基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法，该系统由磁性传感元件、全张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统组成。该监测方法克服了在边坡深部进行变形失稳监测中需要结合存在主观经验成分的岩土力学模型的问题，在不需要边坡的岩土力学参数和力学模型的情况下，实现自动调整标距以适应边坡各变形阶段的不同位移尺度，从而精确地测量不同阶段的变形，达到边坡深部变形失稳全过程监测并预警。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量
，特别涉及一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法。
技术介绍
传统的边坡变形测量主要有位移计、测斜仪、滑动变形计、滑动测微计、大地测量法等。近二十年以来，边坡监测逐渐受到国内外研究人员的重视，目前逐渐发展的监测方法大致有三维激光扫描技术、光纤光栅、合成孔径雷达干涉测量技术、地质雷达、GIS测量、GPS测量、摄影测量方法、电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)微变形监测、电磁时域反射(Time Domain Reflectometry,TDR)、声发射技术等检测/监测方法。基于三维激光测量和无线网络等技术建立边坡表面变形的远程自动监测系统，但激光在野外环境中易受到大气衰减和湍流及光照等的影响，且激光仅能测量边坡表层的变形，无法监测边坡深部变形。采用全自动高精度全站仪、棱镜、监测软件、计算机工作站等可组成边坡变形自动监测系统，但同样存在容易受大气衰减、雨、雾等天气影响，且无法监测边坡深部变形。光纤光栅传感方法作为一种分布式的结构应变监测手段，可根据应变监测数据判断边坡内部的受力分布，但存在传感器存活率过低、成本高昂、维护困难等缺点，如应用在岩土工程中尚需解决传感器的封装和耐久性等问题。合成孔径雷达干涉测量技术、地质雷达，GIS测量、GPS测量、摄影测量方法、CCD微变形监测等仅能监测边坡表面的变形，无法监测边坡内部的变形，而边坡失稳滑动时在边坡内部形成滑移路径，边坡深部变形监测尤为重要。TDR电缆、声发射技术可确定边坡滑动面的位置，但无法确定滑动的方向，难以准确测量变形量。测斜仪、滑动变形计、滑动测微计等可监测边坡内部的变形，但在边坡深部的测杆、电缆等仪器布设较繁琐。另一方面，结合现
有边坡变形监测方法和无线通信技术，可集成实现边坡变形的无线监测系统，但大多数边坡变形监测传感器测易受雨水、滚石、泥石流等环境破环，需要精心的维护。综上所述，现有的边坡变形监测技术，存在无法有效地监测边坡深部变形；且现有的监测方法需要结合岩土的力学参数和力学模型，但岩土的力学参数变异性大、随机性强，力学模型存在大量的人为主观因素和个人经验；另一方面，现有的边坡变形监测存在测量标距单一，不能同时监测边坡前期微小变形、中后期大变形的缺点，难以自动实现边坡深部变形失稳的全过程监测。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法，克服了在边坡深部进行变形失稳监测中需要结合存在主观经验成分的岩土力学模型的问题，在不需要边坡的岩土力学参数和力学模型的情况下，实现自动调整标距以适应边坡各变形阶段的不同位移尺度，从而精确地测量不同阶段的变形，达到边坡深部变形失稳全过程监测并预警。就监测系统而言，包括磁性传感元件、全张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁性传感元件数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于测点处发射磁场；所述全张量磁力梯度仪设于边坡表面，测量各测点的磁场梯度张量；所述数据传输系统将磁场梯度张量传输至数据控制系统；所述数据控制系统根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。优选的，所述磁性传感元件包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、高阻尼橡胶隔震层、工程塑料防渗层和高耐久性混凝土外壳。就监测方法而言，在边坡深部布设n个测点，每一个测点均埋设一个磁
性传感元件，通过全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量测量并记录其初始三维位置，在边坡变形失稳的每个阶段的进行第k次测量。通过全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量得到各测点之间的相对位移，然后判断各测点与潜在的滑动面的相对位置关系，将测点分为两类，分别位于潜在的滑动面的两侧，依此得到潜在的滑动面的位置，再根据第k次的测量和前面阶段的若干次测量而得到相对位移进行计算，得到边坡变形失稳监测的最佳标距，作为第k次和第k+1次测量的标距。在此基础上，根据计算相对位移的变化速率的梯度，对边坡变形失稳进行安全评价，从而进行预警。本专利技术的有益效果：本专利技术的监测系统和监测方法，解决了在边坡深部进行变形失稳监测中需要结合存在大量主观经验成分的岩土力学模型的问题，在不需要边坡的岩土力学参数和力学模型的情况下，实现自动调整标距以适应边坡各变形阶段的不同位移尺度，从而精确地测量不同阶段的变形，达到边坡深部变形失稳全过程监测并预警。附图说明图1为本专利技术的监测系统的系统构成图；图2为本专利技术的监测系统中的磁性传感元件的示意图；图3为本专利技术的监测方法中的边坡测点布置示意图；图4为本专利技术的监测方法中的边坡潜在滑动面两侧的测点位置示意图；图5为本专利技术的监测方法中的边坡变形失稳发展过程中的测点位置示意图；图中：1-磁性传感元件、2-全张量磁力梯度仪、3-数据传输系统、4-数据控制系统、5-钕铁硼永磁铁、6-高阻尼橡胶隔震层、7-工程塑料防渗层、8-高耐久性混凝土外壳、9-边坡、10-测点、11-潜在滑动面；图1至图5中：每一个测点10均布设一个磁性传感元件1。具体实施方式如图1所示，本专利技术的基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统包括磁性传感元件1、全张量磁力梯度仪2、数据传输系统3和数据控制系统4。其中，磁性传感元件1用来发射磁场，数量为多个，埋设在边坡9内不同的测点10处；全张量磁力梯度仪2用于检测边坡内的各个测点10处的磁性传感元件1的磁场梯度张量；数据传输系统3将全张量磁力梯度仪2测得的各测点处的磁场梯度张量传送至数据控制系统4；数据控制系统4采用计算机终端和网络，根据磁场梯度张量计算各测点之间的相对位移，然后判断各测点与潜在的滑动面的相对位置关系，将测点分为两类，分别位于潜在滑动面11的两侧，依此得到潜在滑动面11的位置，再根据第k次的测量和前面阶段的若干次测量而得到相对位移进行计算，得到边坡变形失稳监测的最佳标距，作为第k次和第k+1次测量的标距，在此基础上，根据计算相对位移的变化速率的梯度，对边坡变形失稳进行安全评价，并进行预警。如图2所示，磁性传感元件1包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁5、高阻尼橡胶隔震层6、工程塑料防渗层7和高耐久性混凝土外壳8，钕铁硼永磁铁5其磁性稳定、在自然界几乎不减退而达到长期服役的目标，使其可以埋设的深度更深，当然也可以使用其他磁场发射元件来代替钕铁硼永磁铁5，高阻尼橡胶隔震层6可以防止边坡深部的铁硼永磁铁5在长期震动荷载和其他撞击作用下失去磁性；工程塑料防渗层7具有电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击、防渗的优点，可在雨水、岩体渗流中服役，增强钕铁硼永磁铁5使用的耐久性；高耐久性混凝土外壳8可以在荒山、高原、高寒地区等恶劣环境下长期服役。下面详细介绍本专利技术的监测方法，该监测方法包括如下步骤：S1)在边坡表面放置全张量磁力梯度仪2，在边坡内布置n个测点，每
一个测点均埋设一个磁性传感元件1，测点编号分别为s1，s2，…，si，…，sn，边坡测点的布置形式如图3所示，在埋设时，采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量测量并记录每个测点的初始三维位置，第i个测点si即第i个测点处的磁性传感元件相对于全张量磁力梯度仪的初始三维位置采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统，其特征在于：包括磁性传感元件、全张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁性传感元件数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于测点处发射磁场；所述全张量磁力梯度仪设于边坡表面，测量各测点的磁场梯度张量；所述数据传输系统将磁场梯度张量传输至数据控制系统；所述数据控制系统根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统，其特征在于：包括磁性传感元件、全张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁性传感元件数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于测点处发射磁场；所述全张量磁力梯度仪设于边坡表面，测量各测点的磁场梯度张量；所述数据传输系统将磁场梯度张量传输至数据控制系统；所述数据控制系统根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。2.根据权利要求1所述的基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统，其特征在于：所述磁性传感元件包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、高阻尼橡胶隔震层、工程塑料防渗层和高耐久性混凝土外壳。3.一种基于自适应标距的边坡变形失稳监测方法，其特征在于：包括如下步骤：S1)在边坡表面放置全张量磁力梯度仪，在边坡内布置n个测点，每一个测点均埋设一个磁性传感元件，测点编号分别为s1，s2，…，si，…，sn，在埋设时采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量计算并记录第i个测点si的初始三维位置，即第i个测点处的磁性传感元件相对于全张量磁力梯度仪的初始三维位置S2)在边坡未发生变形时，通过全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，得到测点si与其他测点之间的初始距离分别为：(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i；如取j＝i，则为对角元素)，且初始距离的矩阵为 L ( 0 ) = l 11 ( 0 ) l 12 ( 0 ) ... l 1 j ( 0 ) ... l 1 n ( 0 ) l 21 ( 0 ) l 22 ( 0 ) ... l 2 j ( 0 ) ... l 2 n ( 0 ) . . . . . . ... . . . ... . . . l n 1 ( 0 ) l n 2 ( 0 ) ... l n j ( 0 ) ... l n n ( 0 ) ]]>矩阵L(0)为对称矩阵，且对角元素取值为零；其中，和分别为相对于全张量磁力梯度仪的测点si的初始三维位置和测点sj的初始三维位置；S3)边坡发生变形时，第k次测量，得到测点si与其他测点之间的距离分别为(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i，如取j＝i，则为对角元素)，且得到距离矩阵L(k)： L ( k ) = l 11 ( k ) l 12 ( k ) ... l 1 j ( k ) ... l 1 n ( k ) l 21 ( k ) l 22 ( k ) ... l 2 j ( k ) ... l 2 n ( k ) . . . . . . ... . . . ... . . . l n 1 ( k ) l n 2 ( k ) ... l n j ( k ) ... l n n ( k ) ]]>矩阵L(k)为对称矩阵，且对角元素取值为零；在边坡变形失稳监测过程中，采用全张量磁力梯度仪测量各测点的磁场梯度张量，通过磁场梯度张量得到第k次测量时相对于全张量磁力梯度仪的测点si的三维位置和sj的三维位置然后得到测点si与测点sj之间的距离S4)测点si与其他测点之间的相对位移分别为(j＝1，2，…，i-1，i+1，…，n，j≠i)；式中，则相对位移矩阵ΔL(k)为 ΔL ( k ) = L ( k ) - L ( 0 ) = L ( k ) = l 11 ( k ) - l 11 ( 0 ) l 12 ( k ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：江胜华，江文华，汪时机，鲍安红，李伟清，胥兴，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50