本發(fā)明涉及一種地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及該地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝埋設(shè)方法，以及基于該地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部位移測(cè)量方法，屬于巖土工程的地質(zhì)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖土工程的變形監(jiān)測(cè)包括表面位移觀測(cè)和內(nèi)部位移觀測(cè)。變形監(jiān)測(cè)主要是觀測(cè)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(dòng)和傾覆的趨勢(shì)。常用的內(nèi)部位移觀測(cè)儀器有位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、傾斜儀、沉降儀、固定測(cè)斜儀、垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、多點(diǎn)變位計(jì)和應(yīng)變計(jì)等。表面位移觀測(cè)儀器有水準(zhǔn)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(cè)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(jìn)。現(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(jī)場(chǎng)地基等方面，一般采用單點(diǎn)式(沉降板、沉降環(huán))和分布式(固定測(cè)斜儀、沉降儀)的方式進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

目前，應(yīng)用mems相關(guān)變形儀器，如固定測(cè)斜儀進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)已成為本領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，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(jī)電系統(tǒng))慣性傳感器92的固定測(cè)斜儀91通過剛性連接桿93相連。測(cè)量時(shí)，互相首尾相連的固定測(cè)斜儀91置入待測(cè)地質(zhì)內(nèi)部，如圖2所示，每個(gè)固定測(cè)斜儀91上的mems慣性傳感器92作為一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)地質(zhì)內(nèi)部變形時(shí)，以起始或結(jié)尾處的mems慣性傳感器92作為起算點(diǎn)，通過獲得起始或結(jié)尾處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)二維變形值，即可推算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)變形量，從而進(jìn)行變形量的累加計(jì)算，最終計(jì)算出的沉降結(jié)果為相對(duì)于起始或結(jié)尾處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)二維變形值。

從實(shí)際實(shí)施中可以看出，上述固定測(cè)斜儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部變形觀測(cè)方法存在如下缺陷：第一，受地質(zhì)界面(斷層、破碎帶)影響，個(gè)別固定測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得的變形量和變形趨勢(shì)與實(shí)際地質(zhì)變形情況有較大差異。如圖2，標(biāo)號(hào)102示出了實(shí)際地質(zhì)界面，通過各固定測(cè)斜儀91得到的變形趨勢(shì)線101與地質(zhì)實(shí)際變形存在較大差異。第二，上述固定測(cè)斜儀系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)二維變形觀測(cè)，測(cè)量精度較低，存在系統(tǒng)誤差，并且誤差值會(huì)隨變形累加計(jì)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(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及該地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝埋設(shè)方法，以及基于地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部位移測(cè)量方法，此三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了已有固定測(cè)斜儀系統(tǒng)出現(xiàn)的個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)異常導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果失真的問題，確保了監(jiān)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際地質(zhì)變形情況。

為了實(shí)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)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)和置于地上的信息采集系統(tǒng)；三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)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(cè)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，其中：mems傳感器包括分別在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的一對(duì)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。

所述mems傳感器包括信號(hào)處理控制器，信號(hào)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(hào)采集模塊、電源模塊和收發(fā)天線，其中：信號(hào)采集模塊用于與所述三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)伸出地質(zhì)表面的電纜連接，電源模塊、收發(fā)天線與信號(hào)采集模塊連接，電源模塊提供電力。

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)。

所述信息管理系統(tǒng)包括通訊模塊、變形分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

一種所述的地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)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(hào)線首尾連接組裝好；

2)在待監(jiān)測(cè)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，在地面上安裝所述信息采集系統(tǒng)；

7)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。

一種基于所述的地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)內(nèi)部位移測(cè)量方法，其特征在于，它包括如下步驟：

1)每個(gè)所述mems傳感器作為一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過自身在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的三對(duì)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(cè)點(diǎn)或以距離地質(zhì)表面最遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為起點(diǎn)，開始逐個(gè)采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x、y、z軸變形量，然后針對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累加計(jì)算并擬合出反映所述三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)所在位置的x、y、z軸變形曲線；

3)根據(jù)x、y、z軸變形曲線，在三維坐標(biāo)系下累加計(jì)算并擬合出反映所述三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)所在位置的地質(zhì)內(nèi)部相對(duì)變形形態(tài)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明從三維視角實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)內(nèi)部變形趨勢(shì)的全面監(jiān)測(cè)，測(cè)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(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)陡增或陡降異?，F(xiàn)象的發(fā)生，可真實(shí)、直觀、準(zhǔn)確地反映出地質(zhì)內(nèi)部的實(shí)際變形情況，從而為校核設(shè)計(jì)、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)明三維監(jiān)測(cè)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(chǎng)地基等方面的地質(zhì)內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有固定測(cè)斜儀系統(tǒng)的安裝示意圖。

圖2是現(xiàn)有固定測(cè)斜儀系統(tǒng)的使用情況說明圖。

圖3是本發(fā)明地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的較佳實(shí)施例示意圖。

圖4是本發(fā)明地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施說明圖。

具體實(shí)施方式

如圖3所示，本發(fā)明地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)和置于地上的信息采集系統(tǒng)30；三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)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(cè)系統(tǒng)包括通過信號(hào)線首尾相連、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(cè)點(diǎn))形成的直線與pvc直管20軸線同軸，pvc直管20置于在待監(jiān)測(cè)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10包括分別在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的一對(duì)慣性傳感器，也就是說，在x軸上，朝向x軸正方向和負(fù)方向設(shè)置有一對(duì)檢測(cè)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(fù)方向設(shè)置有一對(duì)檢測(cè)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(fù)方向也設(shè)置有一對(duì)檢測(cè)方向相反的慣性傳感器16、17。在每對(duì)慣性傳感器中，一個(gè)朝向軸線(x、y或z軸)正方向進(jìn)行測(cè)量而另一個(gè)朝向同一軸線(x、y或z軸)負(fù)方向進(jìn)行測(cè)量。

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(gè)三維坐標(biāo)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(shí)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(duì)mems傳感器10起到了一個(gè)很好的保護(hù)作用。

在實(shí)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(duì)慣性傳感器在mems傳感器10上的安裝位置可靈活設(shè)計(jì)，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(jìn)行測(cè)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(fù)方向進(jìn)行測(cè)量的慣性傳感器的情形。

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

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，信息采集系統(tǒng)30可包括信號(hào)采集模塊33(也可稱為微機(jī)電采集模塊)、電源模塊32和收發(fā)天線31，其中：信號(hào)采集模塊33用于與三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)伸出地質(zhì)表面40的電纜連接，電源模塊32、收發(fā)天線31的信號(hào)端口分別與信號(hào)采集模塊33的相應(yīng)信號(hào)端口連接，電源模塊32提供電力。

具體來說，在三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)中，各mems傳感器10之間通過信號(hào)處理控制器11引出的線纜進(jìn)行連接，最接近地質(zhì)表面40的那個(gè)mems傳感器10的信號(hào)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(hào)采集模塊33的相應(yīng)信號(hào)端口連接。

如圖3，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。

進(jìn)一步來說，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(chǔ)模塊73，其中：通訊模塊71、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊73的信號(hào)端口分別與變形分析模塊72的相應(yīng)信號(hào)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(shí)際設(shè)計(jì)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。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(duì)于上述本發(fā)明地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安裝埋設(shè)方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)所需的mems傳感器10數(shù)量，將各mems傳感器10通過信號(hào)線首尾連接組裝好；

2)在待監(jiān)測(cè)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)上通過鉆機(jī)鉆孔，孔徑以剛好可容納pvc直管20為宜，通常pvc直管20與鉆孔50同軸設(shè)計(jì)，然后清洗孔壁；

3)將pvc直管20下放到鉆孔50內(nèi)；

4)將首尾連接好的一串mems傳感器10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(shí)間)后，在地面上安裝信息采集系統(tǒng)30；

7)通過混凝土模板制作混凝土保護(hù)箱，保護(hù)箱的尺寸比信息采集系統(tǒng)30的尺寸稍大，以便于信號(hào)線和電源線等電纜連接，通過保護(hù)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。

在實(shí)際施工時(shí)，再在地面上安裝好信息管理系統(tǒng)70，然后調(diào)試各系統(tǒng)，進(jìn)行各系統(tǒng)之間的聯(lián)合調(diào)試，設(shè)定監(jiān)測(cè)初始數(shù)據(jù)等，以備后續(xù)監(jiān)測(cè)使用。

使用本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，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(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)頻次，然后便可開始工作。

三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)按照設(shè)定的監(jiān)測(cè)頻次在每一采集時(shí)刻進(jìn)行x、y、z三軸變形量的檢測(cè)，然后各mems傳感器10將檢測(cè)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(jì)算得出此處地質(zhì)內(nèi)部每個(gè)采集時(shí)刻以及設(shè)定時(shí)間段內(nèi)所發(fā)生的實(shí)際地質(zhì)變形情況，并同步顯示出變形趨勢(shì)曲線等數(shù)據(jù)。

在實(shí)際分析中，本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可配設(shè)二次儀表，以進(jìn)行系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與人工讀取數(shù)據(jù)之間的比對(duì)。

基于上述本發(fā)明地質(zhì)內(nèi)部位移三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種地質(zhì)內(nèi)部位移測(cè)量方法，包括如下步驟：

1)每個(gè)mems傳感器10作為一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基于正反向趨勢(shì)函數(shù)法，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過在x、y、z軸上正反雙向設(shè)置的三對(duì)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(cè)點(diǎn)或以距離地質(zhì)表面40最遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為起點(diǎn)，開始逐個(gè)采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x、y、z軸變形量，然后針對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累加計(jì)算并擬合出反映三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)所在位置的x、y、z軸變形曲線；

3)根據(jù)x、y、z軸變形曲線，在三維坐標(biāo)系下累加計(jì)算并擬合出反映三維正反雙向慣性傳感檢測(cè)系統(tǒng)所在位置的地質(zhì)內(nèi)部相對(duì)變形形態(tài)，從而真實(shí)地反映出此處地質(zhì)內(nèi)部發(fā)生位移的情況。

如圖4，圖中示出了累加計(jì)算并擬合出的x軸變形曲線81、y軸變形曲線82以及z軸變形曲線83，根據(jù)要求，將這三條曲線在三維坐標(biāo)系下整合成三維立體變形形態(tài)，即可對(duì)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的地質(zhì)內(nèi)部位移情況做出直觀、真實(shí)、全面的三維立體顯示。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明從三維視角實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)內(nèi)部變形趨勢(shì)的全面監(jiān)測(cè)，測(cè)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(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)陡增或陡降異?，F(xiàn)象的發(fā)生，可真實(shí)、直觀、準(zhǔn)確地反映出地質(zhì)內(nèi)部的實(shí)際變形情況，從而為校核設(shè)計(jì)、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(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對(duì)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(jiǎn)單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。