CN114216441B - 一种岩层沉降位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩层沉降位移监测方法，可通过监测每个沉降标识元件的沉降情况汇总出岩层沉降后发生的垂向位移和水平位移，可提供准确的岩层沉降参数，为土木工程关于岩层沉降方面的安全考量提供了准确的指引。

Description

一种岩层沉降位移监测方法

技术领域

本发明涉及岩层沉降测量技术领域，尤其涉及一种岩层沉降位移监测方法。

背景技术

沉降是自然界和工程界最常见的岩土层变形形式。过度抽取地下水、采掘固体矿产、开采石油(天然气)、抽汲卤水、高层建筑物的重压、低载荷持续作用下的影响，以及地下施工等都可能引起沉降。

岩土层沉降对人类社会活动造成很大影响。因此，充分认识岩土层的沉降是工程安全领域重要工作。目前监测沉降的主要方法是在地表设置监测点，通过不同时间的测绘计算地表沉降，该类方法常用于城市等需对地表沉降进行规划和控制的区域，其仅能测出地表的垂向变化，无法获知地表以下岩层的水平位移情况。

有鉴于此，提供一种能够监测出岩层沉降后发生的垂向位移及水平位移的岩层沉降位移监测方法成为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够监测出岩层沉降后发生的垂向位移及水平位移的岩层沉降位移监测方法。

本发明技术方案提供一种岩层沉降位移监测方法，包括如下步骤：

S01：向待监测区的岩层打垂直延伸的钻孔，在地表安装好监测控制装置；

S02：在所述钻孔的孔口处固定安装一个定位标识元件，在所述钻孔中上下间隔布置n个沉降标识元件，n为≥2的自然数；

所述沉降标识元件包括有倾角测量仪和距离测量仪；

所述倾角测量仪和所述距离测量仪分别与所述监测控制装置信号连接，并将监测到的数据信号传输给所述监测控制装置；

S03：测量初始状态下的倾角数据和间隔距离数据；

其中，所述倾角测量仪在初始状态时测量的初始倾角为0；

按照从上往下顺序，最上方的所述沉降标识元件与所述定位标识元件之间初始间隔距离及相邻的两个所述沉降标识元件之间的初始间隔距离分别由对应的所述距离测量仪测量出，所述初始间隔距离依次为d₁、d₂……d_n；

S04：所述监测控制装置获取并记录每个所述初始倾角和每个所述初始间隔距离；

S05：按照预设时间间隔，所述倾角测量仪测量当前倾角α₁、α₂，……,α_n，所述距离测量仪测量当前间隔距离D₁、D₂……D_n；

S06：所述监测控制装置获取并记录每个所述当前倾角和每个所述当前间隔距离；

所述监测控制装置根据所述当前倾角、所述初始间隔距离及所述当前间隔距离计算出每个所述沉降标识元件的当前垂向深度H和当前水平位移L，并予以显示。

在其中一项可选技术方案中，如α_m＝0，m为自然数，且1≤m≤n，则表明从上往下数第m个所述沉降标识元件所处的位置仅发生垂向位移；

如α_m＞0，则表明从上往下数第m个所述沉降标识元件所处的位置既发生垂向位移，又发生水平位移。

在其中一项可选技术方案中，所述步骤S06中包括计算步骤，包括：

如α_m＝0：

从上往下数第m个所述沉降标识元件发生的垂向位移量△H_m＝D_m-d_m，所述沉降标识元件发生的水平位移量△L_m＝0；

从上往下数第m个所述沉降标识元件的当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)；

如α_m＞0：

从上往下数第m个所述沉降标识元件发生的垂向位移量△H_m＝D_m×cosα_m-d_m，从上往下数第m个所述沉降标识元件发生的水平位移量△L_m＝D_m×sinα_m；

从上往下数第m个所述沉降标识元件的当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)；

则从上往下数第m个所述沉降标识元件的当前水平位移L_m＝△L₁+△L₂+……+△L_m。

在其中一项可选技术方案中，所述沉降标识元件包括沉降环，所述倾角测量仪和所述距离测量仪安装在所述沉降环上；

在所述步骤S01中包括：

在所述钻孔的孔壁的预设位置开设环形槽；

在所述步骤S02中包括：

将所述沉降环的边缘放置在所述环形槽中。

在其中一项可选技术方案中，所述倾角测量仪为水平仪；

所述水平仪能够测量所述沉降环与水平面的夹角β，自动转换并输出所述沉降环与垂直方向的夹角α，α＝90°-β。

在其中一项可选技术方案中，所述距离测量仪为测距传感器，所述测距传感器安装在所述沉降环的中心孔中。

在其中一项可选技术方案中，所述定位标识元件和所述沉降标识元件分别为拉线位移计，任意相邻的两个所述拉线位移计之间通过拉线连接。

在其中一项可选技术方案中，所述倾角测量仪为安装在所述拉线位移计的拉线出口中的拉线倾角传感器；

所述距离测量仪包括安装在所述拉线位移计中的转角传感器和控制器，所述转角传感器与所述控制器信号连接，所述控制器与所述监测控制装置信号连接；

所述转角传感器监测所述拉线位移计中的拉线转盘的转动圈数，所述控制器根据所述转角传感器传来的转动圈数计算出所述拉线的伸缩长度。

在其中一项可选技术方案中，所述步骤S02中还包括如下步骤：

在所述钻孔中沿着从下往上的顺序在预设位置埋好拉线位移计，并保持两个所述拉线位移计之间的拉线处于张紧状态；

在安装好所述拉线位移计之后，回填所述钻孔。

在其中一项可选技术方案中，最下方的所述拉线位移计的下端拉线上连接有配置块，以使得所述拉线垂直向下拉紧。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的岩层沉降位移监测方法，可通过监测每个沉降标识元件的沉降情况汇总出岩层沉降后发生的垂向位移和水平位移，可提供准确的岩层沉降参数，为土木工程关于岩层沉降方面的安全考量提供了准确的指引。

附图说明

参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1本发明一实施例提供的岩层沉降位移监测方法的流程图；

图2为岩层沉降前，沉降环在钻孔中的示意图；

图3为岩层沉降后，沉降环在钻孔中的示意图；

图4为倾角测量仪、距离测量仪与监测控制装置的连接示意图；

图5为水平仪和测距传感器安装在沉降环上的示意图；

图6为岩层沉降前，拉线位移计在钻孔中的示意图；

图7为岩层沉降后，拉线位移计在钻孔中的示意图；

图8为在岩层沉降后，拉线倾斜地拉在相邻的两个拉线位移计之间的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-4和图6-8所示，本发明一实施例提供的一种岩层沉降位移监测方法，包括如下步骤：

S01：向待监测区的岩层打垂直延伸的钻孔1，在地表安装好监测控制装置2。

S02：在钻孔1的孔口处固定安装一个定位标识元件3。在钻孔1中上下间隔布置n个沉降标识元件4，n为≥2的自然数。

沉降标识元件4包括有倾角测量仪43和距离测量仪44。

倾角测量仪43和距离测量仪44分别与监测控制装置2信号连接，并将监测到的数据信号传输给监测控制装置2。

S03：测量初始状态下的倾角数据和间隔距离数据。

其中，倾角测量仪43在初始状态时测量的初始倾角为0。

按照从上往下顺序，最上方的沉降标识元件4与定位标识元件3之间初始间隔距离及相邻的两个沉降标识元件4之间的初始间隔距离分别由对应的距离测量仪44测量出，初始间隔距离依次为d₁、d₂……d_n。

S04：监测控制装置2获取并记录每个初始倾角和每个初始间隔距离。

S05：按照预设时间间隔，倾角测量仪43测量当前倾角α₁、α₂，……,α_n，距离测量仪44测量当前间隔距离D₁、D₂……D_n。

S06：监测控制装置2获取并记录每个当前倾角和每个当前间隔距离。

监测控制装置2根据当前倾角α_n、初始间隔距离d_n及当前间隔距离D_n计算出每个沉降标识元件4的当前垂向深度H_n和当前水平位移L_n，并予以显示。

本发明提供的岩层沉降位移监测方法，可以测量出岩层沉降的垂向位移和水平位移。

该岩层沉降位移监测方法采用监测控制装置2、定位标识元件3和沉降标识元件4。监测控制装置2可采用计算机，其处于地表。定位标识元件3和沉降标识元件4可采用相同的元件，区别在于定位标识元件3固定在钻孔1的孔口处，在岩层沉降时，定位标识元件3会随着地表一起沉降，起到为后面的沉降标识元件4通过测量基准点的作用。沉降标识元件4具有倾角测量仪43和距离测量仪44。倾角测量仪43可测量出沉降标识元件4与垂直方向的倾角。距离测量仪44可测量出相邻的两个沉降标识元件4之间的间隔距离。最上方的沉降标识元件4上的距离测量仪44可测量出最上方的沉降标识元件4与定位标识元件3之间的间隔距离。

在实施该岩层沉降位移监测方法时，执行如下操作：

在监测区岩层打垂直钻孔1。在地表安装好监测控制装置2。将定位标识元件3固定安装在钻孔1的孔口处，其可处于孔口的上方，也可处于孔口中。在钻孔1中上下间隔布置多个沉降标识元件4，相邻的沉降标识元件4之间的距离可以预先设定。多个沉降标识元件4可在钻孔1中均布，也可采取不同的间隔距离。

安装好沉降标识元件4后，倾角测量仪43的初始倾角为0。

假设钻孔1中安装有n个沉降标识元件4，n为大于等于2的自然数。安装好定位标识元件3和沉降标识元件4后，可通过距离测量仪44测量出初始间隔距离。依照从上往下的顺序，定位标识元件3与第一个沉降标识元件4之间的初始间隔距离为d₁，第一个沉降标识元件4与第二个沉降标识元件4之间的初始间隔距离为d₂，依次类推，倒数第二个沉降标识元件4与最下方的沉降标识元件4之间的初始间隔距离为d_n。根据需要，可设置d₁、d₂……d_n相等也可设置为不相等。

监测控制装置2获取并记录每个初始倾角和每个初始间隔距离，以供后续比较判断。

按照预设时间间隔，例如，1天、1星期或1个月等，倾角测量仪43开始测量出各沉降标识元件4的当前倾角α₁、α₂，……,α_n，距离测量仪44开始测量出定位标识元件3与最上方的沉降标识元件4之间当前间隔距离D₁，及测量出相邻的两个沉降标识元件4之间当前间隔距离D₂……D_n。

监测控制装置2获取并记录每个当前倾角和每个当前间隔距离，然后根据当前倾角、初始间隔距离及当前间隔距离计算出每个沉降标识元件4的当前垂向深度H和当前水平位移L，并予以显示。

可理解为：依照从上往下的顺序，第一个沉降标识元件4的当前垂向深度和当前水平位移分别为H₁、L₁，第二个沉降标识元件4的当前垂向深度和当前水平位移分别为H₂、L₂，……，第m个沉降标识元件4的当前垂向深度和当前水平位移分别为H_m、L_m，m为自然数，1≤m≤n，……，第n个沉降标识元件4的当前垂向深度和当前水平位移分别为H_n、L_n。

当前垂向深度H表示在岩层发生沉降后，单个沉降标识元件4与定位标识元件3(地表)在垂直方向的距离，也即是埋深。当前水平位移L表示在岩层发生沉降后，单个沉降标识元件4与定位标识元件3在水平方向的距离，也即是沉降标识元件4随着岩层沉降而发生水平偏移的距离。

通过计算出每个沉降标识元件4的前垂向深度H和当前水平位移L，即可清楚岩层沉降状况，可提供准确的岩层沉降参数，为土木工程关于岩层沉降方面的安全考量提供了准确的指引。

在其中一个实施例中，步骤S06中包括比较判断步骤，包括：

如α_m＝0，m为自然数，且1≤m≤n，表明从上往下数第m个沉降标识元件4所处的位置仅发生垂向位移。

如α_m＞0，表明从上往下数第m个沉降标识元件4所处的位置既发生垂向位移，又发生水平位移。

本实施例中，通过倾角测量仪43的监测结果来判断岩层在沉降时是否发生倾斜位移。如果从上往下数第m个沉降标识元件4的倾角测量仪43的监测结果为0，则表明该沉降标识元件4所处的位置仅发生垂向位移。如果从上往下数第m个沉降标识元件4的倾角测量仪43的监测结果大于0，则表明该沉降标识元件4所处的位置既发生垂向位移，又发生水平位移。

在其中一个实施例中，步骤S06中包括计算步骤，包括：

如α_m＝0：

从上往下数第m个沉降标识元件4发生的垂向位移量△H_m＝D_m-d_m，从上往下数第m个沉降标识元件4发生的水平位移量△L_m＝0。

从上往下数第m个沉降标识元件4的当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)。

如α_m＞0：

从上往下数第m个沉降标识元件4发生的垂向位移量△H_m＝D_m×cosα_m-d_m，沉降标识元件4发生的水平位移量△L_m＝D_m×sinα_m。

从上往下数第m个沉降标识元件4的当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)。

从上往下数第m个沉降标识元件4的当前水平位移L_m＝△L₁+△L₂+……+△L_m。

本实施例中，通过距离测量仪44测量出的当前间隔距离与初始间隔距离比较，并结合倾角测量仪43的监测结果来总和比较判断计算：

如果从上往下数第m个沉降标识元件4所处的位置仅发生垂向位移，则该沉降标识元件4发生的垂向位移量△H_m＝D_m-d_m，水平位移量△L_m＝0，当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)。

如果从上往下数第m个沉降标识元件4所处的位置既发生垂向位移，又发生水平位移，D_m为第m-1和沉降标识元件4与第m个沉降标识元件4之间的斜边，d_m为第m-1和沉降标识元件4与第m个沉降标识元件4之间的一条直角边，α_m为该直角边与斜边之间的夹角。

则该沉降标识元件4发生的垂向位移量△H_m＝D_m×cosα_m-d_m，水平位移量△L_m＝D_m×sinα_m，当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)，当前水平位移L_m＝△L₁+△L₂+……+△L_m。

在其中一个实施例中，如2-3和图5所示，沉降标识元件4包括沉降环41，倾角测量仪43和距离测量仪44安装在沉降环41上。

在步骤S01中包括：在钻孔1的孔壁的预设位置开设环形槽。

在步骤S02中包括：

将沉降环41的边缘放置在环形槽中。

本实施例，在安装好沉降环41之后无需回填钻孔1，在岩层沉降时，沉降环41会随之移动。

在其中一个实施例中，如图5所示，倾角测量仪43为水平仪431。

水平仪431能够测量沉降环41与水平面的夹角β，自动转换并输出沉降环41与垂直方向的夹角α，α＝90°-β。

水平仪431首先测出沉降环41与水平面的夹角β，然后通过内部的控制器转换为沉降环41与垂直方向的夹角α。水平仪431的控制器将计算结果传输给监测控制装置2，以获取每个沉降环41与垂直方向的夹角α。

在其中一个实施例中，如图5所示，距离测量仪44为测距传感器441，测距传感器441安装在沉降环41的中心孔中。

测距传感器441可选用超声波测距传感器、激光测距传感器等等，其安装在沉降环41的中心孔中，便于射出、接收信号。因为其是测量相邻的两个标识元件之间的距离，即使沉降后发生位置倾斜，因为相邻的两个标识元件之间的距离不会太远，也可获得相应的监测信号。

还可通过布置多个钻孔，采用相同的方案同步监测，以相互印证，提高监测精度。

在其中一个实施例中，如图6-8所示，定位标识元件3和沉降标识元件4分别为拉线位移计42，任意相邻的两个拉线位移计42之间通过拉线421连接。

本实施例中采用拉线位移计42来测量两个标识元件之间的初始间隔距离和当前间隔距离。拉线位移计42中具有拉线转盘，如果拉线位移计42上下出线，则设置两个拉线转盘，每个拉线转盘用于实现一侧出线或收线。倾角测量仪43用于监测拉线421的倾斜角度。距离测量仪44用于测量两个标识元件之间的距离。

在其中一个实施例中，如图6-8所示，倾角测量仪43为安装在拉线位移计42的拉线出口中的拉线倾角传感器432。

距离测量仪44包括安装在拉线位移计42中的转角传感器442和控制器443，转角传感器442与控制器443信号连接，控制器443与监测控制装置2信号连接。

转角传感器442监测拉线位移计42中的拉线转盘的转动圈数，控制器443根据转角传感器442传来的转动圈数计算出拉线421的伸缩长度。

本实施例中，倾角测量仪43为拉线倾角传感器432，其安装在拉线位移计42的拉线出口中，用于监测出拉线421的出线倾角α。距离测量仪44包括转角传感器442和控制器443。转角传感器442实时监测拉线位移计42中的拉线转盘的转动圈数，控制器443根据转角传感器442传来的转动圈数计算出拉线421的伸缩长度。如拉线转盘的半径为r，则拉线转盘每转动一圈会拉出或收回的拉线长度为2πr。假设在沉降发生前后，拉线转盘转动k圈，则表明该沉降标识元件4的移动位移为2πrk，则两个沉降标识元件4之间当前间隔距离D_m＝d_m+2πrk。

通过拉线位移计42可实现以拉线的方式来测出间隔距离。

在其中一个实施例中，步骤S02中还包括如下步骤：

在钻孔1中沿着从下往上的顺序在预设位置埋好拉线位移计42，并保持两个拉线位移计42之间的拉线421处于张紧状态。

在安装好拉线位移计42之后，回填钻孔1，可确保在岩层沉降时，拉线位移计42会随着岩层发生相应的位移。

在其中一个实施例中，最下方的拉线位移计42的下端拉线421上连接有配置块422，以使得拉线421垂直向下拉紧。

综上所述，本发明提供的岩层沉降位移监测方法，可通过监测每个沉降标识元件的沉降情况汇总出岩层沉降后发生的垂向位移和水平位移，可提供准确的岩层沉降参数，为土木工程关于岩层沉降方面的安全考量提供了准确的指引。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种岩层沉降位移监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：向待监测区的岩层打垂直延伸的钻孔，在所述钻孔的孔壁的预设位置开设环形槽，在地表安装好监测控制装置；

S02：在所述钻孔的孔口处固定安装一个定位标识元件，在所述钻孔中上下间隔布置n个沉降标识元件，n为≥2的自然数，所述沉降标识元件包括沉降环，将所述沉降环的边缘放置在所述环形槽中，在安装好所述沉降环之后无需回填所述钻孔，在岩层沉降时，所述沉降环会随之移动；

所述沉降标识元件包括有倾角测量仪和距离测量仪，所述倾角测量仪和所述距离测量仪安装在所述沉降环上；

所述距离测量仪用于测量出相邻的两个所述沉降标识元件之间的间隔距离，最上方的所述沉降标识元件上的所述距离测量仪用于测量出最上方的所述沉降标识元件与所述定位标识元件之间的间隔距离；

所述倾角测量仪和所述距离测量仪分别与所述监测控制装置信号连接，并将监测到的数据信号传输给所述监测控制装置；

S03：测量初始状态下的倾角数据和间隔距离数据；

其中，所述倾角测量仪在初始状态时测量的初始倾角为0；

按照从上往下顺序，最上方的所述沉降标识元件与所述定位标识元件之间初始间隔距离及相邻的两个所述沉降标识元件之间的初始间隔距离分别由对应的所述距离测量仪测量出，所述初始间隔距离依次为d₁、d₂……d_n；

S04：所述监测控制装置获取并记录每个所述初始倾角和每个所述初始间隔距离；

S05：按照预设时间间隔，所述倾角测量仪测量当前倾角α₁、α₂，……,α_n，所述距离测量仪测量当前间隔距离D₁、D₂……D_n；

S06：所述监测控制装置获取并记录每个所述当前倾角和每个所述当前间隔距离；

所述监测控制装置根据所述当前倾角、所述初始间隔距离及所述当前间隔距离计算出每个所述沉降标识元件的当前垂向深度H和当前水平位移L，并予以显示。

2.根据权利要求1所述的岩层沉降位移监测方法，其特征在于，所述步骤S06中包括比较判断步骤，包括：

如α_m＝0，m为自然数，且1≤m≤n，则表明从上往下数第m个所述沉降标识元件所处的位置仅发生垂向位移；

如α_m＞0，则表明从上往下数第m个所述沉降标识元件所处的位置既发生垂向位移，又发生水平位移。

3.根据权利要求2所述的岩层沉降位移监测方法，其特征在于，所述步骤S06中包括计算步骤，包括：

如α_m＝0：

从上往下数第m个所述沉降标识元件发生的垂向位移量△H_m＝D_m-d_m，所述沉降标识元件发生的水平位移量△L_m＝0；

从上往下数第m个所述沉降标识元件的当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)；

如α_m＞0：

从上往下数第m个所述沉降标识元件发生的垂向位移量△H_m＝D_m×cosα_m-d_m，从上往下数第m个所述沉降标识元件发生的水平位移量△L_m＝D_m×sinα_m；

从上往下数第m个所述沉降标识元件的当前垂向深度H_m＝(d₁+d₂+……+d_m)+(△H₁+△H₂+……+△H_m)；

则从上往下数第m个所述沉降标识元件的当前水平位移L_m＝△L₁+△L₂+……+△L_m。

4.根据权利要求1所述的岩层沉降位移监测方法，其特征在于，所述倾角测量仪为水平仪；

所述水平仪能够测量所述沉降环与水平面的夹角β，自动转换并输出所述沉降环与垂直方向的夹角α，α＝90°-β。

5.根据权利要求1所述的岩层沉降位移监测方法，其特征在于，所述距离测量仪为测距传感器，所述测距传感器安装在所述沉降环的中心孔中。