一种裂缝三维状态变化监测方法及监测系统

摘要

本发明提供了一种裂缝三维状态变化监测方法，包括以下步骤：1、利用裂缝一侧的激光测距仪对另一侧的三角反光架的三个顶点分别进行测量，测得三角反光架的三个顶点到激光测距仪探头中心的距离、竖直角和水平角；2、重复步骤1，得到不同时期测量的数据；3、根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，得到裂缝的空间坐标变化。本发明同时提供了裂缝三维状态变化监测系统，包括激光测距仪和三角反光架，激光测距仪和三角反光架通过监测墩固定于地面，三角反光架的三个顶点设有一个全反射棱镜。本发明结构简单、高精度、方便易用、可靠性好，适合滑坡或其他地质灾害致裂裂缝三维立体监测。

权利要求

1.一种裂缝三维状态变化监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用固定于裂缝一侧的激光测距仪对固定于裂缝另一侧的三角反光架的三个顶点分别进行测量，每次测量时激光测距仪发射的激光被位于三角反光架的三个顶点的全反射棱镜反射，从而测得三角反光架的三个顶点分别到激光测距仪探头中心的距离、竖直角和水平角；

(2)重复步骤(1)，得到不同时期测量的数据；

(3)根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，得到裂缝的空间坐标变化。

2.根据权利要求1所述的裂缝三维状态变化监测方法，其特征在于：步骤(1)进行测量时，三角反光架所在平面与裂缝走向平行。

3.根据权利要求1所述的裂缝三维状态变化监测方法，其特征在于：步骤(1)所述三角反光架的三个顶点的全反射棱镜旁各设有一个靶标，所述靶标距其最近全反射棱镜的距离与激光测距仪探头距激光测距仪辅助灯的距离相同，测量时，将激光测距仪辅助灯瞄准靶标，以使得激光测距仪发射的激光被全反射棱镜反射。

4.根据权利要求1所述的裂缝三维状态变化监测方法，其特征在于：步骤(2)所述得到不同时期测量的数据，其时期间隔根据地质活动和裂缝发育情况确定，间隔范围为10天至一个月。

5.根据权利要求1所述的裂缝三维状态变化监测方法，其特征在于：步骤(3)所述根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，具体包括各点的总空间变化以及阶段空间变化：顶点A的总空间变化量为：

顶点A的阶段空间变化量为：

顶点B的总空间变化量为：

顶点B的阶段空间变化量为：

顶点C的总空间变化量为：

顶点C的阶段空间变化量为：

其中，i∈[2,n]，n为测量时期总数，A(ΔxA,ΔyA,ΔzA)、B(ΔxB,ΔyB,ΔzB)和C(ΔxC,ΔyC,ΔzC)分别表示顶点A、B和C的位置变化量， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的距离， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的竖直角， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的水平角。

6.一种基于权利要求1所述监测方法的裂缝三维状态变化监测系统，其特征在于：包括分别位于裂缝两侧的激光测距仪和三角反光架，所述激光测距仪和三角反光架分别通过监测墩固定于地面；所述三角反光架的三个顶点分别设有一个全反射棱镜。

7.根据权利要求6所述的裂缝三维状态变化监测系统，其特征在于：所述三角反光架三个顶点处的全反射棱镜旁各设有一个靶标，所述靶标距其最近全反射棱镜的距离与激光测距仪探头距激光测距仪辅助灯的距离相同。

8.根据权利要求6所述的裂缝三维状态变化监测系统，其特征在于：所述三角反光架除全反射棱镜的部位全部涂装黑色。

说明书

一种裂缝三维状态变化监测方法及监测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种裂缝三维状态变化监测方法及监测系统，属于工程地质裂缝及地质灾害致裂裂缝监测领域。

背景技术

[0002] 三峡库区内高切坡群多分布于人口集中居住区域与道路沿线且具有“陡”、“高”的形态特征，其稳定性的状态好坏严重关系到库区移民的生命财产安全与经济建设活动，对于其采取监测措施十分必要。地表裂缝变化是判断滑坡稳定性分析的关键参数与重要表征，其监测作为滑坡监测中的重要一环，必不可少。

[0003] 国内对地表裂缝的监测手段主要为通过多种方案测得裂缝宽度变化的位移计，如：基于应变片的、基于光纤光栅的、基于收敛计的、基于裂缝传感器的以及LF型差阻式裂缝计。上述集中仪器多为单一维度的监测手段，监测信息过于简单。中国科学院地质与地球物理研究所基于特制三向游标卡尺设计的三维裂缝仪以及李晓设计的IGG-1型机械式裂缝计，能较好的反应裂缝的三维数值变化，但机械式设计使其精度尚有进一步的提升空间。国外在地表裂缝监测拥有许多专业仪器，如加拿大Roctest公司的的JM系列裂缝计、PF25裂缝计、REPP遥控型裂缝计、英国SOIL公司的振弦式裂缝计以及其他公司生产的测缝计、裂缝计、位移计(多点)以及土体位移计，都不能实现裂缝的地表三维状态监测，或者监测精度低而不具有参考价值。此外还有基于INSAR、三维激光扫描以及GPS、微破裂成像等技术对裂缝分布状态及发育规律的监测，但过于宏观，无法精密监测单一裂缝的发育过程，或是只能反映地裂缝的沉降特征。

[0004] 由于地裂缝致裂因素众多，其变形过程必然是复杂、立体的，单一维度的地裂缝状态变化监测不足以反应其变形特征与成因机理。因此，对地表裂缝的三维状态变化监测方法具有重要意义。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种裂缝三维状态变化监测方法及监测系统，结构简单、设计合理、技术成熟、高精度、性价比高、方便易用，可以监测滑坡或地质灾害致裂的裂缝三维状态变化，适合于工程地质领域使用。

[0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种裂缝三维状态变化监测方法，包括以下步骤：

[0007] (1)利用固定于裂缝一侧的激光测距仪对固定于裂缝另一侧的三角反光架的三个顶点分别进行测量，每次测量时激光测距仪发射的激光被位于三角反光架的三个顶点的全反射棱镜反射，从而测得三角反光架的三个顶点分别到激光测距仪探头中心的距离、竖直角和水平角；

[0008] (2)重复步骤(1)，得到不同时期测量的数据；

[0009] (3)根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，得到裂缝的空间坐标变化。

[0010] 步骤(1)进行测量时，三角反光架所在平面与裂缝走向平行。

[0011] 步骤(1)所述三角反光架的三个顶点的全反射棱镜旁各设有一个靶标，所述靶标距其最近全反射棱镜的距离与激光测距仪探头距激光测距仪辅助灯的距离相同，测量时，将激光测距仪辅助灯瞄准靶标，以使得激光测距仪发射的激光被全反射棱镜反射。

[0012] 步骤(2)所述得到不同时期测量的数据，其时期间隔根据地质活动和裂缝发育情况确定，间隔范围为10天至一个月。

[0013] 步骤(3)所述根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，具体包括各点的总空间变化以及阶段空间变化：

[0014] 顶点A的总空间变化量为：

[0015]

[0016] 顶点A的阶段空间变化量为：

[0017]

[0018] 顶点B的总空间变化量为：

[0019]

[0020] 顶点B的阶段空间变化量为：

[0021]

[0022] 顶点C的总空间变化量为：

[0023]

[0024] 顶点C的阶段空间变化量为：

[0025]

[0026] 其中，i∈[2,n]，n为测量时期总数，A(ΔxA,ΔyA,ΔzA)、B(ΔxB,ΔyB,ΔzB)和[0027] C(ΔxC,ΔyC,ΔzC)分别表示顶点A、B和C的位置变化量， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的距离， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的竖直角， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的水平角。

[0028] 本发明同时提供了一种所述监测方法的裂缝三维状态变化监测系统，包括分别位于裂缝两侧的激光测距仪和三角反光架，所述激光测距仪和三角反光架分别通过监测墩固定于地面；所述三角反光架的三个顶点分别设有一个全反射棱镜。

[0029] 所述三角反光架三个顶点处的全反射棱镜旁各设有一个靶标，所述靶标距其最近全反射棱镜的距离与激光测距仪探头距激光测距仪辅助灯的距离相同。

[0030] 所述三角反光架除全反射棱镜的部位全部涂装黑色。

[0031] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

[0032] (1)本发明利用激光测距的方式获得裂缝两侧点与面位置的空间变化数据，能够准确反映裂缝的空间变化动态，得到裂缝的三维变化状态，由于激光测距的方式技术成熟，其精度相对于超声波、机械的测量方式更高，设计合理，可以更精确地测量出裂缝的三维变化状态；

[0033] (2)本发明的测量方法采用激光测距这种非接触式的测量方式，测完可拆卸，相比于机械式测量方式更加不受环境影响、不易受潮；

[0034] (3)本发明的测量方法主要建造设施为两个测墩，使用的激光测距仪非测量时仍可用于他处，测量方法整体投入小、经济性好，整个方法中所涉仪器均为成熟技术，可靠性好，维护量小；

[0035] (4)本发明的测量方法可以三个全反射棱镜点反映三角反光架状态的变化，由于三角反光架与裂缝平面平行，可间接获得裂缝断面的三维状态变化，通过多期多维度裂缝发育信息的监测可更全面的揭示其发展趋势以及对地面建筑物和构筑物的影响，有助于更好的解释滑坡致灾机理、高切坡发育特征、矿产采空区地裂缝致灾机理；

[0036] (5)本发明的裂缝三维状态变化监测系统专门为其测量方法提供了一种实现方便、结构简单的硬件平台，其三角反光架三顶点处的全反射棱镜旁设有靶标，为远距离测距提供瞄靶基准，进一步提高测量准确性。

附图说明

[0037] 图1是为本发明的一个实施例中整体结构示意图；

[0038] 图2为本发明计算方法示意图；

[0039] 图3本发明激光测斜仪示意图；

[0040] 图4为本发明的监测墩示意图；

[0041] 图5为本发明的三角反射板示意图

[0042] 图中：1地面，2监测墩A，3激光测距仪，4三角反光架，5监测墩B，31脚螺旋，32数据显示屏，33水平转盘，34激光测距探头，35激光辅助灯，36竖直螺旋，37操作按钮，38水平螺旋，39底部螺孔，41全反射棱镜A，42全反射棱镜B，43全反射棱镜C，44靶标，51预留孔，52监测墩墩体。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0044] 本发明提供了一种裂缝三维状态变化监测方法，包括以下步骤：

[0045] (1)利用固定于裂缝一侧的激光测距仪对固定于裂缝另一侧的三角反光架的三个顶点分别进行测量，每次测量时激光测距仪发射的激光被位于三角反光架的三个顶点的全反射棱镜反射，从而测得三角反光架的三个顶点分别到激光测距仪探头中心的距离、竖直角和水平角；

[0046] (2)重复步骤(1)，得到不同时期测量的数据；

[0047] (3)根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，得到裂缝的空间坐标变化。

[0048] 步骤(1)进行测量时，三角反光架所在平面与裂缝走向平行。

[0049] 步骤(1)所述三角反光架的三个顶点的全反射棱镜旁各设有一个靶标，所述靶标距其最近全反射棱镜的距离与激光测距仪探头距激光测距仪辅助灯的距离相同，测量时，将激光测距仪辅助灯瞄准靶标，以使得激光测距仪发射的激光被全反射棱镜反射。

[0050] 步骤(2)所述得到不同时期测量的数据，其时期间隔根据地质活动和裂缝发育情况确定，间隔范围为10天至一个月：对于发育缓慢的地裂缝，一般控制在每个月一期，对于变化较大的地裂缝可精确至每十日一期，同时增加每期次数以避免偶然误差，提高精确性。所述监测期数n以该裂缝监测数据稳定或其他人为设定情况为条件确定。

[0051] 步骤(3)所述根据不同时期测量的数据计算三角反光架的三个顶点的位置变化，具体包括各点的总空间变化以及阶段空间变化：

[0052] 顶点A的总空间变化量为：

[0053]

[0054] 顶点A的阶段空间变化量为：

[0055]

[0056] 顶点B的总空间变化量为：

[0057]

[0058] 顶点B的阶段空间变化量为：

[0059]

[0060] 顶点C的总空间变化量为：

[0061]

[0062] 顶点C的阶段空间变化量为：

[0063]

[0064] 其中，i∈[2,n]，n为测量时期总数，A(ΔxA,ΔyA,ΔzA)、B(ΔxB,ΔyB,ΔzB)和C(ΔxC,ΔyC,ΔzC)分别表示顶点A、B和C的位置变化量， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的距离， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的竖直角， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的水平角。

[0065] 过程中监测每一期得到的第i次与第i-1次的变化量可得到裂缝发育变形趋势，对比相应的边坡累积位移预测模型(例如斋藤模型)并应用于边坡或其他地质体的稳定性预测预报。

[0066] 本发明同时提供了一种所述监测方法的裂缝三维状态变化监测系统，参照图1，包括分别位于裂缝两侧的激光测距仪3和三角反光架4，所述激光测距仪3和三角反光架4分别通过监测墩固定于地面1，两个监测墩分别为监测墩A2和监测墩B5。

[0067] 参照图3，激光测距仪3结构与自动经纬仪类似，三个脚螺旋31用于调节仪器水平，以保证仪器在水平工作面上工作，辅助以相关水平仪保证水平，数据显示屏32和操作按钮37用来显示、记录所测得水平角、竖直角和距离，水平螺旋38调节底部水平转盘33的左右转动，竖直螺旋36调节激光测距探头部分的竖直转动，激光辅助灯35用以配合激光测距探头
34寻找测量目标，底部螺孔39用以固定于监测墩上。

[0068] 参照图5，监测墩墩体52顶部设有预留孔51，可以用来埋设三角反光架4，或者设置螺孔以固定激光测距仪3。墩体用于为三角反光架与激光测距仪提供承载平台，选用材质坚固耐侵蚀，重量大小选择以不影响裂缝发育为前提。

[0069] 参照图4，所述三角反光架固定于监测墩的预留孔中。其三个顶点A、B和C分别设有一个全反射棱镜，分别为全反射棱镜A41、全反射棱镜B42和全反射棱镜C43，用于将激光测距仪发射的激光原路反射回去；所述三角反光架三个顶点处的全反射棱镜旁各设有一个靶标44，所述靶标距其最近全反射棱镜的距离与激光测距仪探头距激光测距仪辅助灯的距离相同。所述三角反光架除全反射棱镜的部位全部涂装黑色。

[0070] 以下为利用本发明的裂缝三维状态变化监测系统进行裂缝三维状态变化监测的过程：

[0071] (1)对裂缝进行相关勘察工作后、确认重点监测位置；

[0072] (2)在裂缝的两侧分别靠近裂缝处分别设置监测墩A、监测墩B，监测墩A上端中心处设有螺孔，用于固定激光测距仪3，监测墩B上端固定三角反光架4，三角反光架4与裂缝走向平行。

[0073] (3)由于监测单一裂缝两侧相对位移变化，故不考虑其空间坐标，但需要固定其局部坐标系，利用螺丝将激光测距仪3通过底部螺孔39固定于监测墩A上，旋转脚螺旋31至水平，固定每次测量时初始方向一致作为x轴，每期测量测得激光测距探头34中心处到监测墩表面的高度以消除z轴误差；

[0074] (4)打开顶部激光辅助灯35，操作水平螺旋38左右转动水平转盘33，上下转动竖直螺旋36，待激光辅助灯瞄准靶标44，进行测距，利用操作按钮37记录数据显示屏32所示水平角、竖直角、距离；

[0075] (5)按步骤(4)所述过程，依次测得全反射棱镜A、全反射棱镜B和全反射棱镜C点的水平角、竖直角、距离并进行记录；

[0076] (6)室内计算：

[0077] 参照图2，以第一期测量点A为例，以激光测距探头34中心处为原点，水平角 竖直角 测距 第一期测得数据表示为各点坐标如下：

[0078]

[0079] 则n期监测可继续得数据：

[0080] A2、A3、A4……An；

[0081] B2、B3、B4……Bn；

[0082] C2、C3、C4……Cn。

[0083] 对于各点，进行n期监测后，空间坐标变化量为：

[0084] 顶点A的总空间变化量为：

[0085]

[0086] 顶点B的总空间变化量为：

[0087]

[0088] 顶点C的总空间变化量为：

[0089]

[0090] 每个点的空间坐标的变化也即该点的空间三维变化，代表了两个监测墩之间的裂缝所产生的三维空间变化。A、B、C三点空间坐标变化可取平均值以减小误差。

[0091] 顶点A的阶段空间变化量为：

[0092]

[0093] 顶点B的阶段空间变化量为：

[0094]

[0095] 顶点C的阶段空间变化量为：

[0096]

[0097] 其中，i∈[2,n]，n为测量时期总数，A(ΔxA,ΔyA,ΔzA)、B(ΔxB,ΔyB,ΔzB)和C(ΔxC,ΔyC,ΔzC)分别表示顶点A、B和C的位置变化量， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的距离， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的竖直角， 和 分别表示第i次监测时顶点A、B和C到激光测距仪探头中心的水平角。过程中监测每一期得到的第i次与第i-1次的变化量可得到裂缝发育变形趋势，对比相应的边坡累积位移预测模型(例如斋藤模型)并应用于边坡或其他地质体的稳定性预测预报。

[0098] 拓展而言，如若将监测墩A后撤至离裂缝较远处，借助GPS监测可将上述局部坐标系纳入北京坐标系监测其空间姿态的变化，同理可将监测墩A处的裂缝空间姿态纳入监测，从而得到该裂缝两侧的相对姿态的三维的变化过程。依此，该方法可以拓展到其他领域，如地基产生不均匀沉降的楼房姿态监测等。

[0099] 本发明的裂缝的三维监测方法具有结构简单、设计合理、高精度、性价比高、方便易用的特点，整个方法中所涉仪器均为成熟技术，可靠性好，维护量小。非常适合应用于滑坡或其他地质灾害致裂裂缝三维立体监测。