一种滑体深部集成式传感器布设装置及监测方法

文档序号:5605 发布日期:2021-09-17 浏览:55次 英文

一种滑体深部集成式传感器布设装置及监测方法

技术领域

本发明涉及地质灾害监测与防治

技术领域

,尤其涉及一种滑体深部集成式传感器布设装置及监测方法。

背景技术

滑坡地质灾害是自然灾害中较为危险的一类,其发生频率高、破坏范围广、危害性强,每年都会造成大量人员伤亡和巨大经济损失。开展滑坡监测设备研制,进而实现滑坡的预测预警,能够将滑坡造成的损失降到最低,是应对滑坡地质灾害的重要措施。

滑坡监测长期以来多集中于滑体地表地质参数信息捕捉,包括地表变形、地表径流、渗流、地裂缝等。对于滑坡深部地质参数信息的获取除了深部变形及渗流,由于缺乏监测仪器,监测内容有限,监测数据之间低耦合。滑坡的变形破坏是一个时空动态演化过程,其演化阶段和演化模式存在高度关联,并伴随着多场耦合的特征。“一孔多测”技术自被提出以来,近些年逐渐被工程地质学家重视。通过在原位条件下,将集成式传感器布设于滑体钻孔内,实现了原位条件下孔隙水压力、含水率等参数的准确测量,有效地解决了现有的多仪器独立分布式集成监测方法存在的效率低、费用高、关联度差等问题。因此,基于“一孔多测”的思路,发展一套可以实现原位环境下的地下多参数监测传感器布设装置,并进而实现地下多信息参数的监测具有重要意义。

发明内容

有鉴于此,为解决上述问题,本发明的实施例提供了一种滑体深部集成式传感器布设装置及监测方法。

本发明的实施例提供一种滑体深部集成式传感器布设装置,包括:

监测体,包括套管和传感器集成探头,所述套管沿上下向延伸,用于下放至钻孔中,所述套管侧壁贯穿设有安装孔;所述传感器集成探头包括顶进体和柔性体,所述顶进体安装于所述安装孔内,所述顶进体面向所述套管内部的一侧设有顶进槽,所述柔性体与所述套管内侧壁贴合,一端与所述顶进体连接,另一端位于所述套管内,所述柔性体上安装有传感器;

监测体布设系统,包括布设探头,所述布设探头包括驱动机构和推进部,所述推进部和所述驱动机构连接,用于下放至钻孔内与所述顶进槽相对的位置,所述驱动机构驱动所述推进部朝向所述顶进槽的方向移动,以使所述顶进体和所述柔性体穿过所述安装孔顶入钻孔内。

进一步地,所述布设探头还包括呈中空设置的伸顶盒,所述伸顶盒一侧贯穿设有穿孔;

所述驱动机构包括驱动组件,所述驱动组件包括在上下向间隔设置的多个驱动电机和弯曲链,多个所述驱动电机位于所述穿孔上侧或下侧,安装于所述伸顶盒上,所述驱动电机的驱动轴上固定有传动齿轮,所述传动齿轮位于所述伸顶盒内,所述弯曲链一端位于所述穿孔内,与所述推进部固定连接,另一端依次与多个所述传动齿轮啮合,所述弯曲链背对所述传动齿轮的一侧与所述伸顶盒内侧壁相抵,所述驱动电机驱动所述传动齿轮旋转,带动所述弯曲链传动,使所述弯曲链位于所述穿孔内的一端向外移动,从而推动所述推进部朝向所述顶进槽的方向移动。

进一步地,所述伸顶盒和驱动组件形成布设组件,所述布设组件设有两个,且在上下向对称设置,两个所述布设组件的所述伸顶盒固定连接,两个所述弯曲链位于所述穿孔的一端与同一所述推进部固定连接,两个所述穿孔位于所述布设组件的中部。

进一步地,所述布设探头还包括呈中空设置的外壳,所述布设组件设有多个,在所述外壳周向上固定于所述外壳内,所述外壳与所述穿孔相对的位置设有让位孔。

进一步地,每相邻两个所述传动齿轮之间设有限位片,所述限位片紧邻所述弯曲链内侧设置,所述限位片固定于所述伸顶盒内侧壁;和/或,

所述弯曲链背对所述传动齿轮的一侧连接有限弯片,以使弯曲链只能朝向传动齿轮的一侧弯曲。

进一步地,还包括监测系统,所述套管外侧壁贯穿设有沿上下向延伸的排线槽,所述排线槽下端延伸至所述安装孔,所述排线槽内埋设有主排线,所述套管顶端预留有排线接口用于与主排线、所述监测系统连接。

进一步地,所述安装孔内安装有轴管,所述轴管上固定有绕线毂,一端与所述安装孔侧壁固定连接,另一端与所述安装孔侧壁间隔设置,所述绕线毂上缠绕有预留排线,所述轴管上贯穿设有穿线孔,所述主排线下端从所述穿线孔穿入位于所述轴管内,从所述轴管另一端穿出,与所述预留排线一端连接,所述预留排线另一端与所述传感器电连接。

进一步地,所述监测体布设系统还包括牵引机构,所述布设探头具有沿上下向的活动行程,所述牵引机构与所述布设探头连接,用以牵引所述布设探头沿上下向活动。

进一步地,所述布设探头上固定有霍尔传感器,所述套管内侧壁设有与所述霍尔传感器配合的定位磁铁,所述布设探头的所述推进部与所述顶进槽相对时,所述霍尔传感器与所述定位磁铁相对,检测到的磁场强度最大。

本发明的实施例还提供一种监测方法,基于如上所述的滑体深部集成式传感器布设装置,包括以下步骤:

S1、在滑体表面勘测后确定监测位置,于预定位置施工钻孔,并完成套管的下放工作,利用牵引机构将布设探头下放到套管内;

S2、利用牵引机构向上提拉布设探头,当布设探头内的霍尔传感器测得磁场强度数值最大时,霍尔传感器与定位磁体位于同一高度,布设探头的穿孔与安装孔相对,卷扬机暂停工作;

S3、利用驱动机构驱动推进体朝顶进槽的方向移动,以使顶进体和柔性体穿过安装孔顶入钻孔内;

S4、循环操作步骤S2-S3;

S5、完成上述所有传感器集成探头布设后,将主排线通过套管上的排线接口与监测系统连接。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是:相比已有的相关技术,操作简单,自动化程度高。静力顶入的方式减小了监测环境的扰动,同时,本方法通过单向弯曲链式的布设方法增加了孔外布设的范围,可以更好的贴近原始的地下环境,测得更准确的滑坡地下多场信息。通过将通电、通信线缆集成到套管侧壁外部的,并与多集成传感器连接后连接地面监测系统,可靠性高,不易被破坏。

附图说明

图1是本发明提供的滑体深部集成式传感器布设装置一实施例的结构示意图;

图2是图1中套管的结构示意图;

图3是图2中套管的剖面示意图;

图4是图3中A处放大示意图;

图5是图1中布设探头的剖面示意图;

图6是图5中布设组件的结构示意图;

图7是图6中布设组件的剖面示意图;

图8是图7中弯曲链的局部结构示意图;

图9是本发明提供的监测方法一实施例的流程示意图。

图中:监测体100、监测体布设系统200、监测系统300、钻孔400、套管1、安装孔11、排线槽12、主排线13、排线接口14、封盖15、导槽16、定位磁铁17、传感器集成探头2、顶进体21、柔性体22、顶进槽23、传感器24、凸块25、布设探头3、驱动机构31、驱动电机31a、弯曲链31b、传动齿轮31c、推进部32、伸顶盒33、穿孔33a、固定孔33b、限位片34、限弯片35、外壳36、让位孔36a、固定柱36b、上隔板36c、下隔板36d、上滑轮装置36e、下滑轮装置36f、霍尔传感器37、集成电路板38、牵引机构4、控制模块41、卷扬机42、布设电源43、集成线缆44、缆绳45、供电组件5、控制/通讯模块6、轴管7、绕线毂8、预留排线9。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参见图1至图8,本发明的实施例提供一种滑体深部集成式传感器24布设装置,包括监测体100、监测体布设系统200和监测系统300。

监测体100包括套管1和传感器集成探头2,套管1沿上下向延伸,用于配合工程辅助设备下放至钻孔400内,保护钻孔400内监测环境。当钻孔400深度大于单个套管1的长度时,可通过多个套管1组合连接完成套管1下放工作。所述套管1侧壁贯穿设有安装孔11,安装孔11在上下向设有多个,套管1在周向上设有多列安装孔11。所述套管1外侧壁贯穿设有沿上下向延伸的排线槽12,所述排线槽12下端延伸至所述安装孔11,所述排线槽12内埋设有主排线13,所述套管1顶端预留有排线接口14用于与主排线13、所述监测系统300连接。

所述套管1上端可拆卸盖合有封盖15,所述封盖15可以为金属材质或者水泥盖板,可防止异物掉入套管1内部,避免破坏套管1内部监测环境。

所述传感器集成探头2设有多个,与所述安装孔11一一对应设置。所述传感器集成探头2包括顶进体21和柔性体22,所述顶进体21安装于所述安装孔11内,所述顶进体21面向所述套管1内部的一侧设有顶进槽23,所述柔性体22与所述套管1内侧壁贴合,一端与所述顶进体21连接,另一端位于所述套管1内,所述柔性体22上安装有传感器24。所述传感器集成探头2沿套管1自下而上0.5m等间距间隔分布,沿管周分布的数量一般为四个。

监测体布设系统200包括布设探头3和牵引机构4,所述布设探头3具有沿上下向的活动行程,所述牵引机构4与所述布设探头3连接,用以牵引所述布设探头3沿上下向活动。

牵引机构4包括控制模块41、卷扬机42、布设电源43、集成线缆44和缆绳45,控制模块41与卷扬机42电连接,与布设探头3通过集成线缆44连接,主要用于控制上述装置工作,集成线缆44主要为电缆,可实现布设探头3布设动作的操控。卷扬机42与布设探头3通过缆绳45连接,用于下放布设探头3至套管1底部,并控制布设探头3在套管1自底部至顶部的上下运动。布设电源43与控制模块41、卷扬机42、布设探头3电连接,为监测体布设系统200牵引机构4和布设探头3提供电力供应。

所述布设探头3包括驱动机构31和推进部32,所述推进部32和所述驱动机构31连接,用于下放至钻孔400内与所述顶进槽23相对的位置,所述驱动机构31驱动所述推进部32朝向所述顶进槽23的方向移动,以使所述顶进体21和所述柔性体22穿过所述安装孔11顶入钻孔400内。具体的,顶进体21呈圆锥状,顶进槽23呈四棱锥状,推进部32与顶进槽23相适配,呈四棱锥状,推进部32在推动过程中,可避免推进部32的转动。

推进部32将顶进体21顶入钻孔400内的过程中,柔性体22始终与套管1内侧壁贴合,在其他实施例中,柔性体22可以沿任意方向延伸,在套管1内侧壁固定有导向槽,柔性体22位于导向槽内,可避免柔性体22掉落与推进部32相撞。本实施例中,柔性体22在重力作用下沿上下向延伸,上端与顶进体21连接,且位于顶进槽23下方,推进部32在推进过程中,不会与柔性体22干涉,安装简便。

为了保证传感器集成探头2安装的牢固性,所述顶进体21背对所述柔性体22的一端固定有凸块25,所述凸块25端部与所述安装孔11侧壁相干涉,以将所述凸块25限位于所述套管1外侧,柔性体22与套管1内侧壁粘接,可保证传感器集成探头2稳固的安装于套管1上。推进部32推动顶进体21,可使柔性体22从套管1内侧壁上脱落。本实施例中,柔性体22为波纹管,波纹管上端与顶进体21铰接柔性连接,波纹管上设有多个传感器24布设窗口,多种传感器24安装于波纹管内,并做电路防水处理,用于监测孔外滑体环境,波纹管可对传感器24起到保护作用。进一步地,波纹管在剖面上呈月牙状,推进部32和波纹管之间不会相互挤压。

监测系统300包括太阳能供电组件5、控制/通讯模块6,所述太阳能供电组件5与驱动电机31a、传感器24、集成电路板38、控制/通讯模块6电连接,为整个监测系统300提供电源。所述控制/通讯模块6通过排线与传感器24、集成电路板38电连接,用于监测数据的处理并可实现与外界的通讯连接,包括将监测信息上传互联网等。

顶进体21被顶进过程中,柔性体22上的传感器24跟随移动,传感器24与监测系统300之间通过主排线13连接,为了使主排线13始终与传感器24连接,主排线13可弯曲布设在排线槽12中,随着传感器24的移动,可将排线槽12中的主排线13拉直,保证传感器24与集成电路板38之间的电连接。本实施例中,所述安装孔11内安装有轴管7,所述轴管7上固定有绕线毂8,轴管7一端与所述安装孔11侧壁固定连接,另一端与所述安装孔11侧壁间隔设置,所述绕线毂8上缠绕有预留排线9,所述轴管7上贯穿设有穿线孔,所述主排线13下端从所述穿线孔穿入位于所述轴管7内,从所述轴管7另一端穿出,与所述预留排线9一端连接,所述预留排线9另一端与所述传感器24电连接,如此设置,传感器24移动使得预留排线9被拉伸,带动绕线毂8转动,使主排线13扭转,绕线毂8转动释放出预留排线9,保证传感器24与集成电路板38之间的电连接。绕线毂8和顶进体21可以安装于不同的安装孔中。

所述布设探头3还包括呈中空设置的伸顶盒33,所述伸顶盒33一侧贯穿设有穿孔33a。所述驱动机构31包括驱动组件,所述驱动组件包括在上下向间隔设置的多个驱动电机31a和弯曲链31b,多个所述驱动电机31a位于所述穿孔33a上侧或下侧,安装于所述伸顶盒33上,所述驱动电机31a的驱动轴上固定有传动齿轮31c,所述传动齿轮31c位于所述伸顶盒33内,所述弯曲链31b一端位于所述穿孔33a内,与所述推进部32固定连接,另一端依次与多个所述传动齿轮31c啮合,所述弯曲链31b背对所述传动齿轮31c的一侧与所述伸顶盒33内侧壁相抵,避免弯曲链31b倾斜,保证弯曲链31b和传动齿轮31c之间的啮合。

驱动电机31a为步进电机,所述驱动电机31a驱动所述传动齿轮31c旋转,带动所述弯曲链31b传动,使所述弯曲链31b位于所述穿孔33a内的一端向外移动,从而推动所述推进部32朝向所述顶进槽23的方向移动。驱动电机31a可以固定在伸顶盒33内,本实施例中,所述伸顶盒33侧壁上贯穿设有固定孔33b,驱动电机31a固定于固定孔33b中,驱动电机31a的驱动轴与穿孔33a延伸方向相垂直。

每相邻两个所述传动齿轮31c之间设有限位片34,所述限位片34紧邻所述弯曲链31b内侧设置,所述限位片34固定于所述伸顶盒33内侧壁,可防止传动齿轮31c回转收回弯曲链31b时,弯曲链31b尾部卡入传动齿轮31c之间的缝隙内。所述弯曲链31b背对所述传动齿轮31c的一侧连接有限弯片35,使得弯曲链31b只能朝向传动齿轮31c的一侧弯曲,保证弯曲链31b和传动齿轮31c之间的传动连接。

所述伸顶盒33和驱动组件形成布设组件,所述布设组件设有两个,且在上下向对称设置,两个所述布设组件的所述伸顶盒33固定连接,两个所述弯曲链31b位于所述穿孔33a的一端与同一所述推进部32固定连接,两个所述穿孔33a位于所述布设组件的中部,保证推进部32可与安装孔11相对,两个弯曲链31b之间通过推进部32连接,可以保证两个链条端部的平稳推进,两组传动齿轮31c反向旋转可实现弯曲链31b的顶出与回收动作,同时两个弯曲链31b对推进部32施加推力,有助于将推进部32顶进钻孔400侧壁。通过增加伸顶盒33高度进而增加传动齿轮31c、步进电机的数量与弯曲链31b的长度,达到增加顶伸量程,从而实现钻孔400外更远范围的多传感器24布设。

所述布设探头3还包括呈中空设置的外壳36,所述外壳36上下端分别安装有上滑轮装置36e和下滑轮装置36f,所述套管1内侧设有沿上下向延伸的导槽16,所述导槽16上端贯穿所述套管1设置,所述上滑轮装置36e和所述下滑轮装置36f位于所述导槽16内。本实施例中,所述导槽16设有多个,在套管1周向上均匀间隔设置,为布设探头3的上下向移动提供导向作用。

所述布设组件设有多个,在所述外壳36周向上间隔固定于所述外壳36内,所述外壳36与所述穿孔33a相对的位置设有让位孔36a。所述外壳36中部固定有固定柱36b,所述布设组件背对所述穿孔33a的一侧与固定柱36b连接,多个所述布设组件在所述固定柱36b周向上均匀间隔设置,本实施例中,所述布设组件数量为四个,四个所述布设组件和所述固定柱36b在剖面上呈十字形设置,可同时在多个方向上对钻孔400布设传感器24。本实施例中,外壳36内在上下向间隔固定有上隔板36c和下隔板36d,固定柱36b和布设组件上下两端分别与上隔板36c和下隔板36d固定连接。

所述布设探头3上固定有霍尔传感器37和集成电路板38,具体的,霍尔传感器37和集成电路板38固定于上隔板36c上,集成电路板38与霍尔传感器37和驱动电机31a电连接,用于控制驱动电机31a的运转,并做好防水保护。

所述套管1内侧壁设有与所述霍尔传感器37配合的定位磁铁17,每一定位磁铁17与位于同一高度的多个安装孔11对应设置,所述布设探头3的推进部32、穿孔33a与所述安装孔11相对时,霍尔传感器37与定位磁铁17相对,所述霍尔传感器37检测到的磁场强度最大,用于布设探头3的定位。所述霍尔传感器37用于与定位磁体配合,确定布设探头3地下位置。

请参见图9,基于上述滑体深部集成式传感器布设装置,本发明实施例还提出一种监测方法,包括以下步骤:

S1、在滑体表面勘测后确定监测位置,于预定位置施工钻孔400,并完成套管1的下放工作。利用牵引机构4将布设探头3下放到套管1内,具体地,架设好牵引机构4后,连接布设电源43,控制模块41控制卷扬机42将布设探头3通过缆绳45下放到套管1内。

S2、利用牵引机构4向上提拉布设探头3,控制模块41控制卷扬机42通过缆绳45向上提拉布设探头3,当布设探头3内的霍尔传感器37测得磁场强度数值最大时,霍尔传感器37与定位磁体位于同一高度,布设探头3的穿孔33a与安装孔11相对,卷扬机42暂停工作。

S3、利用驱动机构31驱动推进体朝顶进槽23的方向移动,以使顶进体21和柔性体22穿过安装孔11顶入钻孔400内。具体地,控制模块41通过集成电路板38控制布设探头3内的步进电机工作,步进电机通电转动,带动传动齿轮31c旋转,进而使弯曲链31b穿出穿孔33a送出伸顶盒33之外。由于限弯片35使得弯曲链31b只能单侧弯曲,两个弯曲链31b顶部通过推进部32固定在顶进槽23配合顶进钻孔400侧壁内,将柔性体22及其带有的多种集成传感器24送入孔外滑体环境用于监测。在顶进过程中,绕线毂8旋转使得预留排线9始终连接多种集成传感器24。

S4、循环操作步骤S2-S3。

S5、完成上述所有传感器集成探头2布设后,用封盖15盖住套管1上端,将主排线13通过套管1上的排线接口14与监测系统300连接。

本发明提出的技术方案,相比已有的相关技术,操作简单,自动化程度高。静力顶入的方式减小了监测环境的扰动,同时,本方法通过单向弯曲链31b式的布设方法增加了孔外布设的范围,可以更好的贴近原始的地下环境,测得更准确的滑坡地下多场信息。通过将通电、通信线缆集成到套管1侧壁外部的,并与多集成传感器24连接后连接地面监测系统300,可靠性高,不易被破坏。

在本文中,所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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