CN117523787A - 一种滑坡安全监测系统及其预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑坡安全监测系统及其预警方法，涉及安全监测技术领域。包括连接云端服务器的控制端和埋设于土坡内监测的滑坡传感器；所述滑坡传感器均布在待监测的土坡上，获取滑坡传感器安装点的不同深度的土层松紧数据和土层偏移数据；所述控制端获取滑坡传感器发送的土层松紧数据和土层偏移数据，并结合预先获取的待监测土坡的区域三维图像，构建待监测的土坡的土层三维监测模型；所述控制端实时获取所述滑坡传感器发送数据并更新土层三维监测模型，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端发出滑坡预警警报；所述土层三维监测模型变化量为实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型对比数值，包括获取土层松紧变化量和土层偏移量。

Description

一种滑坡安全监测系统及其预警方法

技术领域

本发明涉及安全监测技术领域，特别涉及一种滑坡安全监测系统及其预警方法。

背景技术

滑坡是地壳表层的岩、土体的一种动力特性的地质灾变现象，是自然界中一种多发性的地质灾害。在我国发生的各类地质灾害中，滑坡造成的损失最为严重。绝大多数滑坡的形成都得经历从出现变形迹象到逐渐发展和最终失稳破坏的过程，在此过程中变形是最明显、容易观测到的现象，因此，也被称为滑坡预警预报最重要的指标。

CN204085568U一种自动监测边坡土体应力应变装置，具体涉及一种自动监测边坡土体应力应变装置,包括感应设备，该感应设备的一端连接有数据采集设备，其另一端为密封端；该感应设备包括柔性管体，该柔性管体的外壁上设有电阻应变片；所述数据采集设备包括壳体，该壳体内设有数据采集器、电源和信号输出装置，该数据采集器与信号输出装置连接；所述电阻应变片与所述数据采集器连接。该专利采用柔性管体并在柔性管体设置电阻应变片，虽然可以测量应力，但由于土层的特殊性，柔性管体在埋设在土层中时，柔性管体受到的预应力是大面积的，且柔性管体反映的应力可能变化不大，或仅是有一个数据，只有土层有相对滑动土层发生滑动时，可能有数据变化，软体管体结合电阻应变片的方式并不满足土层应力检测。

并且土层的应力变化并不能很好反应土层松紧情况，并且具有局限性，因此需要一种能够对滑坡进行安全监控的装置或系统。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种滑坡安全监测系统及其预警方法，用于测量边坡行型变情况及土层松紧数据变化情况，以满足对边坡滑坡监测需要。

具体技术方案如下：

一种滑坡安全监测系统，包括连接云端服务器的控制端和埋设于土坡内监测的滑坡传感器；其特征在于：

所述滑坡传感器均布在待监测的土坡上，获取滑坡传感器安装点的不同深度的土层松紧数据和土层偏移角度数据；

所述控制端获取滑坡传感器发送的土层松紧数据和土层偏移角度数据，并结合预先获取的待监测土坡的区域三维图像，构建待监测的土坡的土层三维监测模型；

所述控制端实时获取所述滑坡传感器发送数据并更新土层三维监测模型，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端发出滑坡预警警报；

所述土层三维监测模型变化量为实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型对比数值，包括获取土层松紧变化量和土层偏移量；所述土层松紧数据为土层层面在被一定推力下推开的距离大小；所述土层偏移角度数据为滑坡传感器安装点的不同深度的土层相对滑坡传感器锚点的角度平移量。

优选地，所述滑坡传感器包括锚杆、测量段和监测头，所述锚杆、测量段和监测头依次相连；

所述锚杆用于在土层内形成锚点；

所述测量段包括若干个且依次相连，垂直埋设在土层中，两相邻的测量段之间采用球形铰接连接；所述测量段包括杆体、土层松紧测量结构和角度测量组件，所述杆体一端为球形结构，另一端为对应所述球形结构并能够形成球形铰接的凹面结构，所述杆体两端通过中心柱连接，杆体的中心柱外设有与中心柱同轴设置的外框架，所述外框架与中心柱端部固定；所述土层松紧测量结构包括沿外框架周向设置的多个张开片、环套设在中心柱上的两滑动块、两铰接在张开片与滑动块之间的连杆和使得两滑动块相对靠近的弹簧；张开片能够收叠在外框架上形成与中心柱同心的柱体；两所述滑动块相对滑动靠近时连杆带动张开片相对杆体径向向外位移，两滑动块相对滑动远离时，张开片能够收叠在外框架上；所述弹簧套设在中心柱上并位于滑动块与杆体端部之间，杆体端部上设有对应测量弹簧对杆体端部压力的压力传感器和对应测量两所述滑动块之间距离的位移传感器；所述张开片能够相对外框架的移动距离为外框架直径大小的1-3倍；所述角度测量组件设置在杆体端部，用于测量两铰接杆体之间的偏转角度；

所述监测头设置在土层外，包括监测头本体、用于供电的电池、无线模块、监测电路和标记灯，所述电池、无线模块和监测电路设置在测头本体内，且监测电路连接压力传感器、位移传感器和角度测量组件，监测电路通过无线模块将采集到的数据输送到所述控制端；所述标记灯设置在监测头本体远离测量段的端部，用于显示标记滑坡传感器的运行状态。

优选地，所述测量段长度为5-15cm。

优选地，两相邻的测量段之间转动夹角为0-60°。

优选地，所述角度测量组件包括电极片，电极片均布在球形结构和凹面结构上，并且球形结构和凹面结构上能够形成电容，通过测量电极片间形成电容情况获取两两相邻的测量段之间的偏转角度。

优选地，所述测量段套设在防水套中，所述防水套径向可伸展。

优选地，所述滑坡传感器还包括安装杆、预紧条和预紧条撕扯结构，所述预紧条连接在滑动块与中心杆端部之间，以使得与滑动块连接的张开片收叠在外框架上，预紧条撕扯结构设置在预紧条端部，用于撕扯断开预紧条；所述安装杆设置至少一根，并能够沿监测头处依次伸入到测量段和锚杆中，并与测量段中的预紧条撕扯结构连接；安装时，通过对安装杆旋转拉扯预紧条撕扯结构以使得预紧条断开，释放所述弹簧。

优选地，所述控制端连接太阳能供电设备。

优选地，所述滑坡传感器相对土层呈90°安装。

一种滑坡安全监测预警方法，步骤包括：

将滑坡传感器沿土坡坡度方向以2-5m×2-5m纵横间隔布设待监测的土坡上，并将滑坡传感器呈90°插入到土层中，获取滑坡传感器安装点下方间隔5-15深度的土层松紧数据和土层偏移角度数据；

通过无人机获取的待监测土坡的区域三维图像，并结合所述控制端获取滑坡传感器发送的土层松紧数据和土层偏移角度数据，建立初始土层三维监测模型；

实时更新土层三维监测模型，对实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型进行对比，获取土层三维监测模型的变化量，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端发出滑坡预警警报；

所述变化量包括获取土层松紧变化量和土层偏移量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明滑坡安全监测系统可以实时监测边坡的位移、变形、土层松紧数据等关键指标，及时发现滑坡的迹象。通过分析监测数据，预警方法可以准确地预测滑坡的发生，为相关部门和人员提供足够的时间采取应对措施。

本发明滑坡安全监测系统可以自动化运行，减少人工干预，提高监测效率。该系统适用于各种类型的滑坡监测，包括山体滑坡、土体滑坡、岩石滑坡等。

本发明滑坡安全监测系统的建设和运行成本相对较低，可以有效地保护人们的生命财产安全，提高经济效益。滑坡安全监测系统的建设和运行可以提高人们对地质灾害的防范意识，促进社会稳定和可持续发展。

附图说明

图1是本发明监测系统安装环境示意图；

图2是本发明监测系统功能框架图；

图3是本发明滑坡传感器功能框架图；

图4是本发明滑坡传感器安装示意图；

图5是本发明滑坡传感器测量段结构示意图；

图6是本发明土层松紧测量结构展开示意图；

图7是本发明滑坡传感器测量段结构防水结构示意图；

图8是本发明滑坡传感器辅助安装结构示意图；

图9是本发明预紧条撕扯结构示意图；

图10是本发明监测预警方法步骤示意图。

附图中，100-控制端、200-滑坡传感器、300-待监测土坡、400-云端服务器，

201-监测头、202-测量段、203-锚杆、204-球形结构、205-凹面结构、206-中心柱、207-外框架、208-张开片、209-滑动块、210-连杆、211-弹簧、212-压力传感器、213-防水粘连端、214-防水套、215-安装杆、216-预紧条、217-撕扯条、218-预紧条撕扯结构。

具体实施方式

以下结合说明书附图对发明实施方式进一步地详细描述，以使得本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚呈现。

如图1所示公开了本发明滑坡安全监测系统的一环境安装示意图，作为滑坡安全安全监测，本发明在应用领域上可以对土建道路边坡、工程基坑等进行滑坡的监测，以预防和减少地质灾害的发生。如图2所示，本发明主要包括连接云端服务器400的控制端100和埋设于土坡内监测的滑坡传感器200。云端服务器400用于对控制端100进行算力支持，包括接收控制端100上传的数据、对上传的数据进行处理、分析、预警等，并将分析结果发送到控制端100。控制端100用于对滑坡传感器200的数据收集，监控滑坡传感器200的状态，对云端服务器400反馈的分析结果进行处理。滑坡传感器200用于获取待监测土坡300的不同深度土层的土层松紧数据和土层偏移角度数据，并发送到控制端100中。

结合图1及图2，本发明滑坡安全监测系统的功能架构为：

滑坡传感器200均布在待监测的土坡上，获取滑坡传感器200安装点的不同深度的土层松紧数据和土层偏移角度数据。

控制端100获取滑坡传感器200发送的土层松紧数据和土层偏移角度数据，并结合预先获取的待监测土坡300的区域三维图像，构建待监测的土坡的土层三维监测模型。

控制端100实时获取所述滑坡传感器200发送数据并更新土层三维监测模型，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端100发出滑坡预警警报。

土层三维监测模型变化量为实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型对比数值，包括获取土层松紧变化量和土层偏移量；所述土层松紧数据为土层层面在被一定推力下推开的距离大小；所述土层偏移角度数据为滑坡传感器200安装点的不同深度的土层相对滑坡传感器200锚点的角度平移量。

这里，控制端100连接太阳能供电设备。

本实施例提供一种滑坡传感器200的实施结构，以下结合图3-图9进行具体说明。

滑坡传感器200包括锚杆203、测量段202和监测头201，所述锚杆203、测量段202和监测头201依次相连，如图3所示。锚杆203用于在土层内形成锚点。测量段202包括若干个且依次相连，垂直埋设在土层中，两相邻的测量段202之间采用球形铰接连接。

测量段202包括杆体、土层松紧测量结构和角度测量组件。

这里，杆体一端为球形结构204，另一端为对应所述球形结构204并能够形成球形铰接的凹面结构205，所述杆体两端通过中心柱206连接，杆体的中心柱206外设有与中心柱206同轴设置的外框架207，所述外框架207与中心柱206端部固定。土层松紧测量结构包括沿外框架207周向设置的多个张开片208、环套设在中心柱206上的两滑动块209、两铰接在张开片208与滑动块209之间的连杆210和使得两滑动块209相对靠近的弹簧211。张开片208能够收叠在外框架207上形成与中心柱206同心的柱体。两所述滑动块209相对滑动靠近时连杆210带动张开片208相对杆体径向向外位移，两滑动块209相对滑动远离时，张开片208能够收叠在外框架207上，可结合附图图5-6所示。弹簧211套设在中心柱206上并位于滑动块209与杆体端部之间，杆体端部上设有对应测量弹簧211对杆体端部压力的压力传感器212和对应测量两所述滑动块209之间距离的位移传感器。需要说明的是，张开片208的大小根据弹簧211在张开片208上形成的最大每平方厘米压力决定，可参照相关标准或不小于0.1MPa/cm²。这里，最上层测量段202或监测头201与土层表面结合处应用土压实，避免雨水沿测量段202外侧流入，影响测量段202对应土层稳定，影响测量准确性。

其中，角度测量组件设置在杆体端部，用于测量两铰接杆体之间的偏转角度，两相邻的测量段202之间转动夹角为0-60°，通过多个测量段202亦可以获取土层变化超过超过60°。

其中，角度测量组件包括电极片，电极片均布在球形结构204和凹面结构205上，并且球形结构204和凹面结构205上能够形成电容，通过测量电极片间形成电容情况获取两两相邻的测量段202之间的偏转角度。

这里，监测头201设置在土层外，包括监测头201本体、用于供电的电池、无线模块、监测电路和标记灯，所述电池、无线模块和监测电路设置在测头本体内，且监测电路连接压力传感器212、位移传感器和角度测量组件，监测电路通过无线模块将采集到的数据输送到所述控制端100；所述标记灯设置在监测头201本体远离测量段202的端部，用于显示标记滑坡传感器200的运行状态，这里可以采用红、橙、绿表示不同危险程度，例如红色代表可能随时发生滑坡或已经发生滑坡，橙代表有滑坡风险，绿色代表检测良好等，当然也可以通过不同闪烁反应运行状态。

其中，张开片208的伸展距离关系到测量的结果，这里张开片208能够相对外框架207的移动距离为外框架207直径大小的2倍，具体可以在1-3倍之间根据需要选择；并且测量段202长度为10cm，具体可以在5-15cm之间选择，这样可以满足不同土层结构的测量需要。

如图7所示，所述测量段202套设在防水套214中，所述防水套214径向可伸展，为更好提供防水效果，这里防水套214可以在测量段202两端之间，即防水套214端部与测量段202端部密封粘连，形成防水粘连端213，相邻测量段202之间同样套设防水套214；同样还可以配合不同测量段202数据线口处采用防水密封，这样可形成多个独立防水段，极大程度上确保了滑坡传感器200的可靠性和稳定性。

如图8-9所示，为实现对测量段202滑坡传感器200的安装，避免由于存在多个测量段202时，造成放置困难放置偏移的问题，这里还包括安装杆215、预紧条216和预紧条撕扯结构218。预紧条216连接在滑动块209与中心杆端部之间，以使得与滑动块209连接的张开片208收叠在外框架207上，预紧条撕扯结构218设置在预紧条216端部，用于撕扯断开预紧条216。所述安装杆215设置至少一根，并能够沿监测头201处依次伸入到测量段202和锚杆203中，并与测量段202中的预紧条撕扯结构218连接；安装时，通过对安装杆215旋转拉扯预紧条撕扯结构218以使得预紧条216断开，释放所述弹簧211。这里，预紧条216和预紧条撕扯结构218可以为塑料结构，预紧条撕扯结构218为塑料易撕结构，这里可参照现有技术，本实施例不进一步论述。为便于安装杆215在撕开预紧条撕扯结构218后抽离，可以在预紧条撕扯结构218与安装杆215之前设置用于拉扯预紧条撕扯结构218的金属丝，金属丝在安装杆215旋转过程中不断绕安装杆215缠绕，带动预紧条撕扯结构218撕开，但预紧条撕扯结构218一端固定连接滑动块209，随着安装杆215不断旋转，金属丝与预紧条撕扯结构218断开，安装杆215便于抽离。应该要说明的是，在设置防水套214后，在安装杆215便于抽离后只需要将最上处的安装洞堵塞即可。

这里基于上述方案详述系统的布置过程。

首先，采集待监测土坡300的基础数据，包括土层构成、不同土层厚度、地质构成、土壤含水率、土坡坡度等基础数据，以便于确定使用多少个滑坡传感器200，布置的密度等，一般风险监控要求高的，布置密度大，监控要求低的，布置密度小，但一般需先确保横向布置。对于滑坡传感器200的参数选择上，主要根据待监测土坡300的表土层、心土层厚度等选择，一般的以测量段202长度为12cm为例，一般可以选择4-6个测量段202或者以上，对于锚杆203一般为1-2m。

在选定滑坡传感器200安装地点后，先采用滑坡传感器200直径大小的钻头相对土层呈90°打孔，以满足测量段202的放入，在安装时，可以先安装锚杆203，再将装有安装杆215的多个测量段202对应插入孔中与锚杆203先形成连接，这里可以采用可锁死的插接结构，以形成快速稳固的连接。在测量段202与锚杆203连接后，可以将安装杆215拆除，具体是超一方向连续旋转，以使得安装杆215带动撕开预紧条撕扯结构218，预紧条216断开连接，即弹簧211恢复自由装置，由于测量段202已埋入土壤孔中，并不会剧烈回弹，在旋转多圈确保撕开预紧条撕扯结构218后，将安装杆215拉出即可。监测头201应在安装杆215拆除前启动初始化，完成与控制端100数据通讯链路建立，准备数据收集。至此完成安装布置。

这里基于上述方案还公开了一种滑坡安全监测预警方法，如图10所示，步骤包括：

将滑坡传感器200沿土坡坡度方向以2-5m×2-5m纵横间隔布设待监测的土坡上，并将滑坡传感器200呈90°插入到土层中，获取滑坡传感器200安装点下方间隔5-15深度的土层松紧数据和土层偏移角度数据；

通过无人机获取的待监测土坡300的区域三维图像，并结合所述控制端100获取滑坡传感器200发送的土层松紧数据和土层偏移角度数据，建立初始土层三维监测模型；

实时更新土层三维监测模型，对实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型进行对比，获取土层三维监测模型的变化量，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端100发出滑坡预警警报；

所述变化量包括获取土层松紧变化量和土层偏移量。

这里，显示的区域三维图像无需动态显示待监测土坡300实际变化，只需要根据土层松紧数据和土层偏移角度数据进行显示提示即可

以上所述仅是本发明较佳可行实施例，非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神及原则之内，所完成的同等变化、等同替换或修饰变更，均应包含在本发明所涵盖专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种滑坡安全监测系统，包括连接云端服务器的控制端和埋设于土坡内监测的滑坡传感器；其特征在于：

所述滑坡传感器均布在待监测的土坡上，获取滑坡传感器安装点的不同深度的土层松紧数据和土层偏移角度数据；

所述控制端获取滑坡传感器发送的土层松紧数据和土层偏移角度数据，并结合预先获取的待监测土坡的区域三维图像，构建待监测的土坡的土层三维监测模型；

所述控制端实时获取所述滑坡传感器发送数据并更新土层三维监测模型，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端发出滑坡预警警报；

所述土层三维监测模型变化量为实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型对比数值，包括获取土层松紧变化量和土层偏移量；所述土层松紧数据为土层层面在被一定推力下推开的距离大小；所述土层偏移角度数据为滑坡传感器安装点的不同深度的土层相对滑坡传感器锚点的角度平移量。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述滑坡传感器包括锚杆、测量段和监测头，所述锚杆、测量段和监测头依次相连；

所述锚杆用于在土层内形成锚点；

所述测量段包括若干个且依次相连，垂直埋设在土层中，两相邻的测量段之间采用球形铰接连接；所述测量段包括杆体、土层松紧测量结构和角度测量组件，所述杆体一端为球形结构，另一端为对应所述球形结构并能够形成球形铰接的凹面结构，所述杆体两端通过中心柱连接，杆体的中心柱外设有与中心柱同轴设置的外框架，所述外框架与中心柱端部固定；所述土层松紧测量结构包括沿外框架周向设置的多个张开片、环套设在中心柱上的两滑动块、两铰接在张开片与滑动块之间的连杆和使得两滑动块相对靠近的弹簧；张开片能够收叠在外框架上形成与中心柱同心的柱体；两所述滑动块相对滑动靠近时连杆带动张开片相对杆体径向向外位移，两滑动块相对滑动远离时，张开片能够收叠在外框架上；所述弹簧套设在中心柱上并位于滑动块与杆体端部之间，杆体端部上设有对应测量弹簧对杆体端部压力的压力传感器和对应测量两所述滑动块之间距离的位移传感器；所述张开片能够相对外框架的移动距离为外框架直径大小的1-3倍；所述角度测量组件设置在杆体端部，用于测量两铰接杆体之间的偏转角度；

所述监测头设置在土层外，包括监测头本体、用于供电的电池、无线模块、监测电路和标记灯，所述电池、无线模块和监测电路设置在测头本体内，且监测电路连接压力传感器、位移传感器和角度测量组件，监测电路通过无线模块将采集到的数据输送到所述控制端；所述标记灯设置在监测头本体远离测量段的端部，用于显示标记滑坡传感器的运行状态。

3.根据权利要求1所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述测量段长度为5-15cm。

4.根据权利要求1所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：两相邻的测量段之间转动夹角为0-60°。

5.根据权利要求1所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述角度测量组件包括电极片，电极片均布在球形结构和凹面结构上，并且球形结构和凹面结构上能够形成电容，通过测量电极片间形成电容情况获取两两相邻的测量段之间的偏转角度。

6.根据权利要求1所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述测量段套设在防水套中，所述防水套径向可伸展。

7.根据权利要求2所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述滑坡传感器还包括安装杆、预紧条和预紧条撕扯结构，所述预紧条连接在滑动块与中心杆端部之间，以使得与滑动块连接的张开片收叠在外框架上，预紧条撕扯结构设置在预紧条端部，用于撕扯断开预紧条；所述安装杆设置至少一根，并能够沿监测头处依次伸入到测量段和锚杆中，并与测量段中的预紧条撕扯结构连接；安装时，通过对安装杆旋转拉扯预紧条撕扯结构以使得预紧条断开，释放所述弹簧。

8.根据权利要求7所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述控制端连接太阳能供电设备。

9.根据权利要求1所述的一种滑坡安全监测系统，其特征在于：所述滑坡传感器相对土层呈90°安装。

10.一种滑坡安全监测预警方法，其特征在于：步骤包括：

将滑坡传感器沿土坡坡度方向以2-5m×2-5m纵横间隔布设待监测的土坡上，并将滑坡传感器呈90°插入到土层中，获取滑坡传感器安装点下方间隔5-15深度的土层松紧数据和土层偏移角度数据；

通过无人机获取的待监测土坡的区域三维图像，并结合所述控制端获取滑坡传感器发送的土层松紧数据和土层偏移角度数据，建立初始土层三维监测模型；

实时更新土层三维监测模型，对实时土层三维监测模型与初始土层三维监测模型进行对比，获取土层三维监测模型的变化量，若土层三维监测模型变化量超过预设阈值，则所述控制端发出滑坡预警警报；

所述变化量包括获取土层松紧变化量和土层偏移量。