本發(fā)明涉及一種地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)及該地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)的安裝埋設(shè)方法，以及基于該地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)實現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部變形測量方法，屬于巖土工程的地質(zhì)變形監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖土工程的變形監(jiān)測包括表面位移觀測和內(nèi)部位移觀測。變形監(jiān)測主要是觀測水平位移和垂直位移，掌握變化規(guī)律，研究有無裂縫、滑坡、滑動和傾覆的趨勢。常用的內(nèi)部位移觀測儀器有位移計、測縫計、傾斜儀、沉降儀、固定測斜儀、垂線坐標儀、引張線儀、多點變位計和應(yīng)變計等。表面位移觀測儀器有水準儀、全站儀、gps、三維激光掃描技術(shù)等。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，安全監(jiān)測技術(shù)在水利水電、公路、鐵路、民航等領(lǐng)域也在不斷的完善和改進?，F(xiàn)階段，在涉及控制變形的諸如水利工程中的大壩、洞室、邊坡、公路和鐵路的路基，以及民航機場地基等方面，一般采用單點式(沉降板、沉降環(huán))和分布式(固定測斜儀、沉降儀)的方式進行沉降監(jiān)測。

目前，應(yīng)用mems相關(guān)變形儀器，如固定測斜儀進行變形監(jiān)測已成為本領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，但現(xiàn)階段其僅在巖土工程邊坡方面有所應(yīng)用。參見圖1和圖2所示，通常地，若干安裝有mems(微機電系統(tǒng))慣性傳感器92的固定測斜儀91通過剛性連接桿93相連。測量時，互相首尾相連的固定測斜儀91置入待測地質(zhì)內(nèi)部，如圖2所示，每個固定測斜儀91上的mems慣性傳感器92作為一個監(jiān)測點。觀測地質(zhì)內(nèi)部變形時，以起始或結(jié)尾處的mems慣性傳感器92作為起算點，通過獲得起始或結(jié)尾處監(jiān)測點的絕對二維變形值，即可推算出各監(jiān)測點的絕對變形量，從而進行變形量的累加計算，最終計算出的沉降結(jié)果為相對于起始或結(jié)尾處監(jiān)測點的相對二維變形值。

從實際實施中可以看出，上述固定測斜儀系統(tǒng)實現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部變形觀測方法存在如下缺陷：第一，受地質(zhì)界面(斷層、破碎帶)影響，個別固定測斜儀的監(jiān)測點獲得的變形量和變形趨勢與實際地質(zhì)變形情況有較大差異。如圖2，標號102示出了實際地質(zhì)界面，通過各固定測斜儀91得到的變形趨勢線101與地質(zhì)實際變形存在較大差異。第二，上述固定測斜儀系統(tǒng)僅能實現(xiàn)二維變形觀測，測量精度較低，存在系統(tǒng)誤差，并且誤差值會隨變形累加計算過程不斷累加，從而致使最終結(jié)果出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)及該地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)的安裝埋設(shè)方法，以及基于該地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)實現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部變形測量方法，其解決了已有固定測斜儀系統(tǒng)出現(xiàn)的個別監(jiān)測點異常導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果失真的問題，確保了監(jiān)測結(jié)果更接近實際地質(zhì)變形情況。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)，其特征在于：它包括置于地下的三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)，以及置于地上的gnss觀測站和信息采集系統(tǒng)；三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)、gnss觀測站分別通過電纜與信息采集系統(tǒng)相連；三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)包括首尾相連、沿pvc直管軸線置于pvc直管內(nèi)的若干mems傳感器，pvc直管置于鉆孔內(nèi)，鉆孔和pvc直管內(nèi)灌注有水泥漿液且水泥漿液已凝固；mems傳感器包括分別在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的一對慣性傳感器；pvc直管的軸線定義為z軸，與z軸垂直的平面內(nèi)定義有互相垂直的x軸與y軸；gnss觀測站置于鉆孔孔口處且與pvc直管共軸。

所述mems傳感器包括信號處理控制器，信號處理控制器與所有所述慣性傳感器連接。

所述信息采集系統(tǒng)包括信號采集模塊、gnss信號接收模塊和收發(fā)天線，其中：信號采集模塊用于與所述三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)伸出地質(zhì)表面的電纜連接，gnss信號接收模塊與所述gnss觀測站連接，收發(fā)天線與信號采集模塊、gnss信號接收模塊連接。

所述gnss觀測站還與gnss基準站之間通過gnss天線進行無線通訊，以使所述gnss觀測站從gnss基準站獲取其所在位置處于三維坐標系下的x、y、z軸變形量。

地上設(shè)有可與所述信息采集系統(tǒng)無線通訊的信息管理系統(tǒng)，信息管理系統(tǒng)包括通訊模塊、變形分析模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。

一種所述的地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)的安裝埋設(shè)方法，其特征在于，它包括如下步驟：

1)將各所述mems傳感器通過信號線首尾連接組裝好；

2)在待觀測的地質(zhì)結(jié)構(gòu)上鉆孔；

3)將所述pvc直管下放到鉆孔內(nèi)；

4)將首尾連接好的所有所述mems傳感器下放到所述pvc直管內(nèi)，確保所有所述mems傳感器形成一條與所述pvc直管軸線同軸的直線；

5)向鉆孔和所述pvc直管內(nèi)灌注水泥漿液，直至水泥漿液灌滿溢出；

6)待水泥漿液凝固后，在鉆孔孔口處安裝所述gnss觀測站，確保所述gnss觀測站與所述pvc直管共軸；

7)在地面上安裝所述信息采集系統(tǒng)；

8)將最接近地質(zhì)表面的所述mems傳感器延伸到地上的電纜連接到所述信息采集系統(tǒng)上，及將所述gnss觀測站通過電纜連接到所述信息采集系統(tǒng)上。

一種基于所述的地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)實現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部變形測量方法，其特征在于，它包括如下步驟：

1)每個所述mems傳感器作為一個監(jiān)測點，各監(jiān)測點通過自身在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的三對所述慣性傳感器分別得到x、y、z軸變形量；

2)以最接近地質(zhì)表面的監(jiān)測點或以距離地質(zhì)表面最遠的監(jiān)測點為起點，開始逐個采集各監(jiān)測點的x、y、z軸變形量；

3)所述gnss觀測站作為觀測點從gnss基準站獲取其所在位置的x、y、z軸變形量；

4)針對觀測點以及所有監(jiān)測點，累加計算并擬合出反映所述三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)所在位置的x、y、z軸絕對變形曲線；

5)根據(jù)x、y、z軸絕對變形曲線，在三維坐標系下累加計算并擬合出反映所述三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)所在位置的地質(zhì)內(nèi)部絕對變形形態(tài)。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明從三維視角實現(xiàn)了對地質(zhì)內(nèi)部變形趨勢的全面監(jiān)測，測量精度高、誤差小，能有效地防止因地質(zhì)界面因素所帶來的個別監(jiān)測點陡增或陡降異?，F(xiàn)象的發(fā)生，且監(jiān)測結(jié)果為三維坐標下的絕對變形量，可真實、直觀、準確地反映出地質(zhì)內(nèi)部的實際變形情況，從而為校核設(shè)計、施工指導(dǎo)提供科學(xué)的依據(jù)和可靠的技術(shù)支持。

本發(fā)明三維觀測系統(tǒng)可連續(xù)分布式地應(yīng)用于大壩、邊坡、洞室、寬大路基、站場地基等方面的地質(zhì)內(nèi)部變形監(jiān)測場合。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有固定測斜儀系統(tǒng)的安裝示意圖。

圖2是現(xiàn)有固定測斜儀系統(tǒng)的使用情況說明圖。

圖3是本發(fā)明地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)的較佳實施例示意圖。

圖4是信息管理系統(tǒng)的組成示意圖。

圖5是gnss基準站的組成示意圖。

具體實施方式

如圖3所示，本發(fā)明地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)包括置于地下(即地質(zhì)內(nèi)部)的三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)，以及置于地上的gnss觀測站60和信息采集系統(tǒng)30；三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)、gnss觀測站60分別通過電纜與信息采集系統(tǒng)30相連。三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)包括首尾相連、沿pvc直管20軸線置于pvc直管20內(nèi)的若干mems傳感器10，即首尾連接的各mems傳感器10(視為監(jiān)測點)形成的直線與pvc直管20軸線同軸，pvc直管20置于在待觀測的地質(zhì)結(jié)構(gòu)上鉆出的鉆孔50內(nèi)，鉆孔50和pvc直管20內(nèi)灌注有水泥漿液且水泥漿液已凝固，其中：mems傳感器包括10分別在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的一對慣性傳感器，也就是說，在x軸上，朝向x軸正方向和負方向設(shè)置有一對檢測方向相反的慣性傳感器12、13，在y軸上，朝向y軸正方向和負方向設(shè)置有一對檢測方向相反的慣性傳感器14、15，同樣在z軸上，朝向z軸正方向和負方向也設(shè)置有一對檢測方向相反的慣性傳感器16、17。在每對慣性傳感器中，一個朝向軸線(x、y或z軸)正方向進行測量而另一個朝向同一軸線(x、y或z軸)負方向進行測量。gnss觀測站60置于鉆孔50孔口處且與pvc直管20共軸。通常地，pvc直管20與鉆孔50同軸設(shè)置，因而gnss觀測站60與鉆孔50同樣同軸設(shè)置。

在本發(fā)明中，pvc直管20的軸線(中心軸)定義為z軸，與z軸垂直的平面內(nèi)定義有互相垂直的x軸與y軸，x、y和z軸共同形成了一個三維坐標系。

在本發(fā)明中，pvc直管20的軸線可垂直于地質(zhì)表面40，也可傾斜于地質(zhì)表面40，甚至可平行于地質(zhì)表面40。

pvc直管20的主要作用在于：第一，易于各mems傳感器10順序下放到pvc直管20內(nèi)且同時保持著所有mems傳感器10互相整體呈現(xiàn)出直線狀態(tài)；第二，對mems傳感器10起到了一個很好的保護作用。

在實際制作中，pvc直管20可由若干pvc短管拼接而成，采用其它材質(zhì)制作也是可以的，不受局限。

在本發(fā)明中，在各慣性傳感器之間不受干擾的前提下，在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的三對慣性傳感器在mems傳感器10上的安裝位置可靈活設(shè)計，不受局限。圖3示出了在mems傳感器10頂部安裝分別朝向x、y、z軸正方向進行測量的慣性傳感器以及在mems傳感器10底部安裝分別朝向x、y、z軸負方向進行測量的慣性傳感器的情形。

在實際設(shè)計中，mems傳感器10包括信號處理控制器11，各慣性傳感器12～17的信號端口分別與信號處理控制器11的相應(yīng)信號端口連接。

在實際設(shè)計中，信息采集系統(tǒng)30可包括信號采集模塊33、gnss信號接收模塊34和收發(fā)天線31，其中：信號采集模塊33用于與三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)伸出地質(zhì)表面40的電纜連接，gnss信號接收模塊34與gnss觀測站60連接，收發(fā)天線31與信號采集模塊33、gnss信號接收模塊34連接。另外信息采集系統(tǒng)30還設(shè)有用于提供電力的電源模塊32。

具體來說，在三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)中，各mems傳感器10之間通過信號處理控制器11引出的線纜進行連接，最接近地質(zhì)表面40的那個mems傳感器10的信號處理控制器11伸出到地質(zhì)表面40外的線纜與信息采集系統(tǒng)30的信號采集模塊33的相應(yīng)信號端口連接。

如圖3和圖5，gnss觀測站60還與gnss基準站80之間通過gnss天線進行無線通訊，以使gnss觀測站60(視為觀測點)從gnss基準站80獲取其所在位置處于三維坐標系下的x、y、z軸變形量，其中，gnss基準站80安裝在可提供穩(wěn)定、可靠的基準坐標的地理位置上，gnss觀測站60的三維坐標軸定義與mems傳感器10的三維坐標軸定義一致，即gnss觀測站60所定義的x、y、z軸與mems傳感器10所定義的x、y、z軸相同。

在本發(fā)明中，如圖1，gnss觀測站60包括gnss天線61、gnss接收機63和電源62。如圖5，gnss基準站80包括gnss天線81、gnss接收機83、差分電臺82和電源84。

gnss觀測站60和gnss基準站80屬于本領(lǐng)域的已有設(shè)備，gnss觀測站60如何從gnss基準站80獲取三維坐標系下的地理位置信息屬于本領(lǐng)域的熟知技術(shù)，故不在這里詳述。

如圖4，地上還設(shè)有可與信息采集系統(tǒng)30無線通訊的信息管理系統(tǒng)70，信息管理系統(tǒng)70可包括通訊模塊71、變形分析模塊72、數(shù)據(jù)存儲模塊73，其中：通訊模塊71、數(shù)據(jù)存儲模塊73的信號端口分別與變形分析模塊72的相應(yīng)信號端口連接，通訊模塊71用于與信息采集系統(tǒng)30的收發(fā)天線31無線通訊。

在實際設(shè)計中，信息管理系統(tǒng)70還可包括信息整編模塊74、圖表顯示與查詢模塊75、打印模塊76、gnss整編模塊77。

信息管理系統(tǒng)70的構(gòu)成可各式各樣，不受局限。

本發(fā)明還提出了一種對于上述本發(fā)明地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)設(shè)計的安裝埋設(shè)方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)實際觀測所需的mems傳感器10數(shù)量，將各mems傳感器10通過信號線首尾連接組裝好；

2)在待觀測的地質(zhì)結(jié)構(gòu)上通過鉆機鉆孔，孔徑以剛好可容納pvc直管20為宜，然后清洗孔壁；

3)將pvc直管20下放到鉆孔50內(nèi)；

4)將首尾連接好的所有mems傳感器10(一串mems傳感器)順序下放到pvc直管20內(nèi)，pvc直管20的管徑以剛好能夠容納mems傳感器10為宜，確保所有mems傳感器10形成一條與pvc直管20軸線同軸的直線；

5)通過灌漿設(shè)備向鉆孔50和pvc直管20內(nèi)灌注水泥漿液，直至水泥漿液灌滿溢出；

6)待水泥漿液凝固(通常需要一周時間)后，在鉆孔50孔口處安裝gnss觀測站60，確保gnss觀測站60與pvc直管20共軸，換句話說，gnss觀測站60安裝在地質(zhì)表面40的孔口位置(圖3僅示意性地示出了gnss觀測站60，故gnss觀測站60未畫在地質(zhì)表面上)；

7)在地面上安裝信息采集系統(tǒng)30；

8)通過混凝土模板制作混凝土保護箱，保護箱的尺寸比信息采集系統(tǒng)30的尺寸稍大，以便于信號線和電源線等電纜連接，通過保護箱將最接近地質(zhì)表面40的mems傳感器10延伸到地上的電纜連接到信息采集系統(tǒng)30上，以及將gnss觀測站60通過電纜連接到信息采集系統(tǒng)30上。

在實際施工時，再在地面上安裝好信息管理系統(tǒng)70以及gnss基準站80，然后調(diào)試各系統(tǒng)，進行各系統(tǒng)之間的聯(lián)合調(diào)試，設(shè)定觀測初始數(shù)據(jù)、基準數(shù)據(jù)等，以備后續(xù)觀測使用。

使用本發(fā)明觀測系統(tǒng)進行觀測時，開啟各系統(tǒng)電源，確保通電正常。

通過信息管理系統(tǒng)70設(shè)置好三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)的觀測頻次，然后便可開始工作。

三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)、gnss觀測站60按照設(shè)定的觀測頻次在每一采集時刻進行x、y、z三軸變形量的檢測，然后各mems傳感器10、gnss觀測站60將得到的數(shù)據(jù)傳送給信息采集系統(tǒng)30，再由信息采集系統(tǒng)30經(jīng)由收發(fā)天線31傳送給信息管理系統(tǒng)70，最終由信息管理系統(tǒng)70計算得出此處地質(zhì)內(nèi)部每個采集時刻以及設(shè)定時間段內(nèi)所發(fā)生的實際地質(zhì)變形情況，并同步顯示出絕對變形趨勢曲線等結(jié)果。

在實際分析中，本發(fā)明觀測系統(tǒng)還可配設(shè)二次儀表，以進行系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與人工讀取數(shù)據(jù)之間的比對。

基于上述本發(fā)明地質(zhì)變形三維觀測系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種地質(zhì)內(nèi)部變形測量方法，包括如下步驟：

1)每個mems傳感器10作為一個監(jiān)測點，基于正反向趨勢函數(shù)法，各監(jiān)測點通過自身在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的三對慣性傳感器分別得到自身位置的x、y、z軸變形量；

2)以最接近地質(zhì)表面40的監(jiān)測點或以距離地質(zhì)表面40最遠的監(jiān)測點為起點，開始逐個采集各監(jiān)測點的x、y、z軸變形量；

3)gnss觀測站60作為觀測點從gnss基準站80提供的三維地理位置信息獲取其所在位置的x、y、z軸變形量，gnss觀測站60所獲得的x、y、z軸變形量代表了其所在地質(zhì)表面的變形值；

4)針對觀測點以及所有監(jiān)測點，累加計算并擬合出反映三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)所在位置的x、y、z軸絕對變形曲線；

5)根據(jù)x、y、z軸絕對變形曲線，在三維坐標系下累加計算并擬合出反映三維正反雙向慣性傳感檢測系統(tǒng)所在位置的地質(zhì)內(nèi)部絕對變形形態(tài)，從而真實地反映出此處地質(zhì)內(nèi)部發(fā)生位移的情況。

換句話說，每一條地質(zhì)內(nèi)部絕對變形曲線是將同一采集時刻基于監(jiān)測點得到的相對變形量與基于觀測點得到的地表變形量相耦合求出的，與相對變形量相比，這種絕對變形量更能直接地針對實際地理方位顯示出待觀測位置的地質(zhì)內(nèi)部變形情況。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明從三維視角實現(xiàn)了對地質(zhì)內(nèi)部變形趨勢的全面監(jiān)測，測量精度高、誤差小，能有效地防止因地質(zhì)界面因素所帶來的個別監(jiān)測點陡增或陡降異常現(xiàn)象的發(fā)生，且監(jiān)測結(jié)果為三維坐標下的絕對變形量，可真實、直觀、準確地反映出地質(zhì)內(nèi)部的實際變形情況，從而為校核設(shè)計、施工指導(dǎo)提供科學(xué)的依據(jù)和可靠的技術(shù)支持。

以上所述是本發(fā)明較佳實施例及其所運用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。