地质变形三维观测系统的制作方法

本实用新型涉及一种地质变形三维观测系统，属于岩土工程的地质变形监测领域。

背景技术：

岩土工程的变形监测包括表面位移观测和内部位移观测。变形监测主要是观测水平位移和垂直位移，掌握变化规律，研究有无裂缝、滑坡、滑动和倾覆的趋势。常用的内部位移观测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、固定测斜仪、垂线坐标仪、引张线仪、多点变位计和应变计等。表面位移观测仪器有水准仪、全站仪、GPS、三维激光扫描技术等。

随着科学技术的迅猛发展，安全监测技术在水利水电、公路、铁路、民航等领域也在不断的完善和改进。现阶段，在涉及控制变形的诸如水利工程中的大坝、洞室、边坡、公路和铁路的路基，以及民航机场地基等方面，一般采用单点式(沉降板、沉降环)和分布式(固定测斜仪、沉降仪)的方式进行沉降监测。

目前，应用MEMS相关变形仪器，如固定测斜仪进行变形监测已成为本领域的发展趋势，但现阶段其仅在岩土工程边坡方面有所应用。参见图1和图2所示，通常地，若干安装有MEMS(微机电系统)惯性传感器92的固定测斜仪91通过刚性连接杆93相连。测量时，互相首尾相连的固定测斜仪91置入待测地质内部，如图2所示，每个固定测斜仪91上的MEMS惯性传感器92作为一个监测点。观测地质内部变形时，以起始或结尾处的MEMS惯性传感器92作为起算点，通过获得起始或结尾处监测点的绝对二维变形值，即可推算出各监测点的绝对变形量，从而进行变形量的累加计算，最终计算出的沉降结果为相对于起始或结尾处监测点的相对二维变形值。

从实际实施中可以看出，上述固定测斜仪系统实现的地质内部变形观测方法存在如下缺陷：第一，受地质界面(断层、破碎带)影响，个别固定测斜仪的监测点获得的变形量和变形趋势与实际地质变形情况有较大差异。如图2，标号102示出了实际地质界面，通过各固定测斜仪91得到的变形趋势线101与地质实际变形存在较大差异。第二，上述固定测斜仪系统仅能实现二维变形观测，测量精度较低，存在系统误差，并且误差值会随变形累加计算过程不断累加，从而致使最终结果出现失真现象。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种地质变形三维观测系统，其解决了已有固定测斜仪系统出现的个别监测点异常导致监测结果失真的问题，确保了监测结果更接近实际地质变形情况。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种地质变形三维观测系统，其特征在于：它包括置于地下的三维正反双向惯性传感检测系统，以及置于地上的GNSS观测站和信息采集系统；三维正反双向惯性传感检测系统、GNSS观测站分别通过电缆与信息采集系统相连；三维正反双向惯性传感检测系统包括首尾相连、沿PVC直管轴线置于PVC直管内的若干MEMS传感器，PVC直管置于钻孔内，钻孔和PVC直管内灌注有水泥浆液且水泥浆液已凝固；MEMS传感器包括分别在X、Y、Z轴上正反双向设置的一对惯性传感器；PVC直管的轴线定义为Z轴，与Z轴垂直的平面内定义有互相垂直的X轴与Y轴；GNSS观测站置于钻孔孔口处且与PVC直管共轴。

所述MEMS传感器包括信号处理控制器，信号处理控制器与所有所述惯性传感器连接。

所述信息采集系统包括信号采集模块、GNSS信号接收模块和收发天线，其中：信号采集模块用于与所述三维正反双向惯性传感检测系统伸出地质表面的电缆连接，GNSS信号接收模块与所述GNSS观测站连接，收发天线与信号采集模块、GNSS信号接收模块连接。

所述GNSS观测站还与GNSS基准站之间通过GNSS天线进行无线通讯，以使所述GNSS观测站从GNSS基准站获取其所在位置处于三维坐标系下的X、Y、Z轴变形量。

地上设有可与所述信息采集系统无线通讯的信息管理系统，信息管理系统包括通讯模块、变形分析模块、数据存储模块。

本实用新型的优点是：

本实用新型从三维视角实现了对地质内部变形趋势的全面监测，测量精度高、误差小，能有效地防止因地质界面因素所带来的个别监测点陡增或陡降异常现象的发生，且监测结果为三维坐标下的绝对变形量，可真实、直观、准确地反映出地质内部的实际变形情况，从而为校核设计、施工指导提供科学的依据和可靠的技术支持。

本实用新型三维观测系统可连续分布式地应用于大坝、边坡、洞室、宽大路基、站场地基等方面的地质内部变形监测场合。

附图说明

图1是现有固定测斜仪系统的安装示意图。

图2是现有固定测斜仪系统的使用情况说明图。

图3是本实用新型地质变形三维观测系统的较佳实施例示意图。

图4是信息管理系统的组成示意图。

图5是GNSS基准站的组成示意图。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型地质变形三维观测系统包括置于地下(即地质内部)的三维正反双向惯性传感检测系统，以及置于地上的GNSS观测站60和信息采集系统30；三维正反双向惯性传感检测系统、GNSS观测站60分别通过电缆与信息采集系统30相连。三维正反双向惯性传感检测系统包括首尾相连、沿PVC直管20轴线置于PVC直管20内的若干MEMS传感器10，即首尾连接的各MEMS传感器10(视为监测点)形成的直线与PVC直管20轴线同轴，PVC直管20置于在待观测的地质结构上钻出的钻孔50内，钻孔50和PVC直管20内灌注有水泥浆液且水泥浆液已凝固，其中：MEMS传感器包括10分别在X、Y、Z轴上正反双向设置的一对惯性传感器，也就是说，在X轴上，朝向X轴正方向和负方向设置有一对检测方向相反的惯性传感器12、13，在Y轴上，朝向Y轴正方向和负方向设置有一对检测方向相反的惯性传感器14、15，同样在Z轴上，朝向Z轴正方向和负方向也设置有一对检测方向相反的惯性传感器16、17。在每对惯性传感器中，一个朝向轴线(X、Y或Z轴)正方向进行测量而另一个朝向同一轴线(X、Y或Z轴)负方向进行测量。GNSS观测站60置于钻孔50孔口处且与PVC直管20共轴。通常地，PVC直管20与钻孔50同轴设置，因而GNSS观测站60与钻孔50同样同轴设置。

在本实用新型中，PVC直管20的轴线(中心轴)定义为Z轴，与Z轴垂直的平面内定义有互相垂直的X轴与Y轴，X、Y和Z轴共同形成了一个三维坐标系。

在本实用新型中，PVC直管20的轴线可垂直于地质表面40，也可倾斜于地质表面40，甚至可平行于地质表面40。

PVC直管20的主要作用在于：第一，易于各MEMS传感器10顺序下放到PVC直管20内且同时保持着所有MEMS传感器10互相整体呈现出直线状态；第二，对MEMS传感器10起到了一个很好的保护作用。

在实际制作中，PVC直管20可由若干PVC短管拼接而成，采用其它材质制作也是可以的，不受局限。

在本实用新型中，在各惯性传感器之间不受干扰的前提下，在X、Y、Z轴上正反双向设置的三对惯性传感器在MEMS传感器10上的安装位置可灵活设计，不受局限。图3示出了在MEMS传感器10顶部安装分别朝向X、Y、Z轴正方向进行测量的惯性传感器以及在MEMS传感器10底部安装分别朝向X、Y、Z轴负方向进行测量的惯性传感器的情形。

在实际设计中，MEMS传感器10包括信号处理控制器11，各惯性传感器12～17的信号端口分别与信号处理控制器11的相应信号端口连接。

在实际设计中，信息采集系统30可包括信号采集模块33、GNSS信号接收模块34和收发天线31，其中：信号采集模块33用于与三维正反双向惯性传感检测系统伸出地质表面40的电缆连接，GNSS信号接收模块34与GNSS观测站60连接，收发天线31与信号采集模块33、GNSS信号接收模块34连接。另外信息采集系统30还设有用于提供电力的电源模块32。

具体来说，在三维正反双向惯性传感检测系统中，各MEMS传感器10之间通过信号处理控制器11引出的线缆进行连接，最接近地质表面40的那个MEMS传感器10的信号处理控制器11伸出到地质表面40外的线缆与信息采集系统30的信号采集模块33的相应信号端口连接。

如图3和图5，GNSS观测站60还与GNSS基准站80之间通过GNSS天线进行无线通讯，以使GNSS观测站60(视为观测点)从GNSS基准站80获取其所在位置处于三维坐标系下的X、Y、Z轴变形量，其中，GNSS基准站80安装在可提供稳定、可靠的基准坐标的地理位置上，GNSS观测站60的三维坐标轴定义与MEMS传感器10的三维坐标轴定义一致，即GNSS观测站60所定义的X、Y、Z轴与MEMS传感器10所定义的X、Y、Z轴相同。

在本实用新型中，如图1，GNSS观测站60包括GNSS天线61、GNSS接收机63和电源62。如图5，GNSS基准站80包括GNSS天线81、GNSS接收机83、差分电台82和电源84。

GNSS观测站60和GNSS基准站80属于本领域的已有设备，GNSS观测站60如何从GNSS基准站80获取三维坐标系下的地理位置信息属于本领域的熟知技术，故不在这里详述。

如图4，地上还设有可与信息采集系统30无线通讯的信息管理系统70，信息管理系统70可包括通讯模块71、变形分析模块72、数据存储模块73，其中：通讯模块71、数据存储模块73的信号端口分别与变形分析模块72的相应信号端口连接，通讯模块71用于与信息采集系统30的收发天线31无线通讯。

在实际设计中，信息管理系统70还可包括信息整编模块74、图表显示与查询模块75、打印模块76、GNSS整编模块77。

信息管理系统70的构成可各式各样，不受局限。

本实用新型地质变形三维观测系统的安装埋设方法包括如下步骤：

1)根据实际观测所需的MEMS传感器10数量，将各MEMS传感器10通过信号线首尾连接组装好；

2)在待观测的地质结构上通过钻机钻孔，孔径以刚好可容纳PVC直管20为宜，然后清洗孔壁；

3)将PVC直管20下放到钻孔50内；

4)将首尾连接好的所有MEMS传感器10(一串MEMS传感器)顺序下放到PVC直管20内，PVC直管20的管径以刚好能够容纳MEMS传感器10为宜，确保所有MEMS传感器10形成一条与PVC直管20轴线同轴的直线；

5)通过灌浆设备向钻孔50和PVC直管20内灌注水泥浆液，直至水泥浆液灌满溢出；

6)待水泥浆液凝固(通常需要一周时间)后，在钻孔50孔口处安装GNSS观测站60，确保GNSS观测站60与PVC直管20共轴，换句话说，GNSS观测站60安装在地质表面40的孔口位置(图3仅示意性地示出了GNSS观测站60，故GNSS观测站60未画在地质表面上)；

7)在地面上安装信息采集系统30；

8)通过混凝土模板制作混凝土保护箱，保护箱的尺寸比信息采集系统30的尺寸稍大，以便于信号线和电源线等电缆连接，通过保护箱将最接近地质表面40的MEMS传感器10延伸到地上的电缆连接到信息采集系统30上，以及将GNSS观测站60通过电缆连接到信息采集系统30上。

在实际施工时，再在地面上安装好信息管理系统70以及GNSS基准站80，然后调试各系统，进行各系统之间的联合调试，设定观测初始数据、基准数据等，以备后续观测使用。

使用本实用新型观测系统进行观测时，开启各系统电源，确保通电正常。

通过信息管理系统70设置好三维正反双向惯性传感检测系统的观测频次，然后便可开始工作。

三维正反双向惯性传感检测系统、GNSS观测站60按照设定的观测频次在每一采集时刻进行X、Y、Z三轴变形量的检测，然后各MEMS传感器10、GNSS观测站60将得到的数据传送给信息采集系统30，再由信息采集系统30经由收发天线31传送给信息管理系统70，最终由信息管理系统70计算得出此处地质内部每个采集时刻以及设定时间段内所发生的实际地质变形情况，并同步显示出绝对变形趋势曲线等结果。

在实际分析中，本实用新型观测系统还可配设二次仪表，以进行系统采集数据与人工读取数据之间的比对。

本实用新型地质变形三维观测系统实施的地质内部变形测量方法包括如下步骤：

1)每个MEMS传感器10作为一个监测点，基于正反向趋势函数法，各监测点通过自身在X、Y、Z轴上正反双向设置的三对惯性传感器分别得到自身位置的X、Y、Z轴变形量；

2)以最接近地质表面40的监测点或以距离地质表面40最远的监测点为起点，开始逐个采集各监测点的X、Y、Z轴变形量；

3)GNSS观测站60作为观测点从GNSS基准站80提供的三维地理位置信息获取其所在位置的X、Y、Z轴变形量，GNSS观测站60所获得的X、Y、Z轴变形量代表了其所在地质表面的变形值；

4)针对观测点以及所有监测点，累加计算并拟合出反映三维正反双向惯性传感检测系统所在位置的X、Y、Z轴绝对变形曲线；

5)根据X、Y、Z轴绝对变形曲线，在三维坐标系下累加计算并拟合出反映三维正反双向惯性传感检测系统所在位置的地质内部绝对变形形态，从而真实地反映出此处地质内部发生位移的情况。

换句话说，每一条地质内部绝对变形曲线是将同一采集时刻基于监测点得到的相对变形量与基于观测点得到的地表变形量相耦合求出的，与相对变形量相比，这种绝对变形量更能直接地针对实际地理方位显示出待观测位置的地质内部变形情况。

本实用新型的优点是：

本实用新型从三维视角实现了对地质内部变形趋势的全面监测，测量精度高、误差小，能有效地防止因地质界面因素所带来的个别监测点陡增或陡降异常现象的发生，且监测结果为三维坐标下的绝对变形量，可真实、直观、准确地反映出地质内部的实际变形情况，从而为校核设计、施工指导提供科学的依据和可靠的技术支持。

以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。