巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，基于磁場定位原理，將磁性體和磁傳感探頭分別布置在巖石斷層易滑移的一側(cè)和另一側(cè)內(nèi)，磁性體發(fā)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁傳感探頭探測，巖石斷層發(fā)生剪切滑移時(shí)，磁性體隨著斷層一同滑移，此時(shí)磁傳感探頭動(dòng)態(tài)探測磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，通過磁感應(yīng)強(qiáng)度變化由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算出巖石斷層剪切滑移大變形，對(duì)巖石隨著斷層的滑移坍塌進(jìn)行預(yù)警。本實(shí)用新型提供了一種新的監(jiān)測巖石斷層剪切滑移大變形的監(jiān)測系統(tǒng)，可在雨水、巖體滲流、滾石、泥石流等惡劣環(huán)境下長期服役，所需設(shè)備數(shù)量少，布設(shè)簡便，監(jiān)測準(zhǔn)確。
【專利說明】巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]巖體由巖石和斷層組成，巖石斷層作為一個(gè)低強(qiáng)度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶，與其兩側(cè)巖體在物理力學(xué)特性上有著顯著的差異。斷層的強(qiáng)度與變形方面，常成為控制各類巖體工程穩(wěn)定的制約因素，同時(shí)也是許多重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要邊界條件之一。對(duì)巖石斷層的剪切滑移進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警有著十分重要的意義。
[0003]傳統(tǒng)的監(jiān)測方法中，大地水準(zhǔn)測量法、GPS觀測網(wǎng)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量等可測量巖體表面的變形，精度可達(dá)毫米級(jí)別，其信號(hào)無法穿透水、巖石，無法監(jiān)測巖體的內(nèi)部變形，且易受氣象條件的影響，無法在雨水、巖體滲流、泥石流等環(huán)境下服役。水平聲波剖面法(HSP)、陸地聲納法、探地雷達(dá)法、紅外探水法、電磁波CT探測方法、高密度電阻率法和高頻大地電磁法等可以探測巖石斷層的空間分布，甚至達(dá)到圖像化，但其精度不高，在斷層的變形監(jiān)測方面存在困難。目前，大多采用鉆孔側(cè)斜儀觀測斷層在不同高程處的水平位移或垂直位移，尚無法直接監(jiān)測斷層沿滑動(dòng)方向的剪切滑移變形。另一方面，現(xiàn)有的鉆孔測斜儀雖然能間接地推算出巖石斷層的變形分布，性能和適用范圍基本滿足巖石斷層初期變形的要求，但布設(shè)繁瑣，在泥石流、巖體滲流、滾石等惡劣環(huán)境下易損壞，轉(zhuǎn)換計(jì)算造成累積誤差，測量范圍小，且?guī)r石斷層剪切滑移變形的中后期階段的大變形尚無法監(jiān)測。
[0004]針對(duì)上述之不足，有必要研究一種可以簡便、精確地監(jiān)測巖石斷層剪切滑移大變形的監(jiān)測系統(tǒng)和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測中亟需解決的問題，本發(fā)明基于磁場定位原理，提供一種用于巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測的系統(tǒng)及使用方法，將磁傳感探頭和磁性體布置在巖石深部，監(jiān)測巖石斷層剪切滑移大變形，對(duì)巖石隨著斷層的滑移坍塌進(jìn)行預(yù)警。
[0006]本發(fā)明的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括磁性體、磁傳感探頭、磁場采集主機(jī)、RS232無線傳輸模塊和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，所述磁性體置于巖石斷層易滑移一側(cè)的內(nèi)部，所述磁傳感探頭置于巖石斷層的另一側(cè)的內(nèi)部，所述磁傳感探頭采集磁性體發(fā)射出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并通過電纜傳輸給所述磁場采集主機(jī)，再由RS232無線傳輸模塊遠(yuǎn)程傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心將磁感應(yīng)強(qiáng)度值計(jì)算成位移。
[0007]進(jìn)一步，所述磁性體包括釹鐵硼永磁鐵和萬向支架；所述萬向支架包括球體、夕卜環(huán)、內(nèi)環(huán)和倉體，所述外環(huán)兩端回轉(zhuǎn)支承在球體內(nèi)，內(nèi)環(huán)兩端回轉(zhuǎn)支承外環(huán)內(nèi)，倉體回轉(zhuǎn)支承在內(nèi)環(huán)內(nèi)，所述球體、外環(huán)和內(nèi)環(huán)同重心，所述外環(huán)、內(nèi)環(huán)和倉體的回轉(zhuǎn)軸線相互水平垂直；所述釹鐵硼永磁鐵置于倉體內(nèi)，球體滾動(dòng)時(shí)倉體內(nèi)的釹鐵硼永磁鐵保持平動(dòng)。
[0008]進(jìn)一步，所述磁傳感探頭由四個(gè)呈正方形布置的三軸磁力計(jì)組成，所述四個(gè)三軸磁力計(jì)的XYZ軸方向相同，其中兩個(gè)位于X軸，另外兩個(gè)位于Y軸。
[0009]進(jìn)一步，所述磁性體還包括萬向支架外的依次包圍的隔震橡膠層、環(huán)氧密封層和混凝土外殼。
[0010]本發(fā)明還提供了一種巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0011]SI)在巖石斷層的易滑動(dòng)的一側(cè)巖體鉆孔布置磁性體,在另一側(cè)巖體鉆孔埋設(shè)磁傳感探頭，測量磁性體與磁傳感探頭中心連線的水平距離AL、高程差A(yù)h，巖石斷層厚度d ；
[0012]優(yōu)選的，磁傳感探頭的埋設(shè)深度比磁性體的埋設(shè)深度淺；
[0013]S2)磁傳感探頭探測磁性體發(fā)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過傳輸電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊中的磁場數(shù)據(jù)采集主機(jī)，再通過內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)采集模塊中的RS232無線發(fā)射模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算剪切滑移:
[0014]S2.1)將磁傳感探頭檢測到的磁性體發(fā)射出的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算成磁場梯度，計(jì)算如下:
O —B
[0015]Bxx 5=-瘦(Ia)

L
H _ R
[0016]氛
L(Ib)
[0017]R^-Bxx-Bjy(Ic)
β —β
[0018]Bw = Bzv = —gS......；—瘦
I(Id)

R - H

- Λ -1 1- - -
L(Ie)
^B..— B.,, +
[0020]B = B ~ —-:---L
^ >x2L(If)
[0021]式中，Bxi, Byi和Bzi (i = A, B, C，D分別對(duì)應(yīng)四個(gè)三軸磁力計(jì)中的一個(gè))為磁感應(yīng)強(qiáng)度，由磁傳感探頭中的四個(gè)三軸磁力計(jì)測量得到，L為X軸及Y軸上兩個(gè)磁力計(jì)之間的距離；
[0022]S2.2)由磁場梯度計(jì)算磁場梯度張量的模量為:
[0023]Cr = (Bi + B2yy + B2:: + 2B；7 + !Bi + 2B2、: f (2 )
[0024]S2.3)計(jì)算巖石斷層剪切滑移時(shí)磁性體與磁傳感探頭的距離r
/ X 0.25
((\.\
[0025]r-r0 —


(3)
[0026]式中，r0為磁性體與磁傳感探頭的初始距離，r9 =(Δ/?2+Δ/?).Cto和Ct分別對(duì)應(yīng)磁傳感探頭至磁性體的距離為A和r時(shí)磁場梯度張量的模量，由磁傳感探頭測量后通過式(I)和式(2)計(jì)算得到；將式(2)代入式(3)，可得r ； S2.4)計(jì)算巖石斷層剪切滑移大變形s:
/ 2 ,2 \0.5 / 7 ?■>
[0027]s = (r-ddJ - (T0iWj⑷
[0028]S3)對(duì)巖石斷層的剪切滑移及坍塌進(jìn)行預(yù)警。
[0029]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，基于磁場定位原理，將磁性體和磁傳感探頭分別布置在巖石斷層易滑移的一側(cè)和另一側(cè)內(nèi)，磁性體發(fā)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁傳感探頭探測，巖石斷層發(fā)生剪切滑移時(shí)，磁性體隨著斷層一同滑移，此時(shí)磁傳感探頭動(dòng)態(tài)探測磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，通過磁感應(yīng)強(qiáng)度變化由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算出巖石斷層剪切滑移大變形，對(duì)巖石隨著斷層的滑移坍塌進(jìn)行預(yù)警。本發(fā)明提供了一種新的監(jiān)測巖石斷層剪切滑移大變形的方法，監(jiān)測系統(tǒng)所需設(shè)備數(shù)量少，布設(shè)簡便，監(jiān)測準(zhǔn)確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0031 ] 圖1是本發(fā)明的磁性體的結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖2為圖1中A-A剖視圖；
[0033]圖3為磁傳感探頭中4個(gè)三軸磁力計(jì)的分布圖；
[0034]圖4是本發(fā)明的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施示意圖；
[0035]圖5是本發(fā)明的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測的原理示意圖；
[0036]圖中:1-釹鐵硼永磁鐵；2-萬向支架；3-橡膠隔震層；4_環(huán)氧復(fù)合密封材料；5-混凝土外殼；6_磁性體；7_磁傳感探頭；8-巖體；9_斷層；10_電纜；11-磁場數(shù)據(jù)采集主機(jī)；12-RS232無線發(fā)射模塊；13_數(shù)據(jù)采集模塊；14-遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心。

【具體實(shí)施方式】
[0037]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0038]本實(shí)施例的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括磁性體6、磁傳感探頭7、磁場采集主機(jī)11、RS232無線傳輸模塊12和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心14，其特征在于:所述磁性體6置于巖石斷層9易滑移一側(cè)的內(nèi)部，所述磁傳感探頭7置于巖石斷層的另一側(cè)的內(nèi)部，所述磁傳感探頭7采集磁性體發(fā)射出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并通過電纜10傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊13中的磁場采集主機(jī)11，再由數(shù)據(jù)采集模塊13中的RS232無線傳輸模塊12遠(yuǎn)程傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心14，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心14將磁感應(yīng)強(qiáng)度值計(jì)算成滑移位移。
[0039]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述磁性體6包括釹鐵硼永磁鐵I和萬向支架
2;所述萬向支架2包括球體2a、外環(huán)2b、內(nèi)環(huán)2c和倉體2d，所述外環(huán)2b兩端回轉(zhuǎn)支承在球體2a內(nèi)，內(nèi)環(huán)2c兩端回轉(zhuǎn)支承在外環(huán)2b內(nèi)，倉體2d回轉(zhuǎn)支承在內(nèi)環(huán)2c內(nèi)，所述球體2a、外環(huán)2b和內(nèi)環(huán)2c同重心，所述外環(huán)2b、內(nèi)環(huán)2c和倉體2d的回轉(zhuǎn)軸線相互水平垂直；所述釹鐵硼永磁鐵置于倉體內(nèi)，釹鐵硼永磁鐵I和倉體2d的重心低于球體2a的重心，這樣在斷層滑移時(shí)雖然球體2a會(huì)滾動(dòng)，但倉體內(nèi)的釹鐵硼永磁鐵保持平動(dòng)，這樣的目的是為了便于計(jì)算巖體斷層的剪切滑移。
[0040]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述磁傳感探頭7由四個(gè)呈正方形布置的三軸磁力計(jì)組成，編號(hào)分別為A、B、C、D，如圖3所示，AB⑶四個(gè)三軸磁力計(jì)的XYZ軸方向相同，其中AB位于X軸，⑶位于Y軸，AB⑶的分布中心為原點(diǎn)O，這樣布置可以通過XYZ軸方向的位移計(jì)算出剪切滑移大變形。
[0041]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述磁性體6還包括萬向支架外的依次包圍的隔震橡膠層3、環(huán)氧密封層4和混凝土外殼5。橡膠層3用于隔震，防止撞擊過程中釹鐵硼的磁性消失，混凝土外殼5和橡膠層3可聯(lián)合抵抗巖石斷層滑移時(shí)的擠壓、撞擊；環(huán)氧密封層4用于防滲，可在雨水、巖體滲流中服役，增強(qiáng)磁性體使用的耐久性。
[0042]采用上述監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0043]SI)在巖石斷層的易滑動(dòng)的一側(cè)巖體鉆孔布置磁性體,在另一側(cè)巖體鉆孔埋設(shè)磁傳感探頭，測量磁性體與磁傳感探頭的水平距離AL、高程差A(yù)h，巖石斷層厚度d;需要說明的是，本文中提到的磁性體與磁傳感探頭間的各種距離都是指釹鐵硼永磁鐵I的中心與磁傳感探頭中四個(gè)三軸磁力計(jì)分布中心ο之間的距離。
[0044]由于磁性體的成本低，隨巖體滑移宜消失；而磁傳感探頭是儀器，帶有電纜，成本較高，因此，磁傳感探頭的埋設(shè)深度比磁性體的埋設(shè)深度淺，以免被破壞，同時(shí)便于使用過程中的維護(hù)；
[0045]S2)磁傳感探頭探測磁性體發(fā)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過傳輸電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊中的磁場數(shù)據(jù)采集主機(jī)，再通過內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)采集模塊中的RS232無線發(fā)射模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算剪切滑移:
[0046]S2.1)將磁傳感探頭檢測到的磁性體發(fā)射出的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算成磁場梯度，計(jì)算如下:
R -B
[0047]B-—(Ia)

L

B.- — B,.n
[0048]B ? ^^廠二^
I(Ib)
D ^ H _ O
[0049]zz XX yy( IC)

ο ^ O
1、11一
[0050]= Β-ν ~ ^.......................^ 4 L(Id)
r____π? — Ι> ?— B.[0051J ^xz —-Ozx--
L(Ιο)
OO I I >D

— ￡? - + D、—
__DOXvXUr.\Fo
[0052]Bw = Byx-----(1Γ)
[0053]式中，Bxi, Byi和Bzi (i = A, B, C，D分別對(duì)應(yīng)四個(gè)三軸磁力計(jì)中的一個(gè))為磁感應(yīng)強(qiáng)度，由磁傳感探頭中的四個(gè)三軸磁力計(jì)測量得到；L為X軸及Y軸上兩個(gè)磁力計(jì)之間的距離，L取值過小，測量不夠準(zhǔn)確，取值過大，磁傳感探頭體積太大，L優(yōu)選取值為0.3?0.5米。
[0054]S2.2)由磁場梯度計(jì)算磁場梯度張量的模量Ct:
[0055]C1 = (B1xx + B；y + Bi + IB1xy + 2Bl + f ⑵
[0056]S2.3)計(jì)算巖石斷層剪切滑移時(shí)磁性體與磁傳感探頭的距離r，由于r(l?d，r?d,且剪切滑移過程中，磁性體6中的釹鐵硼永磁鐵I未發(fā)生旋轉(zhuǎn)，只有平動(dòng)，則釹鐵硼永磁鐵I的磁偶極子的軸線與豎直方向的角度變化可忽略，因此可以得出
/ X 0.25
C I
[0057]as K "一?5...VI
V cT /(3)
[0058]式中,為磁性體與磁傳感探頭的初始距離，r0 ?(A/|2 + AL2).Cto和Ct分別對(duì)








I
應(yīng)磁傳感探頭至磁性體的距離為A和r時(shí)磁場梯度張量的模量，由磁傳感探頭測量后通過式⑴和式⑵計(jì)算得到；將式⑵代入式(3)，可得r ;
[0059]S2.4)計(jì)算巖石斷層剪切滑移大變形s:
[0060]s = ^r2 -d2f3 - d2y^r.\± J
[0061]由此，通過檢測巖體斷層滑移時(shí)的磁場變化，進(jìn)而計(jì)算出巖石斷層剪切滑移大變形S。
[0062]S3)對(duì)巖石斷層的剪切滑移及坍塌進(jìn)行預(yù)警。
[0063]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括磁性體￠)、磁傳感探頭(7)、磁場采集主機(jī)(11)、RS232無線傳輸模塊(12)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心(14)，其特征在于:所述磁性體(6)置于巖石斷層(9)易滑移一側(cè)的內(nèi)部，所述磁傳感探頭(7)置于巖石斷層的另一側(cè)的內(nèi)部，所述磁傳感探頭(7)采集磁性體發(fā)射出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并通過電纜(10)傳輸給所述磁場采集主機(jī)(11)，再由RS232無線傳輸模塊(12)遠(yuǎn)程傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心(14)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心將磁感應(yīng)強(qiáng)度值計(jì)算成滑移位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁性體(6)包括釹鐵硼永磁鐵(I)和萬向支架(2);所述萬向支架(2)包括球體(2a)、外環(huán)(2b)、內(nèi)環(huán)(2c)和倉體(2d)，所述外環(huán)(2b)兩端回轉(zhuǎn)支承在球體(2a)內(nèi)，內(nèi)環(huán)(2c)兩端回轉(zhuǎn)支承在外環(huán)(2b)內(nèi)，倉體(2d)回轉(zhuǎn)支承在內(nèi)環(huán)(2c)內(nèi)，所述球體(2a)、外環(huán)(2b)和內(nèi)環(huán)(2c)同重心，所述外環(huán)(2b)、內(nèi)環(huán)(2c)和倉體(2d)的回轉(zhuǎn)軸線相互水平垂直；所述釹鐵硼永磁鐵置于倉體(2d)內(nèi)，所述釹鐵硼永磁鐵(I)和倉體(2d)的重心低于球體(2a)的重心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁傳感探頭(7)由四個(gè)呈正方形布置的三軸磁力計(jì)組成，所述四個(gè)三軸磁力計(jì)的XYZ軸方向相同，其中兩個(gè)位于X軸，另外兩個(gè)位于Y軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的巖石斷層剪切滑移大變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁性體(6)還包括萬向支架外的依次包圍的隔震橡膠層(3)、環(huán)氧密封層(4)和混凝土外殼(5)。
【文檔編號(hào)】G08C17/02GK204007500SQ201420376711
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】江勝華, 江文華, 呂高 申請人:江勝華