專利名稱：無通視高陡邊坡變形監測方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及巖土工程邊坡變形監測技術，尤其涉及一種通視條件差、地形復 雜的無通視高陡邊坡變形監測方法及其裝置。具體地說，主要是針對復雜地形條 件下的巖土工程邊坡變形的實時監測，不僅對復雜地形條件下施工和運營過程中 邊坡與附屬構筑物的變形監測具有顯著優點，亦可運用于道路、橋梁、結構工程
等的表面與內部變形監測領域。
背景技術：
地表變形監測是對滑坡體的地表進行絕對位移和相對位移監測。每種監測方 法，都有其優缺點，要根據滑坡具體情況，選用精度適宜、經濟合理的監測方法。
在土石壩的表面變形監測中，大都繼續采用視準線法(活動標法、小角法) 和人工水準測量法進行水平位移和垂直位移監測。傳統的水平位移監測通常采用 經緯儀三角測量或視準測量的方法。若變形量相對較小，監測精度要求較高，近 一、二十年來，傳統方法逐漸被垂線、引張線所取代，并在人工觀測的基礎上向 自動化方向發展。現在使用較多的是步進電機式、光電式、感應式和激光等自動 遙測傳感器設備。垂直位移監測通常采用人工的光學水準測量方法。近年來為了 滿足管理部門自動化遙測的需求，出現了靜力水準遙測技術。我國研制的差動變 壓器式和電容式等靜力水準裝置在許多大壩中得到了應用。
在三峽庫區，絕對位移監測的新技術和新方法有全球定位系統GPS技術和 合成孔徑雷達干涉測量(簡稱INSAR)技術；相對位移變形監測的新技術有自動伸 縮儀監測和分布式光纖監測等。GPS地表變形監測缺點是測量精度不夠高、易受 地形的影響，如在峽谷區由于接收到的衛星信號不夠多而不能進行精確測量。合 成孔徑雷達干涉測量INSAR目前精度仍低于GPS的觀測精度，但INSAR技術
4能提供比GPS技術好得多的空間分辨率。該技術手段特別適于解決大面積的滑 坡、崩塌、泥石流以及地裂縫、地面沉降等地質災害的監測預報，是一項快速、 經濟的空間探測高新技術。自動伸縮計是自動觀測滑坡地表相對位移量的儀器， 可用記錄紙和數據貯存卡同時進行記錄，可以記錄長達半年的變形數據，測量精 度可達到0.2mm，可進行遠程遙測。其測定的數據具有連續性、實時性的特點， 能揭示滑坡連續變形的全過程。缺點是測量的數據只是局部變形，要消除這種影 響需多臺串聯。分布式光纖監測系統是分布調制的光纖傳感系統，通常由激光光 源、傳感光纖(纜)和檢測單元組成，它是一種自動化的監測系統。
張正祿教授與長委長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)合作的"毫米級滑 坡變形監測的2G技術與方法研究"將GPS和Georobot (全球定位系統和測量機 器人)這兩種現代技術與方法結合起來，解決滑坡變形監測中的關鍵技術問題。 另有學者對TDR系統中電纜、電纜測試儀、數據記錄儀和多路復用器進行了具 體剖析，并對比水平儀、傾斜儀等傳統監測儀器，論述了TDR系統的優點和不 足。以及采用GPS相對靜態定位技術監測山體滑坡，從滑坡監測網的基準點、 監測點設計和觀測出發，提出了利用高精度全站儀提供的尺度與方位基準來獲得 相對穩定不變的基準點坐標數據方法；在監測數據處理中對于不同監測周期的網 形、起算點選取等對解算結果產生的影響進行了試驗研究，提出適宜的解決方法。 BHT— II滑坡推力光纖監測儀采用了一種基于OTDR的準分布式光纖壓力傳感 器，具有較高的空間分辨率和測量靈敏度，適用于滑坡的推力實時監測，監測數 據可用于滑坡治理工程設計和滑坡的預警預報。
隨著自動化全站儀(測量機器人)、GPS、計算機軟件和通信技術的發展， 突破大壩(特別是土石壩)表面變形監測自動化的技術手段已成為可能。如目前 巿場上比較流行的"流動式半自動化變形監測系統"和"固定式全自動化變形監測 系統"。流動式半自動化變形監測系統一方面可用于基點和工作基點三角網的邊 角觀測；另一方面還可在基點或工作基點上對變形點進行邊角交會測量。由于自 動化全站儀在機載軟件的控制下，可實現對棱鏡目標的自動識別與照準，因此測 站工作實現了自動化觀測、記錄與限差檢核。但因多站觀測，需要人工在有關的 網點(基點或工作基點)之間搬動儀器。中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所趙宇等發明一種智能型地質 災害綜合監測系統及多級預報分析方法，該系統是一種按需可組合、拆卸的，適 合于野外安裝的監測裝置，定時測量并地面無線發射斜坡地下深部變形信息于系 統信息分析控制單元，結合采用激光掃描器，同時還增設多點定點激光測距儀， 對選定物體進行精確測距。它以地質災害體地下深部變形和地表直接變形位移為 主要監測預報依據，就地一體化地完成監測、分析、預報功能。
綜上，目前尚無統一的技術方法對邊坡表面和深部變形進行監測，因此其變 形測試結果的統一性和可比性不強，另外對于設備安裝、測試光線、現場通視條 件以及自動化采集設備的用電等方面均有相對特別的要求。
發明內容
本發明的目的就在于克服現有技術存在的上述缺點和不足，提供一種無通視 高陡邊坡變形監測方法及其裝置，對測試光線和通視條件無任何要求，人工讀數 和自動采集相對獨立。
本發明的目的是這樣實現的-
一、 無通視高陡邊坡變形監測方法 本方法包括下列步驟
① 在邊坡上選擇有代表性的地表監測位置布設地表目標靶點；或在適當位 置鉆一定傾斜度的鉆孔，將深層目標靶點埋設在設計深度；
② 在邊坡頂部選擇相對穩定的位置固定測試基座底板，并安裝滑輪組；
③ 將不銹鋼鉉制成測線， 一端固定在目標靶點上；另一端繞過滑輪組，用 鋼鉉固定卡扣將牽引配重固定在其端部；
將位移傳感器安裝在滑輪支撐架的傳感器固定夾上，傳感器測頭置于牽 引配重上，通過調整傳感器固定夾的高低設定傳感器初始值；
⑤ 用人工讀數方法或數據傳輸線將位移傳感器的數據傳入數據采集儀，數 據采集儀讀數存入采集卡中；
⑥ 利用計算機調控邊坡變形信息的采集、傳輸、顯示和記錄。
二、 無通視高陡邊坡變形監測裝置
本裝置包括依次連接的目標靶點、測試連接線、測試固定基座、位移傳感器、數據采集記錄系統和PC計算機。
本裝置工作原理
利用膨脹木的膨脹特性將不銹鋼絲測線與鉆孔孔壁牢牢地相對固定，測線通 過牽引配重保持一定的張緊度受力，測線的伸縮量代表了邊坡所測位置(地表和 不同深部巖土體)與測試固定基座之間的相對位移量。具體地說，邊坡及附屬構 筑物等在施工或運營過程中，若置于牽引配重上的位移傳感器讀數減小，則表明 邊坡發生滑動變形。變形量可通過人工讀數或通過數據采集儀采集、記錄的位移 傳感器讀數相互獨立獲取。
整個過程實現了在不影響施工和運營條件下，克服光線條件、通視條件以及 復雜地形條件等的約束直觀實時獲取變形監測數據。
經現場測試，本裝置的技術指標如下
精度0. Olmm; 測試距離400m; 工作溫度(TC 50。C，
測試通道無限制； 變形量程無限制。
本發明具有以下優點和積極效果
① 在監測過程中，可實時監測采集在復雜工況條件下邊坡滑動變形，掌控 邊坡穩定性，使地表變形和深部巖土體變形測試手段和標準相統一。
② 不受邊坡的通視條件限制，同時不受地形條件以及光線條件制約，可以 在任何時間及氣候條件下實時對邊坡變形予以監控。
③ 視現場條件可以分別選擇人工讀數或數據自動采集功能，可以按照不同 精度要求更換傳感器種類。
該裝置測試原理直觀、結構簡單、精度高、穩定性好、易于操作、拆卸 方便，對安裝測試人員沒有很強的技術要求。
⑤本發明不僅對復雜條件下施工和運營過程中邊坡的變形監測具有顯著的 優點，也可運用于基坑開挖、地下礦山開采等的巖土工程變形監測領域。
圖l是本裝置結構方框圖2是深層目標靶點埋置圖3是本裝置結構示意圖。其中
l一目標靶點，
l.l一固定鋼管，
1. 4—法蘭盤；
2— 測試連接線，
2. l—不銹鋼鉉，
3— 測試固定基座，
3. l—基座底板， 3.4—滑輪固定銷，
4一位移傳感裝置；
4. 1—位移傳感器，
5— 數據采集記錄系統
5. 1—數據傳輸線，
6— PC計算機。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施示例對本裝置進一步說明
一、 總體
如圖l、圖2、圖3，本裝置包括依次連接的目標靶點l、測試連接線2、測 試固定基座3、位移傳感器4、數據采集記錄系統5和PC計算機6。
二、 功能塊
1、目標靶點l
目標耙點l或為地表目標靶點，或為深層目標靶點； (1)地表目標靶點 如圖3，地表目標靶點或為單個，或為多個。 ①單個
單個由固定鋼管1. 1和膨脹木1. 2組成；
固定鋼管1. 1貫穿于膨脹木1. 2中，膨脹木1. 2埋置于孔徑大于膨脹木直 徑0 10mm的地表淺孔中。
1.2—膨脹木，
2. 2—鋼鉉固定卡扣，
3.2—固定螺釘，
3. 5—滑輪組；
4. 2—傳感器固定夾;
5.2—數據采集儀；
1.3—PVC護管，
2. 3—牽引配重；
3. 3—滑輪支撐架，②多個
多個固定鋼管1. 1分別貫穿于多個膨脹木1. 2中，多個膨脹木1. 2分別埋 置于多個地表淺孔中。 (2)深層目標靶點
如圖2、 3,深層目標靶點或為單個，或為多個。
① 單個
單個由固定鋼管l.l、膨脹木1.2、 PVC護管1.3和法蘭盤1.4組成； 固定鋼管1. 1貫穿于膨脹木1. 2中，膨脹木1. 2埋置于孔徑大于膨脹木直徑 0 10mm的坡體傾斜鉆孔中，不銹鋼鉉2. 1起始端與固定鋼管1. 1相連，末端穿 過安裝于孔口的法蘭盤1. 4繞過滑輪組3. 5與牽引配重2. 3相連，孔內的不銹鋼 鉉2. 1用PVC護管1.3加以保護。
② 多個
多個固定鋼管1. 1分別貫穿于多個膨脹木1. 2中，多個膨脹木1. 2分別埋置 于一個坡體傾斜鉆孔中的多個測點；每個不銹鋼鉉2. 1起始端分別與每個固定鋼 管1. 1相連，末端穿過安裝于孔口的一個法蘭盤1. 4繞過滑輪組3. 5分別與每個 牽引配重2. 3相連，孔內的多個不銹鋼鉉2. 1用一個PVC護管1. 3加以保護。
2、 測試連接線2
如圖3，測試連接線2包括前后依次連接的不銹鋼鉉2. 1、鋼鉉固定卡扣2. 2 和牽引配重2.3;
不銹鋼鉉2. 1的起始端連接于固定鋼管1. 1，末端繞過滑輪組3. 5通過鋼鉉 固定卡扣2. 2與牽引配重2. 3相連。
牽引配重2. 3的作用是將不銹鋼鉉2.1拉直，并保持不發生蠕變變形，另外 可作為位移傳感器4. 1的測試基點。
3、 測試固定基座3
如圖3，測試固定基座3包括基座底板3. 1、固定螺釘3. 2、滑輪支撐架3. 3、 滑輪固定銷3.4和滑輪組3.5;
利用固定螺釘3. 2將基座底板3. 1固定在邊坡頂部相對穩定位置，滑輪支撐 架3. 3安裝于測試基座3. 1上，利用滑輪固定銷3. 4將滑輪組3. 5固定于滑輪支 撐架3. 3頂端，滑輪組3. 5作為不銹鋼鉉2. 1支撐和變向之用。4、 位移傳感裝置4
如圖3,位移傳感裝置4包括位移傳感器4. 1和傳感器固定夾4. 2;
傳感器固定夾4. 2安裝在滑輪支撐架3. 3上，位移傳感器4. 1通過傳感器固 定夾4.2固定于牽引配重2.3上。
位移傳感器4. 1可采用百分表或拉桿式傳感器，用于人工讀數，也可用于自 動記錄系統；采用激光傳感器可用于自動記錄，且能夠達到更高的測試精度。
5、 數據采集記錄系統5
數據采集記錄系統5包括相互連接的數據傳輸線5. 1和數據采集儀5. 2; 數據傳輸線5. 1的輸入端接位移傳感器4. 1，數據傳輸線5. 1的輸出端接數 據采集儀5.2。
數據采集儀5. 2選用多通道數據采集儀。
位移傳感器4. 1輸出信號為電壓模擬信號，需經數據采集儀5. 2把模擬信號 轉換為數字信號存入采集卡，將采集卡中的數據導入PC計算機6進行后續計算 分析。
6、 PC計算機6
PC計算機6是一種常用的工業計算機。
10
權利要求
1、一種無通視高陡邊坡變形監測方法，其特征在于包括下列步驟①在邊坡上選擇有代表性的地表監測位置布設地表目標靶點；或在適當位置鉆一定傾斜度的鉆孔，將深層目標靶點埋設在設計深度；②在邊坡頂部選擇相對穩定的位置固定測試基座底板，并安裝滑輪組；③將不銹鋼鉉制成測線，一端固定在目標靶點上；另一端繞過滑輪組，用鋼鉉固定卡扣將牽引配重固定在其端部；④將位移傳感器安裝在滑輪支撐架的傳感器固定夾上，傳感器測頭置于牽引配重上，通過調整傳感器固定夾的高低設定傳感器初始值；⑤用人工讀數方法或數據傳輸線將位移傳感器的數據傳入數據采集儀，數據采集儀讀數存入采集卡中；⑥利用計算機調控邊坡變形信息的采集、傳輸、顯示和記錄。
2、 一種無通視高陡邊坡變形監測裝置，其特征在于包括依次連接的目標靶點(1)、測試連接線(2)、測試固定基座(3)、位移 傳感器(4)、數據采集記錄系統(5)和PC計算機(6)。
3、 按權利要求2所述的一種無通視高陡邊坡變形監測裝置，其特征在于 所述的目標靶點(1)或為地表目標靶點，或為深層目標靶點；① 地表目標靶點或為單個，或為多個-單個地表目標靶點由固定鋼管(1.1)和膨脹木(1.2)組成；固定鋼管(l.l) 貫穿于膨脹木(1.2)中，膨脹木(1.2)埋置于孔徑大于膨脹木直徑0 10mm 的地表淺孔中；多個地表目標耙點(1A)是多個固定鋼管(1.1)分別貫穿于多個膨脹木(1.2) 中，多個膨脹木(1.2)分別埋置于多個地表淺孔中；② 深層目標靶點或為單個，或為多個；單個深層目標靶點由固定鋼管(1.1)、膨脹木(1.2)、 PVC護管(1.3)和 法蘭盤(1.4)組成；固定鋼管(1.1)貫穿于膨脹木(1.2)中，膨脹木(1.2) 埋置于孔徑大于膨脹木直徑0 10mm的坡體傾斜鉆孔中，不銹鋼鉉(2.1)起始端與固定鋼管(1.1)相連，末端穿過安裝于孔口的法蘭盤(1.4)繞過滑輪組(3.5) 與牽引配重(2.3)相連，孔內的不銹鋼鉉(2.1)用PVC護管(1.3)加以保護； 多個深層目標靶點是多個固定鋼管(1. 1)分別貫穿于多個膨脹木(1. 2)中， 多個膨脹木(1.2)分別埋置于一個坡體傾斜鉆孔中的多個測點；每個不銹鋼鉉 (2. 1)起始端分別與每個固定鋼管(1. 1)相連，末端穿過安裝于孔口的一個法 蘭盤(1.4)繞過滑輪組(3.5)分別與每個牽引配重(2.3)相連，孔內的多個 不銹鋼鉉(2.1)用一個PVC護管(1.3)加以保護。
4、 按權利要求2所述的一種無通視高陡邊坡變形監測裝置，其特征在于 測試連接線(2)包括前后依次連接的不銹鋼鉉(2. 1)、鋼鉉固定卡扣(2. 2)和牽引配重(2.3)。
5、 按權利要求2所述的一種無通視高陡邊坡變形監測裝置，其特征在于 測試固定基座(3)包括基座底板(3.1)、固定螺釘(3.2)、滑輪支撐架(3.3)、滑輪固定銷(3.4)和滑輪組(3.5);利用固定螺釘(3.2)將基座底板(3.1)固定在邊坡頂部相對穩定位置，滑 輪支撐架(3.3)安裝于測試基座(3.1)上，利用滑輪固定銷(3.4)將滑輪組 (3.5)固定于滑輪支撐架(3.3)頂端。
6、 按權利要求2所述的一種無通視高陡邊坡變形監測裝置，其特征在于 位移傳感裝置(4)包括位移傳感器(4.1)和傳感器固定夾(4.2); 傳感器固定夾(4.2)安裝在滑輪支撐架(3.3)上，位移傳感器(4.1)通過傳感器固定夾(4.2)固定于牽引配重(2.3)上。
全文摘要
本發明公開了一種無通視高陡邊坡變形監測方法及其裝置，涉及巖土工程邊坡變形監測技術。本發明包括依次連接的目標靶點(1)、測試連接線(2)、測試固定基座(3)、位移傳感器(4)、數據采集記錄系統(5)和PC計算機(6)；所述的目標靶點(1)或為地表目標靶點，或為深層目標靶點；地表目標靶點或為單個，或為多個；深層目標靶點或為單個，或為多個。本發明不受邊坡的通視條件限制，同時不受地形條件以及光線條件制約，可以在任何時間及氣候條件下實時對邊坡變形予以監控，也可運用于基坑開挖、地下礦山開采等的巖土工程變形監測領域。
文檔編號G01B5/30GK101629799SQ200910063638
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月18日 優先權日2009年8月18日
發明者孟慶山, 超 楊, 胡明鑒, 譚捍華, 龍 賈, 陳能遠 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所