第一受力部12。

第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和第三整体位移监测杆6结构相同，均包括支撑杆11和第一受力部12。支撑杆11作为分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4的载体，分层位移监测机构2、雨量监测机构3和土体含水率监测机构4均可拆卸连接在支撑杆11上。支撑杆11用于埋设在土体中的部分的两端分别凸设有一个第一受力部12，以卡住土体，保证边坡土体三维变形监测装置安装的稳定；且使得两个第一受力部12适于根据土体的位移或沉降而移动，从而带动第一受力片13进行受力（拉伸或挤压），第三变形监测光纤光栅感受第一受力片13变形量，得到土体相应的位移或沉降量。具体地，通过实验室进行受力拉伸和光纤光栅变化量的标定试验，拟合光纤光栅波长与位移量的关系，以根据光纤光栅波长的变化确定土体位移或沉降量。

可选地，结合图1-图4所示，第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和第三整体位移监测杆6上均设有分层位移监测机构2；分层位移监测机构2还包括监测管21和分别设置在监测管21两端的预紧部22与第二受力部23，光纤光栅传感器包括适于设置在监测管21内的第二受力片和适于设置在第二受力片上的第四变形监测光纤光栅，且第二受力片的两端分别连接预紧部22与第二受力部23。

本实施例中，优选第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5和第三整体位移监测杆6上均设有分层位移监测机构2，以通过第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6和相应分层位移监测机构2同步监测待监测区域土层的位移或沉降，以更为全面地反映待监测区域土层的变形动态；且便于第一整体位移监测杆1、第二整体位移监测杆5、第三整体位移监测杆6和相应分层位移监测机构2的监测数据互相对照，以验证监测数据的准确性，提升待监测区域土体变形监测的可靠性。

分层位移监测机构2的预紧部22与第二受力部23分别设置在分层位移监测机构2的两端，预紧部22用于固定第二受力片的一端，第二受力部23与第二受力片的另一端连接，且第二受力部23适于根据土体的位移或沉降而移动，从而带动第二受力片进行受力（拉伸或挤压），第四变形监测光纤光栅感受第二受力片变形量，得到土体相应的位移或沉降量。具体地，通过实验室进行受力拉伸和光纤光栅变化量的标定试验，拟合光纤光栅波长与位移量的关系，以根据光纤光栅波长的变化确定土体位移或沉降量。而且，各分层土体的分层位移监测机构2的光纤光栅传感器的第四变形监测光纤光栅可串联，以实现单层或多层土体位移或沉降的同步测量。

对于分层位移监测机构2在待监测区域土体中的设置位置，边坡土体三维变形监测装置在待监测区域进行安装时，先在相应整体位移监测杆上根据待监测区域土体每层土壤的深度做上标记，将分层位移监测机构2安装在相应整体位移监测杆上，且使得分层位移监测机构2上的第二受力部23正好对准标记；其后，将边坡土体三维变形监测装置埋置（插设）于土体中，使相应整体位移监测杆底端插入土体中最底层底面较为坚固的基岩上，以防止监测过程中边坡土体三维变形监测装置整体发生沉降。类似地，土体含水率监测机构4在待监测区域土体中的设置类似于分层位移监测机构2。

值得说明的是，第三变形监测光纤光栅、第四变形监测光纤光栅和第五变形监测光纤光栅同样可串联相应的温度补偿光纤光栅，以抵消温度对第三变形监测光纤光栅、第四变形监测光纤光栅和第五变形监测光纤光栅的光纤光栅波长造成的影响。

可选地，各类光纤光栅传感器可通过法兰头串联，从而实现在待监测区域的分布式布设。

结合图6、图7所示，一种边坡土体平面倾角变化识别方法，采用上述的边坡土体三维变形监测装置，包括以下步骤：

步骤100、当边坡土体三维变形监测装置在待监测区域的土体处安装完成时，获取边坡土体三维变形监测装置的第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1的安装夹角角度以及第一光纤光栅裂缝计7的安装长度。

具体地，结合图6中（a）所示，（a）为边坡土体三维变形监测装置在待监测区域的土体处安装完成时的部分结构示意图。当边坡土体三维变形监测装置在待监测区域土体安装完成时，测量获取第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1的夹角角度（即安装夹角角度，记为α）以及第一光纤光栅裂缝计7的长度（即安装长度，记为L₁）。其中，由于边坡土体三维变形监测装置安装时第一整体位移监测杆1与第二整体位移监测杆5一般平行设置（例如第一整体位移监测杆1与第二整体位移监测杆5均竖直安装），获取第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1的夹角角度可通过获取第一光纤光栅裂缝计7与第二整体位移监测杆5的夹角角度代替。

步骤200、获取当前第一光纤光栅裂缝计7的形变量以及第一光纤光栅裂缝计7两端的相对竖直位移量。

具体地，结合图6中（b）所示，（b）为边坡土体三维变形监测装置在待监测区域的土体处监测时（或土体变形时）的部分结构示意图。边坡土体三维变形监测装置在待监测区域土体安装完成后，即可通过边坡土体三维变形监测的多功能监测装置监测待监测区域土体的变形动态。通过步骤200，获取当前第一光纤光栅裂缝计7相对安装长度L₁的形变量（即根据第一光纤光栅裂缝计7的第五变形监测光纤光栅波长的变化确定第一光纤光栅裂缝计7的伸长量或缩短量，该形变量记为S），以及获取当前第一光纤光栅裂缝计7两端在竖直方向上所发生的相对位移（即相对竖直位移量，记为H）。其中，当待监测区域土体发生变形时，第一光纤光栅裂缝计7发生形变，和/或，第一光纤光栅裂缝计7两端相对位移；第一光纤光栅裂缝计7两端的相对竖直位移量H可通过第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5和设置在第一整体位移监测杆1和第二整体位移监测杆5上的分层位移监测机构2进行测量计算。

步骤300、根据安装夹角角度、安装长度、形变量和相对位移量，确定土体的倾角变化值。

具体地，根据第一光纤光栅裂缝计7的安装长度L₁和形变量S计算第一光纤光栅裂缝计7的当前长度并记为L₂；当S为伸长量时，L₂=L₁+S；当S为缩短量时，L₂=L₁-S。其后，根据光纤光栅裂缝计的当前长度L₂和当前第一光纤光栅裂缝计7两端的相对竖直位移量H，利用反正弦函数计算当前第一光纤光栅裂缝计7与安装时的第一光纤光栅裂缝计7的夹角β：

β=arcsin（H/L₂），

β即为第一光纤光栅裂缝计7的倾角变化值，也是待监测区域土体的倾角变化值。α与β相减或相加即可得到当前第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1的夹角角度，以反映当前待监测区域土体的倾角；其中，当第一整体位移监测杆1的沉降量大于第二整体位移监测杆5的沉降量时，当前第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1的夹角角度为α+β；当第一整体位移监测杆1的沉降量小于第二整体位移监测杆5的沉降量时，当前第一光纤光栅裂缝计7与第一整体位移监测杆1的夹角角度为α-β。进一步地，结合时间t（即当前时刻与边坡土体三维变形监测装置在待监测区域土体安装完成时刻的差值）可得到倾角变化速率为v=β/t；明显地，v越大则待监测区域土体倾角变化越快，滑坡概率越大。

可选地，边坡土体平面倾角变化识别方法还可以通过第二光纤光栅裂缝计8来计算待监测区域土体相应的倾角变化值。且边坡土体平面倾角变化识别方法可以同时通过第一光纤光栅裂缝计7和第二光纤光栅裂缝计8计算相应的倾角变化值，实现在第一光纤光栅裂缝计7设置方向上和第二光纤光栅裂缝计8设置方向上的监测区域土体倾角变化监测，以更为全面地反映待监测区域的变形动态。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，包括：

第一整体位移监测杆（1）和第二整体位移监测杆（5），所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）适于间隔插设在待监测区域的土体中；

第一光纤光栅裂缝计（7），其两端分别与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）连接；

分层位移监测机构（2）和土体含水率监测机构（4），所述土体含水率监测机构（4）用于监测所述土体的含水率；所述分层位移监测机构（2）与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）中的至少一个可拆卸连接，所述土体含水率监测机构（4）与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）中的至少一个可拆卸连接，且所述分层位移监测机构（2）和所述土体含水率监测机构（4）均适于埋设在所述土体中；

雨量监测机构（3），其与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）中的至少一个可拆卸连接，并适于暴露在空气中，用于监测雨量；

其中，所述第一整体位移监测杆（1）、所述第二整体位移监测杆（5）、所述第一光纤光栅裂缝计（7）、所述分层位移监测机构（2）、所述雨量监测机构（3）和所述土体含水率监测机构（4）均包括适于串联的光纤光栅传感器。

2.如权利要求1所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，还包括第三整体位移监测杆（6）和第二光纤光栅裂缝计（8），所述第三整体位移监测杆（6）适于插设在所述土体中并与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）间隔设置，所述第二光纤光栅裂缝计（8）的两端分别与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第三整体位移监测杆（6）连接；所述第三整体位移监测杆（6）和所述第二光纤光栅裂缝计（8）均包括所述光纤光栅传感器。

3.如权利要求1或2所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述雨量监测机构（3）还包括第一监测桶（31），所述第一监测桶（31）适于与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）中的至少一个可拆卸连接；所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述第一监测桶（31）内的第一感应膜片（32）和第一变形监测光纤光栅（33），所述第一变形监测光纤光栅（33）适于设置在所述第一感应膜片（32）上并监测所述第一感应膜片（32）形变。

4.如权利要求3所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述第一监测桶（31）内部由所述第一感应膜片（32）分隔为盛水腔（311）和第一密封腔（312），所述第一变形监测光纤光栅（33）适于设置在所述第一感应膜片（32）朝向所述第一密封腔（312）的一侧；所述雨量监测机构（3）还包括控制阀（35），所述第一监测桶（31）的侧壁上设有连通所述盛水腔（311）的出水口（313），所述控制阀（35）适于设置在所述出水口（313）处并控制所述出水口（313）开关。

5.如权利要求4所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括适于设置在所述第一密封腔（312）内的第一温度补偿光纤光栅（34），且所述第一温度补偿光纤光栅（34）适于与所述第一变形监测光纤光栅（33）串联。

6.如权利要求1或2所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述土体含水率监测机构（4）还包括第二监测桶（41），所述第二监测桶（41）适于与所述第一整体位移监测杆（1）和所述第二整体位移监测杆（5）中的至少一个可拆卸连接；所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述第二监测桶（41）内的第二感应膜片（42）和第二变形监测光纤光栅（43），所述第二变形监测光纤光栅（43）适于设置在所述第二感应膜片（42）上并监测所述第二感应膜片（42）形变。

7.如权利要求6所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述第二监测桶（41）内部由所述第二感应膜片（42）分隔为盛土腔（411）和第二密封腔（412），所述第二变形监测光纤光栅（43）适于设置在所述第二感应膜片（42）朝向所述第二密封腔（412）的一侧。

8.如权利要求2所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述第一整体位移监测杆（1）、所述第二整体位移监测杆（5）和所述第三整体位移监测杆（6）均还包括支撑杆（11）和设置在所述支撑杆（11）上并沿所述支撑杆（11）长度方向间隔设置的两个第一受力部（12），所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述支撑杆（11）内的第一受力片（13）和适于设置在所述第一受力片（13）上的第三变形监测光纤光栅，且所述第一受力片（13）的两端分别连接两个所述第一受力部（12）。

9.如权利要求2所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，所述第一整体位移监测杆（1）、所述第二整体位移监测杆（5）和所述第三整体位移监测杆（6）上均设有所述分层位移监测机构（2）；所述分层位移监测机构（2）还包括监测管（21）和分别设置在所述监测管（21）两端的预紧部（22）与第二受力部（23），所述光纤光栅传感器包括适于设置在所述监测管（21）内的第二受力片和适于设置在所述第二受力片上的第四变形监测光纤光栅，且所述第二受力片的两端分别连接所述预紧部（22）与所述第二受力部（23）。

10.一种边坡土体平面倾角变化识别方法，采用如权利要求1-9中任一项所述的边坡土体三维变形监测装置，其特征在于，包括：

当所述边坡土体三维变形监测装置在待监测区域的土体处安装完成时，获取所述边坡土体三维变形监测装置的第一光纤光栅裂缝计（7）与第一整体位移监测杆（1）的安装夹角角度α以及所述第一光纤光栅裂缝计（7）的安装长度L₁；

获取当前所述第一光纤光栅裂缝计（7）的形变量S以及所述第一光纤光栅裂缝计（7）两端的相对竖直位移量H；

根据所述安装夹角角度α、所述安装长度L₁、所述形变量S和所述相对竖直位移量H，确定所述土体的倾角变化值β及当前所述第一光纤光栅裂缝计（7）与所述第一整体位移监测杆（1）的夹角角度；其中，β=arcsin（H/L₂），当S为所述第一光纤光栅裂缝计（7）的伸长量时，L₂=L₁+S；当S为所述第一光纤光栅裂缝计（7）的缩短量时，L₂=L₁-S；当所述第一整体位移监测杆（1）的沉降量大于所述边坡土体三维变形监测装置的第二整体位移监测杆（5）的沉降量时，当前所述第一光纤光栅裂缝计（7）与所述第一整体位移监测杆（1）的夹角角度为α+β；当所述第一整体位移监测杆（1）的沉降量小于所述第二整体位移监测杆（5）的沉降量时，当前所述第一光纤光栅裂缝计（7）与所述第一整体位移监测杆（1）的夹角角度为α-β。

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