CN114383661A - 一种崩塌位移监测装置及方法 - Google Patents

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周翠琼
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Abstract

本发明提供了一种崩塌位移监测装置及方法，该装置包括：传感器模块及通信供电系统，所述传感器模块固定设置在危岩的后缘裂隙，所述通信供电系统固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述传感器模块电性连接所述通信供电系统，所述通信供电系统用于给传感器模块充电以及将传感器模块获取的信息发送至后台监控主机。本发明提供的崩塌位移监测装置及方法，便于安装，降低了安全风险，能够对崩塌危岩的后缘裂隙进行监测，提高了监测精度。

Description

一种崩塌位移监测装置及方法
技术领域
本发明涉及崩塌监测技术领域，特别是涉及一种崩塌位移监测装置及方法。
背景技术
崩塌是指位于陡崖、陡坡前缘的部分岩土体，突然与母体分离，翻滚跳跃崩坠崖底或塌落在坡脚的过程与现象称为崩塌。崩塌一般发生在坚硬岩地区的高陡边坡，因为河流切割、人工开挖或地壳运动形成的高陡边坡，应力重新分布后在边坡卸荷区内形成张拉张裂缝，并与其它裂隙和结构面组合，逐步贯通形成危岩体，在地震、降雨、冻胀、人为活动等促发因素下崩塌发生。
目前，我们对崩塌进行监测的主要手段是用倾角加速度计或者MEMS倾斜仪安装于危岩体上，来监测围岩的倾角、加速度以及位移的变化，但是，倾角加速度计或者MEMS倾斜仪的安装比较困难，可能会造成安全事故，而且无法回收，只能使用一次，不经济，在监测时也存在监测部位不准确，有局限性的问题。因此，设计一种崩塌位移监测装置及方法是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种崩塌位移监测装置及方法，便于安装，降低了安全风险，能够对崩塌危岩的后缘裂隙进行监测，提高了监测精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种崩塌位移监测装置，包括：传感器模块及通信供电系统，所述传感器模块固定设置在危岩的后缘裂隙，所述通信供电系统固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述传感器模块电性连接所述通信供电系统，所述通信供电系统用于给传感器模块充电以及将传感器模块获取的信息发送至后台监控主机；
所述传感器模块包括固定端安装部件、危岩端安装部件、传感器感应控制模块、位移传感器、传感器连接杆及活动连接杆，所述固定端安装部件作为固定端固定设置在后缘裂隙内部的斜坡上，所述固定端安装部件的中心固定设置所述传感器感应控制模块，所述传感器感应控制模块的中心固定设置并连接所述位移传感器，所述位移传感器的弹簧固定连接所述传感器连接杆，所述传感器连接杆活动连接所述活动连接杆，所述活动连接杆活动连接所述危岩端安装部件，所述危岩端安装部件作为活动端固定设置在后缘裂隙内部的危岩上；
所述通信供电系统包括安装基座、RTU及GPRS通信模块、立杆及太阳能电池板，所述安装基座固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述安装基座的顶部固定设置所述立杆，所述立杆的顶部固定设置所述RTU及GPRS通信模块，所述RTU及GPRS通信模块的顶部固定设置所述太阳能电池板，所述RTU及GPRS通信模块连接所述传感器感应控制模块及后台监控主机。
可选的，所述固定端安装部件包括第一安装板及固定端固定螺杆，所述第一安装板的一侧固定设置所述固定端固定螺杆，另一侧固定设置所述传感器感应控制模块，所述第一安装板通过所述固定端固定螺杆固定设置在后缘裂隙内部的斜坡上。
可选的，所述危岩端安装部件包括第二安装板及危岩端固定螺杆，所述第二安装板的一侧固定设置所述危岩端固定螺杆，所述第二安装板的另一侧与所述传感器连接杆未连接弹簧的一端均对应所述活动连接杆设置有活动连接头，所述活动连接头用于与所述活动连接杆活动连接，所述第二安装板通过所述危岩端固定螺杆固定设置在后缘裂隙内部的危岩上。
可选的，所述通信供电系统还包括蓄电池，所述太阳能电池板连接所述蓄电池，所述蓄电池及RTU及GPRS通信模块通过供电传输线电性连接所述传感器感应控制模块。
本发明还提供了一种崩塌位移监测方法，应用于上述的崩塌位移监测装置，包括如下步骤：
步骤1：将传感器模块安装在崩塌危岩的后缘裂隙中，传感器模块监测危岩拉伸位移及拉力；
步骤2：获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，根据危岩稳定系数及危岩拉伸位移及拉力判断危岩是否稳定。
可选的，步骤2中，获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，具体为：
获取危岩的高度H、后缘裂隙粘聚力标准值c、后缘裂隙内摩擦角标准值Φ、软弱结构面倾角θ、危岩体自重W及裂隙深度h0，将危岩的工况分为天然状态、暴雨状态及天然地震力状态，其中天然状态下的危岩稳定系数K1及裂隙水压力V1为：
Figure BDA0003466289520000031
Figure BDA0003466289520000032
式中，hW1为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure BDA0003466289520000033
暴雨状态下的危岩稳定系数K2及裂隙水压力V2为：
Figure BDA0003466289520000034
Figure BDA0003466289520000035
式中，hW2为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure BDA0003466289520000036
天然地震力状态下的危岩稳定系数K3及裂隙水压力V3为：
Figure BDA0003466289520000037
Figure BDA0003466289520000038
式中，hW3为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure BDA0003466289520000039
rW取10KN/m，Q为地震力，单位为KN/m，Q＝ξe×W，其中，ξe为地震水平作用系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的崩塌位移监测装置及方法，该装置设置有传感器模块及通信供电系统，其中，传感器模块设置在危岩的后缘裂隙中；该装置设置有固定端安装部件及危岩端安装部件，通过固定端固定螺杆将固定端安装部件固定设置在斜坡上，通过危岩端固定螺杆将危岩端安装部件固定设置危岩上；该装置还设置有活动连接头，通过活动连接头可对该装置进行调整，使其能够适用于不同的后缘裂隙；该装置设置有通信供电系统，能够通过太阳能电池板进行供电，通过RTU及GPRS通信模块进行数据传输；该方法包括将传感器模块安装在崩塌危岩的后缘裂隙中，传感器模块监测危岩拉伸位移及拉力，获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，根据危岩稳定系数及危岩拉伸位移及拉力判断危岩是否稳定，能够对危岩稳定进行判断，进而可以进行危岩监测预警，降低事故发生概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例崩塌位移监测装置结构示意图；
图2为传感器模块结构示意图；
图3为通信供电系统结构示意图；
图4为本发明实施例崩塌位移监测方法流程示意图；
图5为滑塌式危岩稳定性分析示意图；
图6为受力分析图。
附图标记：1、第一安装板；2、固定端固定螺杆；3、传感器感应控制模块；4、供电及传输线；5、位移传感器；6、传感器连接杆；7、活动连接杆；8、第二安装板；9、危岩端固定螺杆；10、太阳能电池板；11、RTU及GPRS通信模块；12、立杆；13、安装基座；14、通信供电系统；15、传感器模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种崩塌位移监测装置及方法，便于安装，降低了安全风险，能够对崩塌危岩的后缘裂隙进行监测，提高了监测精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供的崩塌位移监测装置，包括：传感器模块15及通信供电系统14，所述传感器模块15固定设置在危岩的后缘裂隙，所述通信供电系统14固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述传感器模块15电性连接所述通信供电系统14，所述通信供电系统14用于给传感器模块15充电以及将传感器模块15获取的信息发送至后台监控主机；
如图2所示，所述传感器模块15包括固定端安装部件、危岩端安装部件、传感器感应控制模块3、位移传感器5、传感器连接杆6及活动连接杆7，所述固定端安装部件作为固定端固定设置在后缘裂隙内部的斜坡上，所述固定端安装部件的中心固定设置所述传感器感应控制模块3，所述传感器感应控制模块3的中心固定设置并连接所述位移传感器5，所述位移传感器5的弹簧固定连接所述传感器连接杆6，所述传感器连接杆6活动连接所述活动连接杆7，所述活动连接杆7活动连接所述危岩端安装部件，所述危岩端安装部件作为活动端固定设置在后缘裂隙内部的危岩上；
如图3所示，所述通信供电系统包括安装基座13、RTU及GPRS通信模块11、立杆12及太阳能电池板10，所述安装基座13固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述安装基座13的顶部固定设置所述立杆12，所述立杆12的顶部固定设置所述RTU及GPRS通信模块11，所述RTU及GPRS通信模块11的顶部固定设置所述太阳能电池板10，所述RTU及GPRS通信模块11连接所述传感器感应控制模块3及后台监控主机。
RTU及GPRS通信模块11是将RTU与GPRS通信模块集成一体构成。
所述固定端安装部件包括第一安装板1及固定端固定螺杆2，所述第一安装板1的一侧固定设置所述固定端固定螺杆2，另一侧固定设置所述传感器感应控制模块3，所述第一安装板1通过所述固定端固定螺杆2固定设置在后缘裂隙内部的斜坡上。
所述危岩端安装部件包括第二安装板8及危岩端固定螺杆9，所述第二安装板8的一侧固定设置所述危岩端固定螺杆9，所述第二安装板8的另一侧与所述传感器连接杆6未连接弹簧的一端均对应所述活动连接杆7设置有活动连接头，所述活动连接头用于与所述活动连接杆7活动连接，所述第二安装板8通过所述危岩端固定螺杆9固定设置在后缘裂隙内部的危岩上。
所述通信供电系统还包括蓄电池，所述太阳能电池板10连接所述蓄电池，所述蓄电池及RTU及GPRS通信模块11通过供电传输线电性连接所述传感器感应控制模块。
如图4所示，本发明还提供了一种崩塌位移监测方法，应用于上述的崩塌位移监测装置，包括如下步骤：
步骤1：将传感器模块安装在崩塌危岩的后缘裂隙中，传感器模块监测危岩拉伸位移及拉力；
步骤2：获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，根据危岩稳定系数及危岩拉伸位移及拉力判断危岩是否稳定。
步骤1中，将传感器模块安装在崩塌危岩的后缘裂隙中，传感器模块监测危岩拉伸位移及拉力，具体为：
如图1所示，将传感器安装于崩塌危岩的后缘裂隙中，一端固定在危岩体上，作为活动端，另一端固定斜坡上，作为固定端，整个传感器是弹簧和连接杆组成，并加一个活动连接杆连接，当危岩体又滑动时，传感器的监测杆会收到拉伸，监测杆带动的传感器内弹簧的拉伸，根据胡克定律ΔF＝-k·Δx，可以知道拉力变化值ΔF和位移变化值Δx，通过固定端的感应器的转化，将信息通过供电传输线传到供电系统中RTU，RTU将数据通过GPRS通信模块，发送到后台，后台根据数据进行判断和分析。
如图5所示，步骤2中，获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，具体为：
获取危岩的高度H，单位为m；
后缘裂隙粘聚力标准值c：单位为KPa，当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段粘聚力标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的0.4倍；
后缘裂隙内摩擦角标准值Φ：当裂隙未贯通时,取贯通段和未贯通内摩擦角标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段粘聚力标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍，单位为KPa；
软弱结构面倾角θ：单位为°，外倾取正，内倾取负；
危岩体自重W：单位为kN/m3；
裂隙深度h0：单位为m；
将危岩的工况分为天然状态、暴雨状态及天然地震力状态，其中天然状态下的危岩稳定系数K1及裂隙水压力V1为：
Figure BDA0003466289520000071
Figure BDA0003466289520000072
式中，hW1为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure BDA0003466289520000073
暴雨状态下的危岩稳定系数K2及裂隙水压力V2为：
Figure BDA0003466289520000074
Figure BDA0003466289520000075
式中，hW2为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure BDA0003466289520000076
天然地震力状态下的危岩稳定系数K3及裂隙水压力V3为：
Figure BDA0003466289520000077
Figure BDA0003466289520000078
式中，hW3为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure BDA0003466289520000079
rW取10KN/m，Q为地震力，单位为KN/m，Q＝ξe×W，其中，ξe为地震水平作用系数，其中，七级烈度地区ξe取0.075。
通过以上三种状态的分析，可知，在暴雨状态下或者地震力(包括天然地震力和人工地震力)作用下，危岩是极容易发生崩塌的。因此可得到危岩稳定性跟危岩的自重、斜坡的坡角、空袭深度以及空隙水压力有直接关系。
如图6所示，对危岩拉伸位移及拉力进行分析，可知，传感器模块监测的拉力F拉就是下滑力F下滑和抗滑力F抗滑的水平分量：
F拉＝(F下滑-F抗滑)cosθ
而
F下滑＝Wsinθ+Qcosθ
Figure BDA0003466289520000081
所以
Figure BDA0003466289520000082
当F拉>0时，也就是，危岩会产生滑动，此时危岩的下滑就会带动位移传感器，也就产生转移，F拉也就是传感器连接杆收到的拉力，和位移关系满足胡克定律F＝-k·x(k为弹性系数)，也可以演化为ΔF＝-k·Δx，ΔF为传感器收到拉力(应力)变量，Δx为位移的变量，可见拉力越大，位移越大，Δx越大，我们是可以通过传感器感应控制模块的转化，进行直接读取；
当F拉＝0，也就是就是危岩的临界状态；
当F拉<0，也就是，危岩处于相对稳定状态。
考虑其他外界因素：如危岩体所处环境、降雨量等，在设预警值和预警分级时，应将传感器位移的阈值和雨量结合设置，作为综合判据，建立预警模型，尤其是在降雨量大的地区或者在汛期，将阈值范围和分级范围缩小，同时应该位移传感器回传周期缩小，以便能及时准确的监测到危岩体的实时状态；
当危岩体处在库区或者临水边坡上时，我们应该增加水位监测以及水压力监测，所得监测数据应结合传感器的位移数据作为综合判据，设置预警模型和预警分级；
当危岩体处在公路边坡或者矿区边坡时，也应该将阈值范围和分级范围缩小，同时应该位移传感器回传周期缩小，以便能及时准确的监测到危岩体的实时状态；
当危岩体所处地段，险情重大时，也应该将阈值范围和分级范围缩小，同时应该位移传感器回传周期缩小，以便能及时准确的监测到危岩体的实时状态。
本发明提供的崩塌位移监测装置及方法，该装置设置有传感器模块及通信供电系统，其中，传感器模块设置在危岩的后缘裂隙中；该装置设置有固定端安装部件及危岩端安装部件，通过固定端固定螺杆将固定端安装部件固定设置在斜坡上，通过危岩端固定螺杆将危岩端安装部件固定设置危岩上；该装置还设置有活动连接头，通过活动连接头可对该装置进行调整，使其能够适用于不同的后缘裂隙；该装置设置有通信供电系统，能够通过太阳能电池板进行供电，通过RTU及GPRS通信模块进行数据传输；该方法包括将传感器模块安装在崩塌危岩的后缘裂隙中，传感器模块监测危岩拉伸位移及拉力，获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，根据危岩稳定系数及危岩拉伸位移及拉力判断危岩是否稳定，能够对危岩稳定进行判断，进而可以进行危岩监测预警，降低事故发生概率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种崩塌位移监测装置，其特征在于，包括：传感器模块及通信供电系统，所述传感器模块固定设置在危岩的后缘裂隙，所述通信供电系统固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述传感器模块电性连接所述通信供电系统，所述通信供电系统用于给传感器模块充电以及将传感器模块获取的信息发送至后台监控主机；
所述传感器模块包括固定端安装部件、危岩端安装部件、传感器感应控制模块、位移传感器、传感器连接杆及活动连接杆，所述固定端安装部件作为固定端固定设置在后缘裂隙内部的斜坡上，所述固定端安装部件的中心固定设置所述传感器感应控制模块，所述传感器感应控制模块的中心固定设置并连接所述位移传感器，所述位移传感器的弹簧固定连接所述传感器连接杆，所述传感器连接杆活动连接所述活动连接杆，所述活动连接杆活动连接所述危岩端安装部件，所述危岩端安装部件作为活动端固定设置在后缘裂隙内部的危岩上；
所述通信供电系统包括安装基座、RTU及GPRS通信模块、立杆及太阳能电池板，所述安装基座固定设置在危岩一侧的斜坡上，所述安装基座的顶部固定设置所述立杆，所述立杆的顶部固定设置所述RTU及GPRS通信模块，所述RTU及GPRS通信模块的顶部固定设置所述太阳能电池板，所述RTU及GPRS通信模块连接所述传感器感应控制模块及后台监控主机。
2.根据权利要求1所述的崩塌位移监测装置，其特征在于，所述固定端安装部件包括第一安装板及固定端固定螺杆，所述第一安装板的一侧固定设置所述固定端固定螺杆，另一侧固定设置所述传感器感应控制模块，所述第一安装板通过所述固定端固定螺杆固定设置在后缘裂隙内部的斜坡上。
3.根据权利要求2所述的崩塌位移监测装置，其特征在于，所述危岩端安装部件包括第二安装板及危岩端固定螺杆，所述第二安装板的一侧固定设置所述危岩端固定螺杆，所述第二安装板的另一侧与所述传感器连接杆未连接弹簧的一端均对应所述活动连接杆设置有活动连接头，所述活动连接头用于与所述活动连接杆活动连接，所述第二安装板通过所述危岩端固定螺杆固定设置在后缘裂隙内部的危岩上。
4.根据权利要求1所述的崩塌位移监测装置，其特征在于，所述通信供电系统还包括蓄电池，所述太阳能电池板连接所述蓄电池，所述蓄电池及RTU及GPRS通信模块通过供电传输线电性连接所述传感器感应控制模块。
5.一种崩塌位移监测方法，应用于权利要求1-4任一所述的崩塌位移监测装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将传感器模块安装在崩塌危岩的后缘裂隙中，传感器模块监测危岩拉伸位移及拉力；
步骤2：获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，根据危岩稳定系数及危岩拉伸位移及拉力判断危岩是否稳定。
6.根据权利要求5所述的崩塌位移监测方法，其特征在于，步骤2中，获取危岩数据，对不同工况下的危岩进行分析，根据危岩数据计算危岩稳定系数，具体为：
获取危岩的高度H、后缘裂隙粘聚力标准值c、后缘裂隙内摩擦角标准值Φ、软弱结构面倾角θ、危岩体自重W及裂隙深度h0，将危岩的工况分为天然状态、暴雨状态及天然地震力状态，其中天然状态下的危岩稳定系数K1及裂隙水压力V1为：
Figure FDA0003466289510000021
Figure FDA0003466289510000022
式中，hW1为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure FDA0003466289510000023
暴雨状态下的危岩稳定系数K2及裂隙水压力V2为：
Figure FDA0003466289510000024
Figure FDA0003466289510000025
式中，hW2为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure FDA0003466289510000026
天然地震力状态下的危岩稳定系数K3及裂隙水压力V3为：
Figure FDA0003466289510000031
Figure FDA0003466289510000032
式中，hW3为天然状态下裂隙水高度，单位为m，
Figure FDA0003466289510000033
rW取10KN/m，Q为地震力，单位为KN/m，Q＝ξe×W，其中，ξe为地震水平作用系数。
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