CN115266805B - 一种冻土冻融自动监测***及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻土冻融自动监测***及监测方法，该***包括：监测竖管，其布置在监测井内，监测竖管上沿其长度方向设有多个冻融监测层；多个冻融测量设备，且分别安装在多个冻融监测层上；多个内部盛放有液态水的冻融测试标准件，且其分别安装在多个冻融监测层上，冻融测试标准件的一侧面为弹性面，弹性面上贴合有测线，测线的自由端设有与冻融测量设备连接的测线连接口；冻融监测分析终端，其均与多个冻融测量设备通过监测数据线连接。该***可实现在同一检测井内对不同深度的冻土冻融动态进行监测，一次性投入可长年监测，减少了大量的人力物力成本，并且可根据野外工作研究程度而确定其监测深度，且能随时掌握冻土层比较准确的冻融情况。

Description

一种冻土冻融自动监测***及监测方法

技术领域

本发明涉及冻土区冻土冻融监测技术领域，更具体的说是涉及一种冻土冻融自动监测***及监测方法。

背景技术

监测并掌握多年冻土的动态变化是科学评价冻土资源、制定合理有效保护措施、减轻和防治相关地质灾害的重要基础。目前国内传统的冻土监测，一般是利用井孔进行地下地温监测，还没有专门的冻土监测专用设备。这种地温监测井，受温度监测精度的限制及水在0℃时存在液、固相并存的特性，不能监测到地下水的液-固相转换动态变化，也不能正确反映冻土的实时冻态变化信息。

因此，如何提供一种开发建设和管理成本低、占地面积小、自动化程度高、可根据野外工作研究程度而确定其监测深度，且能随时掌握冻土层比较准确的冻融情况的冻土冻融自动监测***及监测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种开发建设和管理成本低、占地面积小、自动化程度高、可根据野外工作研究程度而确定其监测深度，且能随时掌握冻土层比较准确的冻融情况的冻土冻融自动监测***及监测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种冻土冻融自动监测***，包括：

监测竖管，所述监测竖管布置在监测井内，所述监测竖管上沿其长度方向设有多个冻融监测层；

冻融测量设备，所述冻融测量设备为多个，且分别安装在多个所述冻融监测层上；

冻融测试标准件，所述冻融测试标准件为多个，且分别安装在多个所述冻融监测层上，所述冻融测试标准件内盛放有液态水，且所述冻融测试标准件的一侧面为可延伸和收缩的弹性面，所述弹性面的外表面上贴合有测线，所述测线的自由端设有与所述冻融测量设备连接的测线连接口；

冻融监测分析终端，所述冻融监测分析终端设置在所述监测井外部，且均与多个所述冻融测量设备通过监测数据线连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种冻土冻融自动监测***，冻融测量设备可测量不同深度冻土层的温度，而冻融测试标准件内的水由液态水和固态冰之间转化时，弹性面会相应的收缩或膨胀，而弹性面上的测线会随着弹性面的收缩或膨胀而相应的缩短或延展(即水的冻融信息由测线的变化体现出来，而水的冻融信息反映的是冻土层的冻融信息)，进而测线的缩短或延展的动态变化量会由冻融测量设备采集，并最后经过冻融监测分析终端进行分析，获得冻土的冻融信息。因此，该***可实现在同一检测井内对不同深度的冻土冻融动态进行监测，一次性投入可长年监测，减少了大量的人力物力成本，并且该***结构简单、开发建设和管理成本低、占地面积小、自动化程度高、可根据野外工作研究程度而确定其监测深度，并且该***采集的冻土的温度信息和测线的伸展、收缩信息可进行数据(冻融动态数据)比较，能够随时掌握冻土层比较准确的冻融情况。

进一步的，所述监测竖管包括：监测承载柱体和多个半圆形板，所述监测承载柱体的左右侧面上均上下间隔固定有多个所述半圆形板，上下相邻两个所述半圆形板之间的空间构成所述冻融监测层，所述监测承载柱体的前侧面上对应所述冻融监测层的位置均开设有设备安装槽，所述冻融测量设备安装在所述设备安装槽内，所述冻融测试标准件安装在上下相邻两个所述半圆形板之间；所述监测承载柱体的后侧面上开设有走线通道，所述监测数据线置于所述走线通道内。

采用上述技术方案产生的有益效果是，易于冻融测量设备和冻融测试标准件在监测竖管上的安装，且三者集成于一体，易于整体移动和运输；并且走线通道的设置，便于监测数据线的摆放和管理，提高***线路的易梳理性和整洁性。

进一步的，所述冻融测试标准件为半圆柱体结构，且所述半圆形板的半径大于所述冻融测试标准件的半径，且二者半径的差值

为所述弹性面的预留冻胀形变值。

采用上述技术方案产生的有益效果是，使得弹性面不会与监测井的井壁接触，从而避免了井壁对膨胀的弹性面产生干涉阻碍，保证弹性面能够正常膨胀，保证冻土层的冻融信息监测的准确性。

进一步的，所述监测承载柱体顶端面与所述监测井的井口平齐，所述弹性面为弧形面，所述测线横向贴合在所述弧形面的中部，且每个所述测线到所述监测承载柱体顶端面的距离分别为对应的冻土监测点深度值。

采用上述技术方案产生的有益效果是，每层测线距监测承载柱体顶端面的距离即为拟测深度，在设计时拟测深度与要监测的冻土深度一致，这样下放监测竖管时只要保证监测竖管顶端与井口平齐，则每层测线与每层测点深度就一一对应。因此，该***使用时只需保证承载柱体顶端面与井口平齐，即可得知每层的测点已达到预定的监测位置，使用便捷。

进一步的，所述弹性面材质为橡胶材料，所述冻融测试标准件的上、下面和与所述弹性面相对的竖向平面的材质均为不可变形的聚氟乙烯材料。

采用上述技术方案产生的有益效果是，冻融测试标准件上仅仅弹性面具有收缩或膨胀性能，使得冻融测试标准件内部的水的动态变化过程完全由弹性面来体现，保证测线的监测精度。

进一步的，所述测线的材质为不可变形的带状纤维材料。

采用上述技术方案产生的有益效果是，带状的测线与弹性面的接触面大，易于与弹性面的反应同步，提高测线的监测精度。

进一步的，所述监测承载柱体和所述半圆形板均为铝合金材质。

采用上述技术方案产生的有益效果是，强度大、质量轻，使用寿命长。

进一步的，所述监测承载柱体顶端面上固定有提手。

采用上述技术方案产生的有益效果是，便于监测竖管的拿取。

进一步的，所述监测井内放置有底端密封、顶端敞口的无缝钢管，所述监测竖管布置在所述无缝钢管内。

采用上述技术方案产生的有益效果是，无缝钢管可以对井壁进行保护，避免井孔坍塌及防止管内渗水，进而更好的保护该***能够正常使用。

本发明提供的一种冻土冻融自动监测方法，其采用所述的冻土冻融自动检测***进行如下监测步骤：

步骤S1：钻井：人工开挖所述监测井的井口后，利用钻机钻进，钻井完成后，在所述监测井孔内下放所述无缝钢管，以对井壁进行保护避免井孔坍塌及防止管内渗水；

步骤S2：设计、加工所述监测竖管：根据每个冻土区冻土目标层厚度及其监测点深度对应一个所述冻融监测层的原则，加工制造出相应长度及层数的所述监测竖管，然后在每层所述冻融监测层上安装相应的所述冻融测量设备和所述冻融测试标准件，并确保所述测线的测线连接口与所述冻融测量设备连接，且需保证每层的所述测线横向贴合在所述弹性面的中部；

步骤S3：将步骤S2的所述监测竖管安装至所述监测井内：在所述走线通道内通过所述监测数据线将每层所述冻融测量设备与所述冻融监测分析终端相连后，将所述监测竖管下放到所述无缝钢管内，并使监测竖管的顶端面与所述监测井的井口平齐；

步骤S4：所述冻融监测分析终端获取冻土层不同深度冻土的温度与冻融信息，并记录存储信息。

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的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种冻土冻融自动监测***的结构示意图。

图2附图为监测竖管、冻融测量设备、冻融测试标准件的结构示意图。

图3附图为该监测***应用在监测井时的示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本发明实施例公开了一种冻土冻融自动监测***，包括：

监测竖管1，监测竖管1布置在监测井100内，监测竖管1上沿其长度方向设有多个冻融监测层101；

冻融测量设备2(现有设备)，冻融测量设备2为多个，且分别安装在多个冻融监测层101上；

冻融测试标准件3，冻融测试标准件3为多个，且分别安装在多个冻融监测层101上，冻融测试标准件3内盛放有液态水，且冻融测试标准件3的一侧面为可延伸和收缩的弹性面31，弹性面31的外表面上贴合有测线4，测线4的自由端设有与冻融测量设备2连接的测线连接口41；

冻融监测分析终端5，冻融监测分析终端5设置在监测井100外部，且均与多个冻融测量设备2通过监测数据线6连接。

具体的参见图2，监测竖管1包括：呈长体状的监测承载柱体11和多个半圆形板12，监测承载柱体11的左右侧面上均上下间隔固定有多个半圆形板12，上下相邻两个半圆形板12之间的空间构成冻融监测层101，监测承载柱体11的前侧面上对应冻融监测层101的位置均开设有设备安装槽1101，冻融测量设备2安装在设备安装槽1101内，冻融测试标准件3安装在上下相邻两个半圆形板12之间；监测承载柱体11的后侧面上开设有走线通道1102，监测数据线6置于走线通道1102内。

其中，上下相邻的两个冻融测试标准件3可以左右交叉放置，即第I层的冻融测试标准件3放置在该层的冻融监测层101的左侧，第II层的冻融测试标准件3放置在该层的冻融监测层101的右侧，第III层的冻融测试标准件3放置在该层的冻融监测层101的左侧，第IV层的冻融测试标准件3放置在该层的冻融监测层101的右侧(参见图1)，这样可以在减少冻融测试标准件3数量的投入，降低成本的情况下，也能够实现不同深度冻土冻融信息的全方面的监测。

冻融测试标准件3为半圆柱体结构，且半圆形板12的半径大于冻融测试标准件3的半径，且二者半径的差值

为弹性面31的预留冻胀形变值。

监测承载柱体11顶端面与监测井100的井口平齐，弹性面31为弧形面，测线4横向贴合在弧形面的中部，且每个测线4到监测承载柱体11顶端面的距离分别为对应的冻土监测点深度值。

弹性面31材质为橡胶材料，冻融测试标准件3的上、下面和与弹性面31相对的竖向平面的材质均为不可变形的聚氟乙烯材料。

测线4的材质为不可变形(不具有弹性、但具有一定的柔软性)的带状纤维材料。

监测承载柱体11和半圆形板12均为铝合金材质。

监测承载柱体11顶端面上固定有提手7。

监测井100内放置有底端密封、顶端敞口的无缝钢管8，监测竖管1布置在无缝钢管8内。

本发明提供的一种冻土冻融自动监测方法，其采用上述的冻土冻融自动检测***进行如下监测步骤：

步骤S1：钻井：人工开挖监测井100的井口后，利用直径为128mm的钻机钻进，当钻机钻进至钻透永冻层或达到预定的深度后，立即在监测井100孔内下放无缝钢管8，以对井壁进行保护避免井孔坍塌及防止管内渗水；

步骤S2：设计、加工监测竖管1：根据每个冻土区冻土目标层厚度及其监测点深度对应一个冻融监测层101的原则，加工制造出相应长度及层数的监测竖管1，然后在每层冻融监测层101上安装相应的冻融测量设备2和冻融测试标准件3，并确保测线4的测线连接口41与冻融测量设备2连接，且需保证每层的测线4横向贴合在弹性面31的中部；

步骤S3：将步骤S2的监测竖管1安装至监测井100内：在走线通道1102内通过监测数据线6将每层冻融测量设备2与冻融监测分析终端5相连后，将监测竖管1下放到无缝钢管8内，并使监测竖管1的顶端面与监测井100的井口平齐；

步骤S4：然后每层冻融测量设备2将各深度的冻土层温度及测线的伸展、收缩信息传输至冻融监测分析终端5，由冻融监测分析终端5进行数据分析，获取冻土的冻融信息，并记录存储信息。

因此，该冻土冻融自动监测***及监测方法实现了在同一监测井孔内对不同深度的冻土的温度及冻融动态进行监测，且二者数据可进行对比性研究，以便于能够随时掌握冻土层比较准确的冻融情况；且该***一次性投入可长年监测，减少了大量的人力物力成本，不受冻土厚度的限度，对大厚度的冻土层可采用分段安装的方式，其安装监测可达百米以上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种冻土冻融自动监测***，其特征在于，包括：

监测竖管（1），所述监测竖管（1）布置在监测井（100）内，所述监测竖管（1）上沿其长度方向设有多个冻融监测层（101）；

冻融测量设备（2），所述冻融测量设备（2）为多个，且分别安装在多个所述冻融监测层（101）上；

冻融测试标准件（3），所述冻融测试标准件（3）为多个，且分别安装在多个所述冻融监测层（101）上，所述冻融测试标准件（3）内盛放有液态水，且所述冻融测试标准件（3）的一侧面为可延伸和收缩的弹性面（31），所述弹性面（31）的外表面上贴合有测线（4），所述测线（4）的自由端设有与所述冻融测量设备（2）连接的测线连接口（41）；

冻融监测分析终端（5），所述冻融监测分析终端（5）设置在所述监测井（100）外部，且均与多个所述冻融测量设备（2）通过监测数据线（6）连接；

所述监测竖管（1）包括：监测承载柱体（11）和多个半圆形板（12），所述监测承载柱体（11）的左右侧面上均上下间隔固定有多个所述半圆形板（12），上下相邻两个所述半圆形板（12）之间的空间构成所述冻融监测层（101），所述监测承载柱体（11）的前侧面上对应所述冻融监测层（101）的位置均开设有设备安装槽（1101），所述冻融测量设备（2）安装在所述设备安装槽（1101）内，所述冻融测试标准件（3）安装在上下相邻两个所述半圆形板（12）之间；所述监测承载柱体（11）的后侧面上开设有走线通道（1102），所述监测数据线（6）置于所述走线通道（1102）内；

所述冻融测试标准件（3）为半圆柱体结构，且所述半圆形板（12）的半径大于所述冻融测试标准件（3）的半径，且二者半径的差值φ为所述弹性面（31）的预留冻胀形变值；

所述弹性面（31）材质为橡胶材料，所述冻融测试标准件（3）的上、下面和与所述弹性面（31）相对的竖向平面的材质均为不可变形的聚氟乙烯材料；

所述测线（4）的材质为不可变形的带状纤维材料。

2.根据权利要求1所述的一种冻土冻融自动监测***，其特征在于，所述监测承载柱体（11）顶端面与所述监测井（100）的井口平齐，所述弹性面（31）为弧形面，所述测线（4）横向贴合在所述弧形面的中部，且每个所述测线（4）到所述监测承载柱体（11）顶端面的距离分别为对应的冻土监测点深度值。

3.根据权利要求1所述的一种冻土冻融自动监测***，其特征在于，所述监测承载柱体（11）和所述半圆形板（12）均为铝合金材质。

4.根据权利要求1所述的一种冻土冻融自动监测***，其特征在于，所述监测承载柱体（11）顶端面上固定有提手（7）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种冻土冻融自动监测***，其特征在于，所述监测井（100）内放置有底端密封、顶端敞口的无缝钢管（8），所述监测竖管（1）布置在所述无缝钢管（8）内。

6.一种冻土冻融自动监测方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的冻土冻融自动监测***进行如下监测步骤：

步骤S1：钻井：人工开挖所述监测井（100）的井口后，利用钻机钻进，钻井完成后，在所述监测井（100）孔内下放无缝钢管（8），以对井壁进行保护避免井孔坍塌及防止管内渗水；

步骤S2：设计、加工所述监测竖管（1）：根据每个冻土区冻土目标层厚度及其监测点深度对应一个所述冻融监测层（101）的原则，加工制造出相应长度及层数的所述监测竖管（1），然后在每层所述冻融监测层（101）上安装相应的所述冻融测量设备（2）和所述冻融测试标准件（3），并确保所述测线（4）的测线连接口（41）与所述冻融测量设备（2）连接，且需保证每层的所述测线（4）横向贴合在所述弹性面（31）的中部；

步骤S3：将步骤S2的所述监测竖管（1）安装至所述监测井（100）内：在所述走线通道（1102）内通过所述监测数据线（6）将每层所述冻融测量设备（2）与所述冻融监测分析终端（5）相连后，将所述监测竖管（1）下放到所述无缝钢管（8）内，并使监测竖管（1）的顶端面与所述监测井（100）的井口平齐；

步骤S4：所述冻融监测分析终端（5）获取冻土层不同深度冻土的温度与冻融信息，并记录存储信息。

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