[发明专利]基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法

说明书

本发明针对边坡深部变形失稳监测的重大需求，提出了一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统，以及基于该监测系统的监测方法。本监测系统具有隐蔽性好、适应性强、不易受干扰等优点，且维护简便、可监测边坡中后期大变形。本监测方法的算法简单，在仅需要测量得到部分磁场梯度参数的情况下即可实现对埋设于边坡内的磁场发射元件的三维定位，从而精确地监测边坡的深部变形，实现边坡变形失稳程监测。

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法。

背景技术

边坡变形是一个渐进性的过程：滑动失稳由深部变形逐渐扩展演化至表面形成滑动面。边坡临近失稳破坏时呈现突变性和随机性，因此，边坡深部变形监测尤为重要。目前边坡深部变形监测设备及方法主要有钻孔测斜仪、滑动测微计、多点位移计、电磁波时域反射(Time domain reflectometry，TDR)等，其中钻孔测斜仪、滑动测微计、多点位移计等在监测时存在测杆、电缆等仪器具有布设较繁琐的缺点，而电磁波时域反射技术仅可确定滑动面的位置，无法确定边坡滑动的方向，难以准确测量边坡的变形量，且仪器造价过高。另一方面，上述监测设备及方法在监测时均易受雨水、滚石、泥石流等环境破环，难以在野外恶劣环境下服役，需要精心维护。

针对上述现有技术之不足，有必要研究廉价、布设简单、性能稳定的边坡深部变形监测设备及方法，以能够对那些变形较大的特征点或滑动面附近测试点进行后期变形连续观测，对边坡滑动变形进行预警，从而更好地为边坡工程提供安全保障。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法，克服了在边坡深部变形监测中仪器布设较繁琐、难以在野外恶劣环境下服役以及相关算法较复杂的问题。

就监测系统而言，该监测系统包括磁场发射元件、部分张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁场发射元件的数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于各自的测点处发射磁场；所述部分张量磁力梯度仪设于边坡表面并测量各测点的磁场发射元件发出的部分磁场梯度张量，所述部分张量磁力梯度仪的数量不少于三个，且至少三个部分张量磁力梯度仪不共线；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。

进一步地，所述部分张量磁力梯度仪包括两个三轴磁场传感器、微处理器、无线数据传输模块和工程塑料外壳，两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，两个三轴磁场传感器的形心连线沿z轴方向，部分张量磁力梯度仪x、y和z轴分别与两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致；两个三轴磁场传感器的形心之间的距离为0.5米；部分张量磁力梯度仪的原点o在两个三轴磁场传感器的形心连线的中心；测量时部分张量磁力梯度仪的z轴方向竖直向上。

进一步地，所述磁场发射元件包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、万向支架、高阻尼橡胶隔震层、ABS工程塑料防渗层和高耐久性轻质混凝土外壳，所述钕铁硼永磁铁位于万向支架的中心。

就监测方法而言，包括如下步骤：

S1)在边坡内布置若干个测点，每一个测点内埋设一个磁场发射元件；在边坡表面选择n个参考点(n≥3)，且至少三个参考点不共线，在每个参考点布置一个部分张量磁力梯度仪，用于测量边坡内的各个测点处磁场发射元件的部分磁场梯度张量，选择其中一个参考点为监测时的坐标原点O，并定义监测坐标系Oxyz，其中z轴方向必须竖直向上，x轴方向和y轴方向必须与部分张量磁场梯度传感器的x轴方向和y轴方向保持一致，在监测坐标系Oxyz下，测量参考点的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，(i＝1，…n，n≥3)，并测量磁场发射元件的初始三维坐标(x，y，z)；

S2)计算磁场发射元件在参考点处的磁感应强度沿着z轴方向的变化率：