CN113847956A - 一种基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，包括以下方法：a.安装监测设备：在边坡内布设白光光源，在白光光源和滑坡体之间的边坡上布设棱镜，在滑坡体上方布设光屏；b.调整光源、棱镜及光屏的相对位置：调节光源、棱镜及光屏的相对位置，直至在光屏上清晰的观察到色散光的色带，保持色散光的中心位于光屏中心；c.当滑坡体滑动时，光屏跟着滑坡体滑动，色散光的色带在光屏上的位置以及色带宽度发生变化，读取色散光的色带中心位移大小和色散光的色带宽度的大小，根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移。本发明成本低廉、安装简便，具有适用性强的特点。

Description

一种基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法
技术领域
本发明属于滑坡灾害监测领域，具体地说涉及一种应用于滑坡滑动位移和滑动速度监测的方法，更加具体的说是一种在边坡上布设的流明白光光源通过三棱镜发生光的色散，色散光投影至滑坡体的光屏上，根据光屏上色散光的色带中心位置变化和色带宽度变化计算滑坡体滑动速度和滑动的位移的新方法。
背景技术
目前国内外滑坡滑动位移和滑动速度监测预警方法已有多种，但基于色散光的色带中心位置变化和色带宽度变化监测滑坡体滑动速度和滑动的位移的方法未见报道。
我国幅员辽阔，地质灾害频发，尤其是滑坡每年给我国带来巨大的人员伤亡和经济损失。目前国内外滑坡滑动位移和滑动速度监测方法已有多种，滑坡滑动位移和滑动速度监测方法主要有GNSS监测方法、雷达干涉监测方法、钻孔测斜仪监测方法、三维激光扫描监测方法和群测群防等方法，本发明基于白光透过三棱镜发生色散，根据光屏上色散光的色带中心位置变化和色带宽度变化监测滑坡体滑动速度和滑动的位移的新方法。
发明内容
滑坡滑动位移和滑动速度是滑坡稳定性判断的关键指标。但是现有的GNSS监测方法、雷达干涉监测方法、刚性测斜仪监测方法、柔性测斜仪监测方法、三维激光扫描监测方法都是成本极高的监测方法，很难大范围推广。群测群防方法依靠人员经验判断，缺乏可靠性。
本发明的目的在于提供基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，在边坡上布设白光光源，在白光光源和滑坡体之间的边坡上布设棱镜，在滑坡体上布设光屏。白光光源发出的光线透过棱镜折射后发生光色散，色散光投射在光屏上。根据光屏上色散光的色带中心位置变化和色带宽度变化监测滑坡体滑动速度和滑动的位移的新方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，包括以下方法：
a.安装监测设备：在边坡上布设光源，在光源和滑坡体之间的边坡上布设棱镜，在滑坡体上布设光屏；
b.调整光源、棱镜及光屏的相对位置：调节光源、棱镜及光屏的相对位置，直至在光屏上清晰的观察到色散光；
c.当滑坡体滑动时，光屏跟着滑坡体滑动，色散光的色带在光屏上的位置以及色带宽度发生变化，读取色散光的色带中心位移大小和色散光的色带宽度的大小，根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述光源为白光光源。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述白光光源为高流明白光光源。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述棱镜为三棱镜。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤b.调整光源、棱镜及光屏的相对位置：调节光源、棱镜及光屏的相对位置，直至在光屏上清晰的观察到色散光，保持色散光的色带中心位于光屏中心。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤a.三棱镜光屏均垂直水平地面布设。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤c，在光屏上设置合适刻度，能较好的、直观的读取色散光的色带中心位移变化及色带宽度的大小，当滑坡体滑动时，光屏跟着滑坡体滑动，色散光的色带在光屏上的位置以及色带宽度发生变化，并在刻度上读取色散光色的带中心位移大小和色散光的色带宽度的大小，根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移。
上述基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤c中根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移的计算公式如下：
设t0时刻色带中心水平向位移为x0，垂直向位移为y0，色带宽度为l0，棱镜中心到光屏垂直距离为p0；ti时刻色带中心水平向位移为xi，垂直向位移为yi，色带宽度为li；根据光沿直线传播和相似三角形原理计算ti(i＝1，2，3…n)时刻滑坡滑动位移和滑坡滑动速度；
沿坡向滑动位移shi为：
Figure BDA0003275887660000031
沿坡向滑动速度vhi为：vhi＝(shi-sh(i-1))/(ti-ti-1)
垂直坡向滑动位移svi为：
Figure BDA0003275887660000041
垂直坡向滑动速度vvi为：vvi＝(svi-sv(i-1))/(ti-ti-1)；
其中vvi为ti时刻色带垂直坡向滑动速度；
x0-t0时刻色带中心水平向位移(mm)；
y0-t0时刻色带中心垂直向位移(mm)；
l0-t0时刻色带色带宽度(mm)；
p0-t0时刻棱镜中心到光屏垂直距离(mm)；
xi-ti时刻色带中心水平向位移(mm)；
yi-ti时刻色带中心垂直向位移(mm)；
li-ti时刻色带色带宽度(mm)；
shi-ti时刻沿坡向滑动位移(mm)；
sh(i-1)-ti-1时刻沿坡向滑动位移(mm)；
svi-ti时刻垂直坡向滑动位移(mm)；
sv(i-1)-ti-1时刻垂直坡向滑动位移(mm)；
vhi-ti时刻沿坡向滑动速度(mm/d)；
vvi-ti时刻垂直坡向滑动速度(mm/d)。
采用以上技术方案，本发明有以下技术效果：
本发明在边坡上布设白光光源，在白光光源和滑坡体之间的边坡上布设棱镜，在滑坡体上布设光屏。白光光源发出的光线透过棱镜折射后发生光色散，色散光投射在光屏上。根据光屏上色散光的色带中心位置变化和色带宽度变化监测滑坡体滑动速度和滑动的位移的新方法。本发明成本低廉、安装简便，具有适用性强的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
在实验时，本发明中高流明白光光源采用广州炫熠灯光设备有限公司的380w光束灯，平行光束角度0°-3.8°可调；棱镜采用沈阳亿贝特光电有限公司的K9三棱镜，石英材质，尺寸公差优于±0.02mm，光洁度优于Δ6；光屏采用泰州钰杰教学设备有限公司的白光屏。
实施例1
一种基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，包括以下方法：
a.安装监测设备：在边坡上垂直于水平地面布设白光光源，在白光光源和滑坡体之间布设棱镜，在滑坡体上布设光屏；
本发明选择白光光源效果最好，其他混合色光源也可以。
本发明的白光光源和棱镜是固定在边坡上，不要伸到滑坡体，而且白光光源和棱镜是不动的，在滑坡体上布设光屏，光屏底架是插设在滑坡上，从而使得光屏与光屏底架随滑坡移动。
b.调整光源、棱镜及光屏的相对位置：调节光源、棱镜及光屏的相对位置，直至在两光屏上观察到清晰的色散光(如红橙黄绿蓝靛紫)，尽量保持色散光位于光屏中心；
c.在光屏上设置合适刻度，以致能较好的、直观的读取色散光色的带中心位移变化及色带宽度的大小；
d.当滑坡体滑动时，光屏跟着滑坡体滑动，色散光的色带在光屏上的位置以及色带宽度发生变化，并在刻度上读取色散光的色带中心位移大小和色散光的色带宽度的大小，根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移。
上述基于白光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤a中的光源为高流明白光光源，但不局限于高流明白光光源，能发生色散的光源均可。
上述基于白光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤a中三棱镜为色散棱镜，但不局限于三棱镜，能色散透光的物体均可。
上述的一种基于白光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述读取色散光的色带中心位移大小及色带宽度的大小，不局限于人工方法读取色散光的色带中心位移大小及色带宽度的大小，也可采用机器自动读取色散光的色带中心位移大小及色带宽度的大小。
上述基于白光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，所述步骤d中根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移的计算公式如下：
设t0时刻色带水平向位移为x0，垂直向位移为y0，色带宽度为l0，棱镜中心到光屏垂直距离为p0；ti时刻色带水平向位移为xi，垂直向位移为yi，色带宽度为li。根据光沿直线传播和相似三角形原理计算ti(i＝1，2，3…n)时刻滑坡滑动位移和滑坡滑动速度。
沿坡向滑动位移shi为：
Figure BDA0003275887660000061
坡向滑动方向即图1所示的滑动方向；
沿坡向滑动速度vhi为：vhi＝(shi-sh(i-1))/(ti-ti-1)；
垂直坡向滑动位移svi为：
Figure BDA0003275887660000062
垂直坡向滑动方向是与图1所示的方向；
垂直坡向滑动速度vvi为：vvi＝(svi-sv(i-1))/(ti-ti-1)；
其中vvi为ti时刻色带垂直坡向滑动速度；
x0-t0时刻色带中心水平向位移(mm)；
y0-t0时刻色带中心垂直向位移(mm)；
l0-t0时刻色带色带宽度(mm)；
p0-t0时刻棱镜中心到光屏垂直距离(mm)；
xi-ti时刻色带中心水平向位移(mm)；
yi-ti时刻色带中心垂直向位移(mm)；
li-ti时刻色带色带宽度(mm)；
shi-ti时刻沿坡向滑动位移(mm)；
sh(i-1)-ti-1时刻沿坡向滑动位移(mm)；
svi-ti时刻垂直坡向滑动位移(mm)；
sv(i-1)-ti-1时刻垂直坡向滑动位移(mm)；
vhi-ti时刻沿坡向滑动速度(mm/d)；
vvi-ti时刻垂直坡向滑动速度(mm/d)。
实施例2
a.在边坡上垂直布设广州炫熠灯光设备有限公司的380w光束灯，在光束灯和滑坡体之间垂直布设沈阳亿贝特光电有限公司的K9三棱镜，在滑坡体上垂直布设泰州钰杰教学设备有限公司的白光屏；
b.调节光束灯、三棱镜及白光屏的相对位置，直至在白光屏上观察到清晰的色散光(红橙黄绿蓝靛紫)，且色散光尽量位于光屏中心；
c.以色散光中心为原点，在光屏上设置刻度，刻度的精度达到mm级；测量棱镜中心到光屏垂直距离为1m；色带中心在光屏上水平向读数为1.1mm，垂直向读数为0.4mm，色带宽度为50mm；
d.每间隔1天读取一次光屏上色散光光带水平向位移和色带宽度，共读数5次；第1天末读取光屏上色带水平向位移为1.2mm，垂直向位移为0.5mm，色带宽度为50.1mm；第2天末读取光屏上色带水平向位移为1.3mm，垂直向位移为0.5mm，色带宽度为50.2mm；第3天末读取光屏上色带水平向位移为1.5mm，垂直向位移为0.6mm，色带宽度为50.2mm；第4天末读取光屏上色带水平向位移为1.7mm，垂直向位移为0.6mm，色带宽度为50.4mm；第5天末读取光屏上色带水平向位移为1.7mm，垂直向位移为0.7mm，色带宽度为50.5mm；
5天沿坡向滑动位移为：
Figure BDA0003275887660000081
Figure BDA0003275887660000082
通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，0.1mm)，(2d，0.2mm)，(3d，0.4mm)，(4d，0.6mm)，(5d，0.7mm)；
5天沿坡向滑动速度为：vhi＝(shi-sh(i-1))/(ti-ti-1)(i＝1，2，3…n)，通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，0.1mm/d)，(2d，0.1mm/d)，(3d，0.2mm/d)，(4d，0.2mm/d)，(5d，0mm/d)；
5天沿垂直坡向滑动位移为：
Figure BDA0003275887660000083
通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，2mm)，(2d，4mm)，(3d，4mm)，(4d，8mm)，(5d，10mm)；
5天沿垂直坡向滑动速度为：vvi＝(svi-sv(i-1))/(ti-ti-1)(i＝1，2，3…n)，通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，2mm/d)，(2d，2mm/d)，(3d，0mm/d)，(4d，4mm/d)，(5d，2mm/d)。
其中vvi为ti时刻色带垂直坡向滑动速度；shi-ti时刻沿坡向滑动位移(mm)；Sh(i-1)-ti-1时刻沿坡向滑动位移(mm)；svi-ti时刻垂直坡向滑动位移(mm)；sv(i-1)-ti-1时刻垂直坡向滑动位移(mm)；vhi-ti时刻沿坡向滑动速度(mm/d)；vvi-ti时刻垂直坡向滑动速度(mm/d)。
实施例3
a.在边坡上垂直布设广州炫熠灯光设备有限公司的380w光束灯，在光束灯和滑坡体之间垂直布设沈阳亿贝特光电有限公司的K9三棱镜，在滑坡体上垂直布设泰州钰杰教学设备有限公司的白光屏；
b.调节光束灯、三棱镜及白光屏的相对位置，直至在白光屏上观察到清晰的色散光(红橙黄绿蓝靛紫)，且色散光尽量位于光屏中心；
c.以色散光中心为原点，在光屏上设置刻度，刻度的精度达到mm级；测量棱镜中心到光屏垂直距离为2m；色带中心在光屏上水平向读数为3.0mm，垂直向读数为3.0mm，色带宽度为100mm；
d.每间隔1周读取一次光屏上色散光光带水平向位移和色带宽度，共读数4次，第1周末读取光屏上色带水平向位移为3.5mm，垂直向位移为3.1mm，色带宽度为100.1mm；第2周末读取光屏上色带水平向位移为3.6mm，垂直向位移为3.2mm，色带宽度为100.3mm；第3周末读取光屏上色带水平向位移为3.6mm，垂直向位移为3.4mm，色带宽度为100.5mm；第4周末读取光屏上色带水平向位移为3.8mm，垂直向位移为3.5mm，色带宽度为100.6mm；
4周沿坡向滑动位移为：
Figure BDA0003275887660000091
Figure BDA0003275887660000092
通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，0.07mm)，(2d，0.09mm)，(3d，0.4mm)，(4d，0.1mm)；
4周沿坡向滑动速度为：vhi＝(shi-sh(i-1))/(ti-ti-1)(i＝1，2，3…n)，通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，0.07mm/d)，(2d，0.02mm/d)，(3d，0.01mm/d)，(4d，0.03mm/d)；
4周沿垂直坡向滑动位移为：
Figure BDA0003275887660000101
通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，0.29mm)，(2d，0.86mm)，(3d，1.43mm)，(4d，1.71mm)；
4周沿垂直坡向滑动速度为：vvi＝(svi-sv(i-1))/(ti-ti-1)(i＝1，2，3…n)，通过计算得到5天监测得到沿坡向滑动位移分别为(1d，0.29mm/d)，(2d，0.57mm/d)，(3d，0.57mm/d)，(4d，0.29mm/d)。
其中vvi为ti时刻色带垂直坡向滑动速度；shi-ti时刻沿坡向滑动位移(mm)；sh(i-1)-ti-1时刻沿坡向滑动位移(mm)；svi-ti时刻垂直坡向滑动位移(mm)；sv(i-1)-ti-1时刻垂直坡向滑动位移(mm)；vhi-ti时刻沿坡向滑动速度(mm/d)；vvi-ti时刻垂直坡向滑动速度(mm/d)。
本发明的技术方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，包括以下方法：
a.安装监测设备：在边坡上布设光源，在光源和滑坡体之间的边坡上布设棱镜，在滑坡体上布设光屏；
b.调整光源、棱镜及光屏的相对位置：调节光源、棱镜及光屏的相对位置，直至在光屏上清晰的观察到色散光的色带；
c.当滑坡体滑动时，光屏跟着滑坡体滑动，色散光的色带在光屏上的位置以及色带宽度发生变化，读取色散光的色带中心位移大小和色散光的色带宽度的大小，根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移。
2.根据权利要求1所述的基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述光源为白光光源。
3.根据权利要求2所述的基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述白光光源为高流明白光光源。
4.根据权利要求1所述的基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述棱镜为三棱镜。
5.根据权利要求1所述的基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述步骤b.调整光源、棱镜及光屏的相对位置：调节光源、棱镜及光屏的相对位置，直至在光屏上清晰的观察到色散光，保持色散光的色带中心位于光屏中心。
6.根据权利要求1所述的基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述步骤a.三棱镜光屏均垂直水平地面布设。
7.根据权利要求1所述的基于光色散色散光的色带的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述步骤c，在光屏上设置合适刻度，能较好的、直观的读取色散光的色带中心位移变化及色带宽度的大小，当滑坡体滑动时，光屏跟着滑坡体滑动，色散光的色带在光屏上的位置以及色带宽度发生变化，并在刻度上读取色散光色的带中心位移大小和宽度的大小，根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移。
8.根据权利要求1所述的基于光色散的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，其特征在于，所述步骤c中根据色带中心位移大小和色带宽度大小计算滑坡体滑动速度和滑动的位移的计算公式如下：
设t0时刻色带中心水平向位移为x0，垂直向位移为y0，色带宽度为l0，棱镜中心到光屏垂直距离为p0；ti时刻色带中心水平向位移为xi，垂直向位移为yi，色带宽度为li；根据光沿直线传播和相似三角形原理计算ti(i＝1,2,3…n)时刻滑坡滑动位移和滑坡滑动速度；
沿坡向滑动位移
shi为：
Figure FDA0003275887650000021
沿坡向滑动速度vhi为：vhi＝(shi-sh(i-1))/(ti-ti-1)
垂直坡向滑动位移svi为：
Figure FDA0003275887650000022
垂直坡向滑动速度vvi为：vvi＝(svi-sv(i-1))/(ti-ti-1)；
其中vvi为ti时刻色带垂直坡向滑动速度；
x0—t0时刻色带中心水平向位移(mm)；
y0—t0时刻色带中心垂直向位移(mm)；
l0—t0时刻色带色带宽度(mm)；
p0—t0时刻棱镜中心到光屏垂直距离(mm)；
xi—ti时刻色带中心水平向位移(mm)；
yi—ti时刻色带中心垂直向位移(mm)；
li—ti时刻色带色带宽度(mm)；
shi—ti时刻沿坡向滑动位移(mm)；
sh(i-1)—ti-1时刻沿坡向滑动位移(mm)；
svi—ti时刻垂直坡向滑动位移(mm)；
sv(i-1)—ti-1时刻垂直坡向滑动位移(mm)；
vhi—ti时刻沿坡向滑动速度(mm/d)；
vvi—ti时刻垂直坡向滑动速度(mm/d)。
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