CN113850975B - 基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法与预警系统 - Google Patents

基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法与预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及危岩崩塌预警技术领域，公开了一种基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法与预警系统，在岩腔内安装温度传感器与声呐探测器，通过温度传感器获取岩腔内的初始温度T1，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的初始时差通过温度传感器获取岩腔内的当前温度T2，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的当前时差；根据时差与温度计算岩腔深度变化量，根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算崩塌预警指标，即危岩稳定系数。本发明针对岩腔壁面特点监测岩腔变化深度，实现了基于岩腔深度对倾倒式危岩进行崩塌预警。

Description

基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法与预警系统
技术领域
本发明涉及危岩崩塌预警技术领域。
背景技术
危岩崩塌灾害是我国山区三大地质灾害之一，是指能以倾倒、坠落或滑移等形式发生崩塌的地质体，其中以倾倒式危岩大多发育在具有软、硬岩互层的沉积岩地区，下伏软岩风化速度快，逐渐退去形成岩腔，上部硬岩抗风化能力强，向外悬挑形成倾倒式危岩。倾倒式危岩岩腔深度是决定危岩稳定性状态的一个重要因素，对其监测和预警是避免和减少倾倒式危岩崩塌灾害的有效手段。
当前对倾倒式危岩的监测主要以监测危岩主控结构面为主，主控结构面和岩腔深度对倾倒式危岩稳定性的影响同样重要，当岩腔深度超过某一值时其顶部危岩体对岩腔内软岩的压裂作用开始显现，岩腔后侧壁顶部和底部的软岩处于显著的应力集中状态，微裂隙逐渐孕育、竖向扩展，使临空面的软岩呈现出竖向压裂剥落。岩腔内软岩应力随岩腔深度的增大而增大，当引起的软岩应力值接近或者大于其极限应力时，壁面软岩处于压裂崩解阶段，宏观上表现为岩腔后壁的加速平行后退，当岩腔后壁后退到一定深度后，危岩失稳产生崩塌灾害。
针对上述情况，本领域技术人员则需要进一步开展对倾倒式危岩岩腔深度的监测和危岩预警技术的研究与探索。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于声呐的倾倒式危岩的崩塌预警方法，解决如何基于岩腔深度对倾倒式危岩进行崩塌预警的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法，包括以下步骤：
在岩腔内安装温度传感器与声呐探测器，并且相对于岩腔后壁安装声呐探测器；
通过温度传感器获取岩腔内的初始温度T1，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，声波触及岩腔后壁面后反弹若干回波，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的初始时差t1-11,t1-12,...t1-ij,...,t1-mn；
通过温度传感器获取岩腔内的当前温度T2，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，声波触及岩腔后壁面后反弹若干回波，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的当前时差t2-11,t2-12,...t2-ij,...,t2-mn；
计算岩腔初始状态到当前状态的岩腔深度变化量，按如下公式：
Figure GDA0003951288880000021
式中，Δl表示岩腔深度变化量；θj表示岩腔后壁上的点ij与声呐探测器的连线相对于水平面的夹角；αi表示岩腔后壁上的点ij与声呐探测器的连线的水平投影线相对于岩腔后壁面的竖向垂直面的夹角；
根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算危岩稳定系数，并将危岩稳定系数与安全系数进行比较，当危岩稳定系数小于安全系数时发出危岩崩塌预警信号。
进一步的，当危岩体重心在倾覆点内侧时，按如下公式计算危岩稳定系数：
Figure GDA0003951288880000022
式中，FS1表示危岩体重心在倾覆点内侧时的危岩稳定系数，M抗倾1为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始抗倾覆力矩，M倾1为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始倾覆力矩；FS为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始稳定系数；W为危岩体的自重；P为水平地震力；Q为危岩裂隙水压力；e为主控结构面贯通段的垂直高度；e1为主控结构面内尖端以上的充水高度；β为主控结构面倾角；H为危岩体垂直高度；h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离；flk为危岩体抗拉强度标准值；f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值，当基座为岩体时，f0k＝flk，当基座为软质岩层如泥岩时，取该软质岩石的抗拉强度标准值；a为危岩体重心至倾覆点的水平距离；lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离。
进一步的，危岩体重心在倾覆点内侧时的初始稳定系数：
Figure GDA0003951288880000023
其中，
Figure GDA0003951288880000024
进一步的，当危岩体重心在倾覆点外侧时，按如下公式计算危岩稳定系数：
Figure GDA0003951288880000031
式中，FS′1表示危岩体重心在倾覆点外侧时的危岩稳定系数；M′抗倾1为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始抗倾覆力矩；M′倾为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始倾覆力矩；FS′为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始稳定系数；W为危岩体的自重；P为水平地震力；Q为危岩裂隙水压力；e为主控结构面贯通段的垂直高度；e1为主控结构面内尖端以上的充水高度；β为主控结构面倾角；H为危岩体垂直高度；h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离；flk为危岩体抗拉强度标准值；f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值，当基座为岩体时，f0k＝flk，当基座为软质岩层如泥岩时，取该软质岩石的抗拉强度标准值；a为危岩体重心至倾覆点的水平距离；lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离。
进一步的，危岩体重心在倾覆点外侧时的初始稳定系数，
Figure GDA0003951288880000032
其中，
Figure GDA0003951288880000033
本发明还提供一种基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，用于本发明的的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法；包括通过支架相对于岩腔后壁安装在岩腔内的声呐探测器，还包括安装在岩腔内的温度传感器；声呐探测器与温度传感器通过远程通信模块将采集到时差信号与温度信号发送到主机；
所述主机用于根据时差信号与温度信号计算岩腔深度变化量，并根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算危岩稳定系数并发送给预警模块；
所述预警模块用于将危岩稳定系数与安全系数进行比较，当危岩稳定系数小于安全系数时发出危岩崩塌预警信号。
进一步的，所述支架包括竖向连杆与水平连杆；竖向连杆铰接于岩腔顶部，并通过第一电机带动竖向连杆在相对于岩腔后壁的平面内横向转动；水平连杆铰接于竖向连杆下端，并通过第二电机带动水平连杆在相对于岩腔后壁的平面内竖向转动；所述声呐探测器固定在水平连杆上，从而能够随着竖向连杆或水平连杆的角度变换探测区域；第一电机与第二电机通过主机远程限定转动角度，从而将声呐探测器的探测区域限制在岩腔后壁面内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明针对岩腔后壁面凹凸不平的特性，采用声呐探测器对其进行探测，能够探测到岩腔后壁面上若干点的回波，获取若干点的回波时差以计算各点到声呐探测器的距离，通过夹角θj与αi将该距离转换为到相应点的岩腔深度，通过差分初始状态与当前状态的岩腔深度，就可得到相应点的岩腔深度变化量，最后再取最大的岩腔深度变化量作为危岩稳定性系数的计算基础，提高预警安全性。
2、声波在大气中传播除了受温度影响，几乎不受其他因素影响，本发明量化了温度对声速的影响，能够更加准确的对岩腔深度变化量进行监测。并且根据危岩体重心位置采用不同的计算公式计算危岩稳定系数，能够更加准确的进行崩塌预警。
3、对于较小的岩腔，声呐探测器一次探测能够覆盖整个岩腔后壁面。对于较大的岩腔，本发明通过竖向连杆与水平连杆的状态来变换探测区域，从而覆盖整个岩腔后壁面，以更准确的获得最大的岩腔深度变化量。
附图说明
图1是基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统的示意图；
图2是声呐探测器面向岩腔后壁面进行转动的示意图；
图3为通信链路图
图4是岩腔后壁面各点与声呐连线在水平面上的投影示意图；
图5是为岩腔后壁面各点与声呐连线在竖直平面上的投影示意图。
附图标记说明：1、危岩体；2、温度传感器；3、5G信号传输模块；4、5G信号接收模块；5、连接杆；6、声呐探测器；7、太阳能供电装置；8-1、第一5G信号转换模块；8-2、第二5G信号转换模块；9、初始岩腔后壁面；10、风化后的岩腔后壁面；11卫星；12、主机；13、显示器；14、预警模块；15、警铃；16、警示灯；17-1、竖向连杆；17-2、水平连杆；18-1、第一电机；18-2、第二电机。
具体实施方式
一)系统结构
参考图1所示，一种基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，包括通过支架相对于岩腔后壁安装在岩腔内的声呐探测器，还包括安装在岩腔内的温度传感器；声呐探测器与温度传感器通过远程通信模块将采集到时差信号与温度信号发送到主机；
所述主机用于根据时差信号与温度信号计算岩腔深度变化量，并根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算危岩稳定系数并发送给预警模块；
所述预警模块用于将危岩稳定系数与安全系数进行比较，当危岩稳定系数小于安全系数时发出危岩崩塌预警信号。
由于危岩所在处大多地质条件一般甚至是存在一定安全隐患，不便于设置供电设施；同时为了响应国家使用清洁能源的号召，在危岩体处设置的声呐探测器、温度传感器、远程通信模块、第一电机以及第二电机供电等相关设备所需电能均通过太阳能供电装置(通过连接杆5固定在支架上)将太阳能转换而来，而且其还有一定的电量储存能力以便在夜间或没有太阳光照的条件下依旧能够维持设备正常工作。
参考图2所示，支架包括竖向连杆17-1与水平连杆17-2；竖向连杆铰接于岩腔顶部，并通过第一电机带动竖向连杆在相对于岩腔后壁的平面内横向转动；水平连杆铰接于竖向连杆下端，并通过第二电机带动水平连杆在相对于岩腔后壁的平面内竖向转动；所述声呐探测器固定在水平连杆上，从而能够随着竖向连杆或水平连杆的角度变换探测区域；第一电机与第二电机通过主机远程限定转动角度，从而将声呐探测器的探测区域限制在岩腔后壁面内。第一电机安装在岩腔顶部，第二电机安装在竖向连杆上。
对于较小的岩腔，声呐探测器一次探测能够覆盖整个岩腔后壁面。对于较大的岩腔，本发明通过竖向连杆与水平连杆的状态来变换探测区域，从而覆盖整个岩腔后壁面，以更准确的获得最大的岩腔深度变化量。
参考图3所示，所述远程通信模块为5G通信模块，5G通信模块包括5G信号传输模块3与第一5G信号转换模块8-1；5G信号传输模块以无线电传输的方式将包含时差信号与温度信号的5G数据传送至卫星，再通过卫星传输至远端的5G信号接收模块4，然后由第二5G信号转换模块8-2进行处理，再以有线传输的方式输入主机。预警模块通过警铃或警示灯发出危岩崩塌预警信号。
二)预警方法
采用本具体实施方式中的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，通过温度传感器获取岩腔内的初始温度T1，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，声波触及岩腔后壁面后反弹若干回波，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的初始时差t1-11,t1-12,...t1-ij,...,t1-mn；
通过温度传感器获取岩腔内的当前温度T2，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，声波触及岩腔后壁面后反弹若干回波，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的当前时差t2-11,t2-12,...t2-ij,...,t2-mn；
计算岩腔初始状态到当前状态的岩腔深度变化量，按如下公式：
Figure GDA0003951288880000061
式中，Δl表示岩腔深度变化量；参考图4与图5所示，θj表示岩腔后壁上的点ij与声呐探测器的连线相对于水平面的夹角；αi表示岩腔后壁上的点ij与声呐探测器的连线的水平投影线相对于岩腔后壁面的竖向垂直面的夹角；θj与αi由声呐探测器自动记录。由于声呐转动探测过程中每次探测区域到达ij范围内时声呐的位置都是相同的，因此声呐的转动不对探测造成影响，进而声呐位置变动多次扫描的情况下，仍然采用上述公式计算岩腔深度变化量。
根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算危岩稳定系数，并将危岩稳定系数与安全系数进行比较，当危岩稳定系数小于安全系数时发出危岩崩塌预警信号。
当危岩体重心在倾覆点内侧时，按如下公式计算危岩稳定系数：
Figure GDA0003951288880000062
式中，FS1表示危岩体重心在倾覆点内侧时的危岩稳定系数，M抗倾1为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始抗倾覆力矩，M倾1为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始倾覆力矩；FS为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始稳定系数；W为危岩体的自重；P为水平地震力；Q为危岩裂隙水压力；e为主控结构面贯通段的垂直高度；e1为主控结构面内尖端以上的充水高度；β为主控结构面倾角；H为危岩体垂直高度；h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离；flk为危岩体抗拉强度标准值；f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值，当基座为岩体时，f0k＝flk，当基座为软质岩层如泥岩时，取该软质岩石的抗拉强度标准值；a为危岩体重心至倾覆点的水平距离；lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离。
危岩体重心在倾覆点内侧时的初始稳定系数：
Figure GDA0003951288880000071
其中，
Figure GDA0003951288880000072
当危岩体重心在倾覆点外侧时，按如下公式计算危岩稳定系数：
Figure GDA0003951288880000073
式中，FS′1表示危岩体重心在倾覆点外侧时的危岩稳定系数；M′抗倾1为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始抗倾覆力矩；M′倾为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始倾覆力矩；FS′为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始稳定系数；W为危岩体的自重；P为水平地震力；Q为危岩裂隙水压力；e为主控结构面贯通段的垂直高度；e1为主控结构面内尖端以上的充水高度；β为主控结构面倾角；H为危岩体垂直高度；h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离；flk为危岩体抗拉强度标准值；f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值，当基座为岩体时，f0k＝flk，当基座为软质岩层如泥岩时，取该软质岩石的抗拉强度标准值；a为危岩体重心至倾覆点的水平距离；lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离。
危岩体重心在倾覆点外侧时的初始稳定系数，
Figure GDA0003951288880000074
其中，
Figure GDA0003951288880000075

Claims (8)

1.一种基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法，其特征在于，包括以下步骤：在岩腔内安装温度传感器与声呐探测器，并且相对于岩腔后壁安装声呐探测器；
通过温度传感器获取岩腔内的初始温度T1，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，声波触及岩腔后壁面后反弹若干回波，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的初始时差t1-11,t1-12,...t1-ij,...,t1-mn；
通过温度传感器获取岩腔内的当前温度T2，同时通过声呐探测器发出的声波探测整个岩腔后壁面，声波触及岩腔后壁面后反弹若干回波，记录各个回波接收时刻与相应的声波发射时刻的当前时差t2-11,t2-12,...t2-ij,...,t2-mn；
计算岩腔初始状态到当前状态的岩腔深度变化量，按如下公式：
Figure FDA0003951288870000011
式中，Δl表示岩腔深度变化量；θj表示岩腔后壁上的点ij与声呐探测器的连线相对于水平面的夹角；αi表示岩腔后壁上的点ij与声呐探测器的连线的水平投影线相对于岩腔后壁面的竖向垂直面的夹角；
根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算危岩稳定系数，并将危岩稳定系数与安全系数进行比较，当危岩稳定系数小于安全系数时发出危岩崩塌预警信号；
当危岩体重心在倾覆点内侧时，按如下公式计算危岩稳定系数：
Figure FDA0003951288870000012
式中，FS1表示危岩体重心在倾覆点内侧时的危岩稳定系数，M抗倾1为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始抗倾覆力矩，M倾1为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始倾覆力矩；FS为危岩体重心在倾覆点内侧时的初始稳定系数；W为危岩体的自重；P为水平地震力；Q为危岩裂隙水压力；e为主控结构面贯通段的垂直高度；e1为主控结构面内尖端以上的充水高度；β为主控结构面倾角；H为危岩体垂直高度；h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离；flk为危岩体抗拉强度标准值；f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值，当基座为岩体时，f0k＝flk，当基座为软质岩层如泥岩时，取该软质岩石的抗拉强度标准值；a为危岩体重心至倾覆点的水平距离；lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离；
危岩体重心在倾覆点内侧时的初始稳定系数：
Figure FDA0003951288870000021
其中，
Figure FDA0003951288870000022
2.根据权利要求1所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法，其特征在于，当危岩体重心在倾覆点外侧时，按如下公式计算危岩稳定系数：
Figure FDA0003951288870000023
式中，F′S1表示危岩体重心在倾覆点外侧时的危岩稳定系数；M′抗倾1为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始抗倾覆力矩；M′倾为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始倾覆力矩；F′S为危岩体重心在倾覆点外侧时的初始稳定系数；W为危岩体的自重；P为水平地震力；Q为危岩裂隙水压力；e为主控结构面贯通段的垂直高度；e1为主控结构面内尖端以上的充水高度；β为主控结构面倾角；H为危岩体垂直高度；h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离；flk为危岩体抗拉强度标准值；f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值，当基座为岩体时，f0k＝flk，当基座为软质岩层如泥岩时，取该软质岩石的抗拉强度标准值；a为危岩体重心至倾覆点的水平距离；lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离。
3.根据权利要求2所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法，其特征在于：危岩体重心在倾覆点外侧时的初始稳定系数，
Figure FDA0003951288870000024
其中，
Figure FDA0003951288870000025
4.一种基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，其特征在于，用于如权利要求1所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警方法；包括通过支架相对于岩腔后壁安装在岩腔内的声呐探测器，还包括安装在岩腔内的温度传感器；声呐探测器与温度传感器通过远程通信模块将采集到时差信号与温度信号发送到主机；
所述主机用于根据时差信号与温度信号计算岩腔深度变化量，并根据岩腔深度变化量与危岩体重心位置计算危岩稳定系数并发送给预警模块；
所述预警模块用于将危岩稳定系数与安全系数进行比较，当危岩稳定系数小于安全系数时发出危岩崩塌预警信号。
5.根据权利要求4所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，其特征在于，所述支架包括竖向连杆与水平连杆；竖向连杆铰接于岩腔顶部，并通过第一电机带动竖向连杆在相对于岩腔后壁的平面内横向转动；水平连杆铰接于竖向连杆下端，并通过第二电机带动水平连杆在相对于岩腔后壁的平面内竖向转动；所述声呐探测器固定在水平连杆上，从而能够随着竖向连杆或水平连杆的角度变换探测区域；第一电机与第二电机通过主机远程限定转动角度，从而将声呐探测器的探测区域限制在岩腔后壁面内。
6.根据权利要求4所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，其特征在于，还包括太阳能供电装置，用于通过电源管理模块为声呐探测器、温度传感器、远程通信模块、第一电机以及第二电机供电。
7.根据权利要求4所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，其特征在于，所述远程通信模块为5G通信模块，5G通信模块包括5G信号传输模块与第一5G信号转换模块；5G信号传输模块以无线电传输的方式将包含时差信号与温度信号的5G数据传送至卫星，再通过卫星传输至远端的5G信号接收模块，然后由第二5G信号转换模块进行处理，再以有线传输的方式输入主机。
8.根据权利要求4所述的基于声呐的倾倒式危岩崩塌预警系统，其特征在于，所述预警模块通过警铃或警示灯发出危岩崩塌预警信号。
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