CN113155265A - 一种岩土体稳定性监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土体稳定性监测技术领域，尤其涉及一种岩土体稳定性监测装置，包括数据采集模块，用于采集岩土体的振动速度‑时间信息；数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于接收所述数据采集模块采集的数据并对数据进行处理；可视化预警模块，与所述数据处理模块连接，包括显示屏，用于显示所述数据处理模块的处理后的数据；电源，与所述数据采集模块、数据处理模块、可视化预警模块连接，用于为三者实时供电。本发明还请求保护一种岩土体稳定性监测方法。通过数据采集模块向待监测岩土体发射激光，采集岩土体的监测信息，避免传统监测方法需预先安装监测点的弊端。

Description

一种岩土体稳定性监测装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土体稳定性监测技术领域，尤其涉及一种岩土体稳定性监测装置及方法。

背景技术

岩土体稳定性是指坡沿、土体在一定坡高和坡脚条件下的稳定程度。边坡失稳不仅会直接摧毁工程建设本身，而且也会对工程和人居环境带来间接的影响和灾害。因此，对边坡、隧道掌子面、煤矿巷道等岩土体进行稳定性监测，研究岩土体变形机理，掌握岩土体变形规律，科学预测预报岩土体变形破坏，为防灾减灾提供依据具有十分重要的意义。

现有技术中，对岩土体稳定性的监测，多采用现象预报、经验方程预报、统计分析预报、非线性预报以及综合预报、实时追踪动态预报等方式进行。然而在具体实践中，上述监测预报方式多存在精确度差的问题，而且上述方式中多为接触式监测，需要事先在坡体上安装检测点，降低了监测过程中的安全性。

鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种岩土体稳定性监测装置及方法，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种岩土体稳定性监测装置及方法，实现非接触式岩土体稳定性监测。

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种岩土体稳定性监测装置，包括：

数据采集模块，用于采集岩土体的振动速度-时间信息；

数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于接收所述数据采集模块采集的数据并对数据进行处理；

可视化预警模块，与所述数据处理模块连接，包括显示屏，用于显示所述数据处理模块的处理后的数据；

电源，与所述数据采集模块、数据处理模块、可视化预警模块连接，用于为三者实时供电。

进一步地，所述数据采集模块中的数据采集仪为多普勒激光雷达发射器，所述多普勒激光雷达发射器与待测点间隔一定距离设置。

进一步地，所述数据采集包括以下步骤：

①在待测岩土体等间距布置监测点A_i(x,y)，i为监测点编号，x,y为测点的平面坐标，x_i+1-x_i、y_i+1-y_i为待测岩土体的

②采用多普勒激光雷达发射器遍历采集所布置监测点的离散振动-时间采样值S_i(t_t)。

进一步地，所述数据处理包括以下步骤：

①通过小波去噪滤除S_i(t_t)中的离散值；

②用离散的振动-时间采集值S_i(t_t)求取连续的振动-时间信息S_i(t)，具体为：

其中，i为监测点编号，S_i(t_t)为采样值，N为采样数，Δt为采样点的时间间隔，k＝0,1,2,...,(N-1)/2；

③对连续的振动-时间信息S_i(t)进行二次差分，得到采样点的振动-时间信息α_i(t)：

④采用傅里叶变化，将时域信息α_i(t)转换为频域信息α_i(w)：

⑤从频域信息α_i(w)中提取监测点A_i(x,y)的固有频率f_i。

进一步地，所述可视化预警模块还包模数转换器和数字化显示屏，所述模数转换器将固有频率信号f_i转变为数字信号。

进一步地，所述数字化显示屏中每个监测点对应一个LED灯，所述LED 灯与所述模数转换器连接。

本发明另一方面还提供了一种岩土体稳定性监测方法，应用上的沿土体稳定性监测装置，包括以下步骤：

S10：岩土体发生失稳前，通过数据采集模块和数据处理模块，获得所有监测点i的固有频率，构建初始固有频率库f_i(0)；

S20：间隔t时间，通过数据采集模块和数据处理模块，获得所有监测点i的固有频率，获得t时刻固有频率库f_i(t)；

S30：当

以及

时，认为监测点稳定，相应的 LED点显示绿色，y₁＝1％～5％，y₂＝20％～50％；

S40：当

或

时，认为监测点失稳或即将失稳，相应的LED点显示红色，发出预警，y₁＝1％～5％，y₂＝20％～50％。

本发明的有益效果为：

(1)本发明装置由数据采集模块、电源、数据处理模块和可视化预警模块，装置简单，安装便捷快速，便于携带，实现了非接触式测量。

(2)通过数据采集模块向待监测岩土体发射激光，采集岩土体的监测信息，不需要预先安装监测点，因此可以避免传统监测方法需预先安装监测点的弊端，特别适用于监测点难于安装、危险的岩土体，也可用于复杂的、野外恶劣的地质环境，具有便捷、快速和安全可靠的特点。

(3)本发明通过数据采集模块向所要监测的岩土体发射激光，采集岩土体的振动速度-时间信息，并传输至数据处理模块，数据处理模块通过傅里叶变换将振动速度-时间信息转换为振幅-频率信息，并将振幅-频率传送至可视化预警模块实现可视化显示和可视化预警。

(4)监测方法简明易懂，容易操作、并且安全高效。

(5)非接触式岩土体稳定性监测装置及方法可广泛应用于边坡、基坑工程、隧道掌子面、煤矿巷道等岩土体的稳定性预测，应用前景十分广阔，经济效益显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中岩土体稳定性监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中岩土体稳定性监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

由于任何岩土体都有自身的固有频率，当岩土体稳定性降低时，其微振动速度会加大，也就是固有频率会降低，本发明通过岩土体的固有频率变化可以判断岩土体的稳定性。下面将对本发明的一个具体实施例进行详细描述：

如图1所示的岩土体稳定性监测装置，包括：

数据采集模块10，用于采集岩土体的振动速度-时间信息；数据采集模块10是激光技术与雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。这里需要指出的是数据采集模块10的数据采集仪可以是多普勒雷达激光发射器，也可是其他具有上述结构的其他数据采集器，通过雷达激光发射器向所要监测的岩土体发射激光，采集岩土体的振动速度-时间信息；采用数据采集模块10一方面可以实现非接触式检测，另一方面可以提高测量精度，多普勒雷达激光发射器有效测量距离为0-1000m，测量精度为0-600mm/s。数据采集模块的工作频率测量原理为：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，根据频率差的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。

数据处理模块20，与数据采集模块10连接，用于接收数据采集模块 10采集的数据并对数据进行处理；

可视化预警模块30，与数据处理模块20连接，包括显示屏，用于显示数据处理模块20的处理后的数据；

电源40，与数据采集模块10、数据处理模块20、可视化预警模块30 连接，用于为三者实时供电；这里需要指出的是，电源40为便携式电源，可进行充放电，从而提高装置的便携性能。

在上述实施例中，通过数据采集模块10向待监测岩土体发射激光，采集岩土体的监测信息，不需要预先安装监测点，因此可以避免传统监测方法需预先安装监测点的弊端，特别适用于监测点难于安装、危险的岩土体，也可用于复杂的、野外恶劣的地质环境，具有便捷、快速和安全可靠的特点。

由于受环境影响，数据采集模块获取的原始振动-速度时间中包含了周围环境扰动所产生的干扰信号，为此，数据处理模块20通过小波去噪处理得到本征的振动-速度时间曲线。小波分析是近年来发展起来的一种新的信号处理工具，这种方法源于傅立叶分析，小波(wavelet)，即小区域的波，仅仅在非常有限的一段区间有非零值，而不是像正弦波和余弦波那样无始无终。小波可以沿时间轴前后平移，也可按比例伸展和压缩以获取低频和高频小波，构造好的小波函数可以用于滤波或压缩信号，从而可以提取出已含噪声信号中的有用信号。小波去噪原理：将信号通过小波变换(采用 Mallat算法)后，信号产生的小波系数含有信号的重要信息，将信号经小波分解后小波系数较大，噪声的小波系数较小，并且噪声的小波系数要小于信号的小波系数，通过选取一个合适的阀值，大于阀值的小波系数被认为是有信号产生的，应予以保留，小于阀值的则认为是噪声产生的，置为零从而达到去噪的目的。

数据采集包括以下步骤：

①在待测岩土体等间距布置监测点A_i(x,y)，i为监测点编号，x,y为测点的平面坐标，x_i+1-x_i、y_i+1-y_i为待测岩土体的

②采用多普勒激光雷达发射器遍历采集所布置监测点的离散振动-时间采样值S_i(t_t)。

所述数据处理包括以下步骤：

①通过小波去噪滤除S_i(t_t)中的离散值；

②用离散的振动-时间采集值S_i(t_t)求取连续的振动-时间信息S_i(t)，具体为：

其中，i为监测点编号，S_i(t_t)为采样值，N为采样数，Δt为采样点的时间间隔，k＝0,1,2,...,(N-1)/2；

③对连续的振动-时间信息S_i(t)进行二次差分，得到采样点的振动-时间信息α_i(t)：

④采用傅里叶变化，将时域信息α_i(t)转换为频域信息α_i(w)：

⑤从频域信息α_i(w)中提取监测点A_i(x,y)的固有频率f_i。

在本发明实施例中，可视化预警模块30还包模数转换器和数字化显示屏，模数转换器将固有频率信号f_i转变为数字信号。

具体的，数字化显示屏中每个监测点对应一个LED灯，LED灯与模数转换器连接。LED灯包括绿灯和红灯两种颜色，当达到报警条件时，LED 灯被数模转换器驱动变为红色，从而更加醒目的提示监测人员进行勘查；当没有达到报警条件时，LED灯显示为绿色，表示为安全状态。

在本发明实施例中，显示屏上还具有固有频率预警阈值输入模块。由于不同的岩土体材料性质不同，因此可以根据需要对带检测的岩土体的预警值进行设置，从而提高了装置的适用性。

本发明实施例还提供一种岩土体稳定性监测方法，应用上述沿土体稳定性监测装置，如图2所示，包括以下步骤：

S10：岩土体发生失稳前，通过数据采集模块和数据处理模块，获得所有监测点i的固有频率，构建初始固有频率库f_i(0)；

S20：间隔t时间，通过数据采集模块和数据处理模块，获得所有监测点i的固有频率，获得t时刻固有频率库f_i(t)；

S30：当

以及

时，认为监测点稳定，相应的 LED点显示绿色，y₁＝1％～5％，y₂＝20％～50％；

S40：当

或

时，认为监测点失稳或即将失稳，相应的LED点显示红色，发出预警，y₁＝1％～5％，y₂＝20％～50％。

通过上述方法的监测，通过数据采集模块10向所要监测的岩土体发射激光，采集岩土体的振动速度-时间信息，并传输至数据处理模块20，数据处理模块20通过傅里叶变换将振动速度-时间信息转换为振幅-频率信息，并将振幅-频率传送至可视化预警模块30实现可视化显示和可视化预警。监测方法简明易懂，容易操作、并且安全高效。非接触式岩土体稳定性监测的方法可广泛应用于边坡、基坑工程、隧道掌子面、煤矿巷道等岩土体的稳定性预测，应用前景十分广阔，经济效益显著。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种岩土体稳定性监测装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于采集岩土体的振动速度-时间信息；

数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于接收所述数据采集模块采集的数据并对数据进行处理；

可视化预警模块，与所述数据处理模块连接，包括显示屏，用于显示所述数据处理模块的处理后的数据；

电源，与所述数据采集模块、数据处理模块、可视化预警模块连接，用于为三者实时供电。

2.根据权利要求1所述的岩土体稳定性监测装置，其特征在于，所述数据采集模块中的数据采集仪为多普勒激光雷达发射器，所述多普勒激光雷达发射器与待测点间隔一定距离设置。

3.根据权利要求1所述的岩土体稳定性监测装置，其特征在于，所述数据采集包括以下步骤：

①在待测岩土体等间距布置监测点A_i(x,y)，i为监测点编号，x,y为测点的平面坐标，x_i+1-x_i、y_i+1-y_i为待测岩土体的

②采用多普勒激光雷达发射器遍历采集所布置监测点的离散振动-时间采样值S_i(t_t)。

4.根据权利要求3所述的岩土体稳定性监测装置，其特征在于，所述数据处理包括以下步骤：

①通过小波去噪滤除S_i(t_t)中的离散值；

②用离散的振动-时间采集值S_i(t_t)求取连续的振动-时间信息S_i(t)，具体为：

其中，i为监测点编号，S_i(t_t)为采样值，N为采样数，Δt为采样点的时间间隔，k＝0,1,2,...,(N-1)/2；

③对连续的振动-时间信息S_i(t)进行二次差分，得到采样点的振动-时间信息α_i(t)：

④采用傅里叶变化，将时域信息α_i(t)转换为频域信息α_i(w)：

⑤从频域信息α_i(w)中提取监测点A_i(x,y)的固有频率f_i。

5.根据权利要求1所述的岩土体稳定性监测装置，其特征在于，所述可视化预警模块还包模数转换器和数字化显示屏，所述模数转换器将固有频率信号f_i转变为数字信号。

6.根据权利要求5所述的岩土体稳定性监测装置，其特征在于，所述数字化显示屏中每个监测点对应一个LED灯，所述LED灯与所述模数转换器连接。

7.一种岩土体稳定性监测方法，应用如权利要求1～6任一项所述的沿土体稳定性监测装置，其特征在于，包括以下步骤：

S10：岩土体发生失稳前，通过数据采集模块和数据处理模块，获得所有监测点i的固有频率，构建初始固有频率库f_i(0)；

S20：间隔t时间，通过数据采集模块和数据处理模块，获得所有监测点i的固有频率，获得t时刻固有频率库f_i(t)；

S30：当

以及

时，认为监测点稳定，相应的LED点显示绿色，y₁＝1％～5％，y₂＝20％～50％；

S40：当

或

时，认为监测点失稳或即将失稳，相应的LED点显示红色，发出预警，y₁＝1％～5％，y₂＝20％～50％。

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