一种厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法

摘要

一种厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法。其中系统包括剪切波发生器、若干个检波器、设置孔、无线控制器和后台服务器；本发明提供的厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法具有如下优点：1)实施方便。钻孔后布设采集设备属于常规施工工艺，易于现场实施。2)动态采集。可根据采集计划远程遥控现场进行测试，实现测试数据的实时采集，实时分析。3)结果可靠性高。利用剪切波在不同介质间的传播特征，测试厚层地下冰上下冰层的位置变化，从而判断出厚层地下冰的退化程度。

权利要求

1.一种厚层地下冰退化监测系统的评价方法，所述的厚层地下冰退化监测系统包括剪切波发生器(1)、若干个检波器(2)、设置孔(3)、无线控制器(4)和后台服务器；其中设置孔(3)是从地面向下垂直形成的孔洞，下端位于上冰层(5)和下冰层(6)之间，至少有两个，两个或多个设置孔(3)间隔设置，其中一个为发生器设置孔，其余为检波器设置孔；剪切波发生器(1)设置于发生器设置孔的下部，且靠近上冰层(5)处；若干个检波器(2)同时设置于一个检波器设置孔内且分别位于上冰层(5)上方、上冰层(5)处以及上冰层(5)和下冰层(6)之间；剪切波发生器(1)和若干个检波器(2)通过数据线与无线控制器(4)连接；无线控制器(4)与后台服务器通过4G网络进行信息传递；后台服务器为设置在控制中心内的计算机；其特征在于：所述的厚层地下冰退化监测系统的评价方法包括按顺序执行的下列步骤：

1)现场钻孔的S11阶段：在此阶段中，工作人员在冬天土样冻结后在测点从地面向下垂直形成至少两个设置孔(3)，两个或多个设置孔(3)间隔设置，其中一个为发生器设置孔，其余为检波器设置孔，然后进入S12阶段；

2)系统布置的S12阶段：在此阶段中，工作人员将剪切波发生器(1)和若干个检波器(2)分别设置在发生器设置孔和检波器设置孔内，其中，剪切波发生器(1)位于发生器设置孔的下部，且靠近上冰层(5)处；若干个检波器(2)同时设置于一个检波器设置孔内且分别位于上冰层(5)上方、上冰层(5)处以及上冰层(5)和下冰层(6)之间，并将剪切波发生器(1)和若干个检波器(2)通过数据线与无线控制器(4)连接；然后进入S13阶段；

3)测试现场数据的S13阶段：在此阶段中，工作人员启动控制中心内的后台服务器，向无线控制器(4)发出开始测试的信号，接收到后台服务器的指令后，无线控制器(4)控制剪切波发生器(1)和若干个检波器(2)工作，测试、记录并将数据传输给后台服务器，然后进入S14阶段；

4)分析现场测试数据结果的S14阶段：在此阶段中，工作人员在后台服务器上分析上述现场测试的结果，根据剪切波到达的时间计算出上冰层(5)和下冰层(6)间的距离，根据剪切波的波形和相位差计算出剪切波在传递过程中的衰减，最终计算出土体含水量和密度变化，然后进入S15阶段；

5)形成分析监测报告的S15阶段：在此阶段中，工作人员对比不同季节收集到的测试数据，形成年度分析报告，用于评价厚层地下冰退化情况。

说明书

一种厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于冻土技术领域，特别是涉及一种厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法。

背景技术

[0002] 厚层地下冰是多年冻土地区常见的自然地理现象，其特点在于冰透镜体呈层状，平行分布于地表下部，其产生原因主要是由于气温的不均衡波动和外来水分补给，先在深层形成冰透镜体并逐渐加厚，随后的几年气候变冷，深层冰未融化，在其上部还形成了新的分凝冰层。类似于三明治一样，冰土间隔分布在厚层地下冰之间。

[0003] 冰层的存在改变了局部的土基工作能力，尤其是冻融循环过程中冰层的加厚和减薄显著改变了土基的工作性能。当上部有铁路、公路穿过时，会造成不同程度的冻胀和融沉现象。为了防止出现上述问题，常规的做法是钻孔监测地温，从而掌握温度对土基的影响，该方法好处在于结果直观，数据可靠，适用于不同类型的冻土地质情况，尤其是对活动土层的判断结果准确。缺点在于布点数量和监测范围均有限，因此仅能对局部、典型、重点区域进行监测，而无法实现更大范围的监测。

[0004] 因此，为加强对多年冻土土基工作性能的掌握，从更大范围内实现对土基工作性能的监测和评价，提出新的测试思路和方法就显得非常有意义。

[0005] 综上，结合分层冰这一特殊的自然地理现象，提出监测分层冰退化的方法和实施技术手段，无疑具有理论研究价值和工程实践价值。但目前尚缺少相应的系统及方法。`发明内容

[0006] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法。

[0007] 为了达到上述目的，本发明提供的厚层地下冰退化监测系统包括剪切波发生器、若干个检波器、设置孔、无线控制器和后台服务器；其中设置孔是从地面向下垂直形成的孔洞，下端位于上冰层和下冰层之间，至少有两个，两个或多个设置孔间隔设置，其中一个为发生器设置孔，其余为检波器设置孔；剪切波发生器设置于发生器设置孔的下部，且靠近上冰层处；若干个检波器同时设置于一个检波器设置孔内且分别位于上冰层上方、上冰层处以及上冰层和下冰层之间；剪切波发生器和若干个检波器通过数据线与无线控制器连接；无线控制器与后台服务器通过4G网络进行信息传递；后台服务器为设置在控制中心内的计算机。

[0008] 所述的发生器设置孔和检波器设置孔间的距离为1-100米。

[0009] 所述的厚层地下冰退化监测系统还包括与无线控制器相连接的太阳能供电装置。

[0010] 本发明提供的厚层地下冰退化监测系统的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：

[0011] 1)系统空闲的S1阶段：在此阶段中，无线控制器处于低点待命阶段；

[0012] 2)判断是否启动检测程序的S2阶段：在此阶段中，无线控制器检测是否接收到后台服务器发出的开始检测的命令，如果判断结果为“是”，则进入S3阶段；否则返回S1阶段；

[0013] 3)开始检测的S3阶段：在此阶段中，无线控制器开始系统自检，为剪切波发生器和若干个检波器通电，然后进入S4阶段；

[0014] 4)判断自检是否正常的S4阶段：在此阶段中，根据S3阶段的自检结果判断本系统工作是否正常，如果判断结果为“是”，则进入S5阶段，否则进入S6阶段；

[0015] 5)开始检测的S5阶段：在此阶段中，无线控制器控制剪切波发生器开始工作而产生水平向振动，同时启动若干个检波器接收该振动所激发的波形在厚层地下冰夹层间传播的测试数据，并将2分钟内记录的测试数据传输给无线控制器，然后进入S7阶段；

[0016] 6)提示进行人工检修的S6阶段：在此阶段中，无线控制器向后台服务器发出报警信号，以提醒工作人员及时进行维修，然后返回S1阶段；

[0017] 7)传输测试数据的S7阶段：在此阶段中，无线控制器向后台服务器上传上述测试数据，同时进行存储，上传完毕后，返回S2阶段入口。

[0018] 本发明提供的厚层地下冰退化监测系统的评价方法包括按顺序执行的下列步骤：

[0019] 1)现场钻孔的S11阶段：在此阶段中，工作人员在冬天土样冻结后在测点从地面向下垂直形成至少两个设置孔，两个或多个设置孔间隔设置，其中一个为发生器设置孔，其余为检波器设置孔，然后进入S12阶段；

[0020] 2)系统布置的S12阶段：在此阶段中，工作人员将剪切波发生器和若干个检波器分别设置在发生器设置孔和检波器设置孔内，其中，剪切波发生器位于发生器设置孔的下部，且靠近上冰层处；若干个检波器同时设置于一个检波器设置孔内且分别位于上冰层上方、上冰层处以及上冰层和下冰层之间，并将剪切波发生器和若干个检波器通过数据线与无线控制器连接；然后进入S13阶段；

[0021] 3)测试现场数据的S13阶段：在此阶段中，工作人员启动控制中心内的后台服务器，向无线控制器发出开始测试的信号，接收到后台服务器的指令后，无线控制器控制剪切波发生器和若干个检波器工作，测试、记录并将数据传输给后台服务器，然后进入S14阶段；

[0022] 4)分析现场测试数据结果的S14阶段：在此阶段中，工作人员在后台服务器上分析上述现场测试的结果，根据剪切波到达的时间计算出上冰层和下冰层间的距离，根据剪切波的波形和相位差计算出剪切波在传递过程中的衰减，最终计算出土体含水量和密度变化，然后进入S15阶段；

[0023] 5)形成分析监测报告的S5阶段：在此阶段中，工作人员对比不同季节收集到的测试数据，形成年度分析报告，用于评价厚层地下冰退化情况。

[0024] 本发明提供的厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法具有如下优点：1)实施方便。钻孔后布设采集设备属于常规施工工艺，易于现场实施。2)动态采集。可根据采集计划远程遥控现场进行测试，实现测试数据的实时采集，实时分析。3)结果可靠性高。利用剪切波在不同介质间的传播特征，测试厚层地下冰上下冰层的位置变化，从而判断出厚层地下冰的退化程度。

附图说明

[0025] 图1为本发明提供的厚层地下冰退化监测系统初始布置状态图。

[0026] 图2为本发明提供的厚层地下冰退化监测系统在上层冰盖开始融化时的系统工作状态图。

[0027] 图3为本发明提供的厚层地下冰退化监测系统在上层冰盖完全融化时的系统工作状态图。

[0028] 图4为本发明提供的厚层地下冰退化监测系统的控制方法流程图。

[0029] 图5为本发明提供的厚层地下冰退化监测系统的评价方法流程图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的厚层地下冰退化监测系统及控制评价方法进行详细说明。

[0031] 如图1所示，本发明提供的厚层地下冰退化监测系统包括剪切波发生器1、若干个检波器2、设置孔3、无线控制器4和后台服务器；其中设置孔3是从地面向下垂直形成的孔洞，下端位于上冰层5和下冰层6之间，至少有两个，两个或多个设置孔3间隔设置，其中一个为发生器设置孔，其余为检波器设置孔；剪切波发生器1设置于发生器设置孔的下部，且靠近上冰层5处；若干个检波器2同时设置于一个检波器设置孔内且分别位于上冰层5上方、上冰层5处以及上冰层5和下冰层6之间；剪切波发生器1和若干个检波器2通过数据线与无线控制器4连接；无线控制器4与后台服务器通过4G网络进行信息传递；后台服务器为设置在控制中心内的计算机。

[0032] 所述的发生器设置孔和检波器设置孔间的距离为1－100米。

[0033] 所述的厚层地下冰退化监测系统还包括与无线控制器4相连接的太阳能供电装置，用于为无线控制器4提供电能。

[0034] 现将本发明提供的厚层地下冰退化监测系统工作原理阐述如下：

[0035] 如图1—图3所示，当需要对冻土土基的工作性能进行监测和评价时，首先由工作人员开启控制中心内的后台服务器，并利用后台服务器向无线控制器4发出开始测试的信号；无线控制器4接收到后台服务器的指令后，控制剪切波发生器1产生水平向的振动，同时启动若干个检波器2接收该振动所激发的波形在厚层地下冰夹层间传播的测试数据，然后将接收的测试数据传送给无线控制器4，之后由无线控制器4进行处理和存储后上传给后台服务器；工作人员在后台服务器上分析现场的测试数据，根据剪切波到达的时间计算出上冰层5和下冰层6间的距离，根据剪切波的波形和相位差计算出剪切波在传递过程中的衰减，并计算出土体含水量和密度变化；最后对比不同季节收集到的测试数据，形成年度分析报告，用于评价厚层地下冰退化情况。

[0036] 如图4所示，本发明提供的厚层地下冰退化监测系统的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：

[0037] 1)系统空闲的S1阶段：在此阶段中，无线控制器4处于低点待命阶段；

[0038] 2)判断是否启动检测程序的S2阶段：在此阶段中，无线控制器4检测是否接收到后台服务器发出的开始检测的命令，如果判断结果为“是”，则进入S3阶段；否则返回S1阶段；

[0039] 3)开始检测的S3阶段：在此阶段中，无线控制器4开始系统自检，为剪切波发生器1和若干个检波器2通电，然后进入S4阶段；

[0040] 4)判断自检是否正常的S4阶段：在此阶段中，根据S3阶段的自检结果判断本系统工作是否正常，如果判断结果为“是”，则进入S5阶段，否则进入S6阶段；

[0041] 5)开始检测的S5阶段：在此阶段中，无线控制器4控制剪切波发生器1开始工作而产生水平向振动，同时启动若干个检波器2接收该振动所激发的波形在厚层地下冰夹层间传播的测试数据，并将2分钟内记录的测试数据传输给无线控制器4，然后进入S7阶段；

[0042] 6)提示进行人工检修的S6阶段：在此阶段中，无线控制器4向后台服务器5发出报警信号，以提醒工作人员及时进行维修，然后返回S1阶段；

[0043] 7)传输测试数据的S7阶段：在此阶段中，无线控制器4向后台服务器上传上述测试数据，同时进行存储，上传完毕后，返回S2阶段入口。

[0044] 如图5所示，本发明提供的厚层地下冰退化监测系统的评价方法包括按顺序执行的下列步骤：

[0045] 1)现场钻孔的S11阶段：在此阶段中，工作人员在冬天土样冻结后在测点从地面向下垂直形成至少两个设置孔3，两个或多个设置孔3间隔设置，其中一个为发生器设置孔，其余为检波器设置孔，然后进入S12阶段；

[0046] 2)系统布置的S12阶段：在此阶段中，工作人员将剪切波发生器1和若干个检波器2分别设置在发生器设置孔和检波器设置孔内，其中，剪切波发生器1位于发生器设置孔的下部，且靠近上冰层5处；若干个检波器2同时设置于一个检波器设置孔内且分别位于上冰层5上方、上冰层5处以及上冰层5和下冰层6之间，并将剪切波发生器1和若干个检波器2通过数据线与无线控制器4连接；然后进入S13阶段；

[0047] 3)测试现场数据的S13阶段：在此阶段中，工作人员启动控制中心内的后台服务器，向无线控制器4发出开始测试的信号，接收到后台服务器的指令后，无线控制器4控制剪切波发生器1和若干个检波器2工作，测试、记录并将数据传输给后台服务器，然后进入S14阶段；

[0048] 4)分析现场测试数据结果的S14阶段：在此阶段中，工作人员在后台服务器上分析上述现场测试的结果，根据剪切波到达的时间计算出上冰层5和下冰层6间的距离，根据剪切波的波形和相位差计算出剪切波在传递过程中的衰减，最终计算出土体含水量和密度变化，然后进入S15阶段；

[0049] 5)形成分析监测报告的S5阶段：在此阶段中，工作人员对比不同季节收集到的测试数据，形成年度分析报告，用于评价厚层地下冰退化情况。