岩土体表面应变应力采集设备和网式灾害监测预警系统的制作方法

本实用新型涉及灾害预警技术领域，尤其涉及一种岩土体表面应变应力采集设备和网式灾害监测预警系统。

背景技术：

崩、滑、流、塌陷等地质灾害在灾害发生过程中大部分都表现为斜坡整体或局部变形。

斜坡变形地质灾害中都表现为岩土体失稳由缓变到突变的过程，在灾害发生前灾害体边界一般都很难界定，失稳的岩土体具体位置和规模往往通过传统的调查、勘查手段不足以确定，这就为之后进行有针对性监测和防治带来了难题。

如何准确地确定斜坡上潜在的有失稳可能的岩土体的范围和有效地监控到岩土体的失稳过程成为斜坡类地质灾害监测预警的瓶颈。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本实用新型提供一种网式灾害监测预警系统。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

一种岩土体表面应变应力采集设备，所述岩土体表面应变应力采集设备包括柔性防护网和监测单元；

所述柔性防护网全覆盖在灾害隐患整体边坡上；

所述监测单元布置于柔性防护网内侧坡面上；

所述监测单元包括多个能够采集其所覆盖的岩土体表面应变应力变化的支撑钢绳应力和应变传感单元和多个能够采集其所覆盖的岩土体表面应变应力变化的格栅网应力和应变传感单元。

可选地，所述柔性防护网由支撑钢绳及网片组成。

可选地，多个支撑钢绳应力和应变传感单元均布置于网片内侧坡面上专门钻凿锚孔内；

多个格栅网应力和应变传感单元布置于网片与坡面之间，通过发光聚合物粘结连接；

多个支撑钢绳应力和应变传感单元和多个格栅网应力和应变传感单元分别与所述支撑钢绳和所述网片相连。

可选地，相邻两个支撑钢绳应力和应变传感单元之间距离为4.5米。

可选地，相邻两个格栅网应力和应变传感单元之间距离为5厘米。

可选地，任一格栅网应力和应变传感单元均包括多个应力和应变传感器，1个外壳组成。

可选地，所述外壳上有多个孔，所述孔的数量与所述应力和应变传感器相同；

每个应力和应变传感器嵌入一个孔中。

可选地，所述发光聚合物为具有轮烷分子结构的聚氨酯。

可选地，所述外壳由1毫米厚的铝片构成。

为了达到上述目的，本实用新型采用的另一主要技术方案包括：

一种网式灾害监测预警系统，所述系统包括：岩土体表面应变应力采集设备，分析单元，预警单元；

所述岩土体表面应变应力采集设备如上述技术方案中涉及的岩土体表面应变应力采集设备；

所述岩土体表面应变应力采集设备与所述分析单元有线或者无线连接；

所述分析单元用于分析所述岩土体表面应变应力采集设备采集到的岩土体表面应变应力的变化；

所述分析单元与所述预警单元有线或者无线连接；

所述预警单元用于根据分析单元的分析结果进行预警。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：岩土体表面应变应力采集设备中的柔性防护网在灾害体边界模糊的整体边坡进行全面覆盖，其中布置的监测单元感应目标岩土体表面应变应力的变化，该岩土体表面应变应力采集设备可以定位并监测模糊边界目标边坡的变形，进行灾害的精确监测并进行临灾预警。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种岩土体表面应变应力采集设备的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的一种网式灾害监测预警系统的结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的一种格栅网应力和应变传感单元间结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的一种岩土体表面应变应力采集设备结构示意图；

图5为本申请一实施例提供的一种格栅网应力和应变传感单元结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

参见图1，本实用新型提供的岩土体表面应变应力采集设备，包括柔性防护网和监测单元。

柔性防护网全覆盖在灾害隐患整体边坡上。柔性防护网由支撑钢绳及网片组成。

监测单元布置于柔性防护网内侧坡面上。监测单元通过柔性防护网采集其所覆盖的岩土体表面应变应力的变化。

监测单元包括多个能够采集其所覆盖的岩土体表面应变应力变化的支撑钢绳应力和应变传感单元和多个能够采集其所覆盖的岩土体表面应变应力变化的格栅网应力和应变传感单元。如图4所示，图4中每个网状矩形均为一个网片，网状矩形之间的实线为支撑钢绳，401为格栅网应力和应变传感单元，402为支撑钢绳应力和应变传感单元，403为缝合绳。

多个支撑钢绳应力和应变传感单元均布置于网片内侧坡面上专门钻凿锚孔内。

多个格栅网应力和应变传感单元布置于网片与坡面之间，通过发光聚合物粘结连接。多个支撑钢绳应力和应变传感单元和多个格栅网应力和应变传感单元分别与支撑钢绳和网片相连。

此外，在实际应用中，岩土体表面应变应力采集设备所覆盖的边坡面积可能较大，岩土体表面应变应力变化不大的情况下，很可能肉眼看不到边坡变形，进而可能错过最佳的应急处理时间。通过发光聚合物可以有效避免此种情况。该发光聚合物为具有轮烷分子结构的聚氨酯。

轮烷分子结构由长哑铃形分子组成，其上有称为大环的螺纹环形荧光分子。当该发光聚合物处于松弛状态时，大环化合物就会聚集在一起，与哑铃中间的“猝灭剂”分子相邻。那些淬灭剂使大环化合物不发荧光。

当岩土体表面应变应力发生变化时，应力和应变传感器会随之运动，应力和应变传感器的运动会造成其外包裹的发光聚合物(以及哑铃)被拉伸，大环被拉开并远离淬灭剂，使发光聚合物在紫外光下发荧光。发光聚合物拉伸越多，光越亮，一旦拉伸松弛，就会恢复原样，不会发光，这个过程可以无限重复。通过发光聚合物的光亮即可及时获知岩土体表面变化情况，进行及时响应。

如图5所示，图5中401为一个格栅网应力和应变传感单元，502为网面，503为发光聚合物，501为锚孔。

为了更加准确的采集覆盖的岩土体表面应变应力变化，可选地，相邻两个支撑钢绳应力和应变传感单元之间距离为4.5米。相邻两个格栅网应力和应变传感单元之间距离为5厘米，例如图3所示，图3中，每个白色圆代表一个格栅网应力和应变传感单元，相邻两个圆心之间的距离为5厘米。

另外，任一格栅网应力和应变传感单元均包括多个应力和应变传感器，1个外壳组成。

其中，外壳由1毫米厚的铝片构成。

外壳上有多个孔，孔的数量与应力和应变传感器相同，这样每个应力和应变传感器嵌入一个孔中。

上述岩土体表面应变应力采集设备中的柔性防护网在灾害体边界模糊的整体边坡进行全面覆盖，其中布置的监测单元感应目标岩土体表面应变应力的变化，该岩土体表面应变应力采集设备可以定位并监测模糊边界目标边坡的变形，进行灾害的精确监测并进行临灾预警。

在实际应用中，上述岩土体表面应变应力采集设备可以应用于网式灾害监测预警系统进行灾害监测预警。如图2所示，网式灾害监测预警系统包括：岩土体表面应变应力采集设备，分析单元，预警单元。

1、岩土体表面应变应力采集设备

岩土体表面应变应力采集设备如图1所示的岩土体表面应变应力采集设备。

例如，岩土体表面应变应力采集设备，包括柔性防护网和监测单元。

柔性防护网全覆盖在灾害隐患整体边坡上。柔性防护网由支撑钢绳及网片组成。

监测单元布置于柔性防护网内侧坡面上。监测单元通过柔性防护网采集其所覆盖的岩土体表面应变应力的变化。

监测单元为包括多个能够采集其所覆盖的岩土体表面应变应力变化的支撑钢绳应力和应变传感单元和多个能够采集其所覆盖的岩土体表面应变应力变化的格栅网应力和应变传感单元。多个支撑钢绳应力和应变传感单元均布置于网片内侧坡面上专门钻凿锚孔内。多个格栅网应力和应变传感单元布置于网片与坡面之间，通过发光聚合物粘结连接。多个支撑钢绳应力和应变传感单元和多个格栅网应力和应变传感单元分别与支撑钢绳和网片相连。该发光聚合物为具有轮烷分子结构的聚氨酯。

钢绳与若干布置于网片内侧坡面上专门钻凿锚孔内的支撑钢绳应力和应变传感单元相连，(例如，钢绳中每个预设距离设置一个专门锚孔，布置支撑钢绳应力和应变传感单元，即钢绳网面域内均匀布置支撑钢绳应力和应变传感单元监测孔)，每个支撑钢绳应力和应变传感单元均可采集其所覆盖的岩土体表面应变应力的变化。

为了更加准确的采集覆盖的岩土体表面应变应力变化，可选地，邻两个支撑钢绳应力和应变传感单元之间距离为4.5米。

相邻两个格栅网应力和应变传感单元之间距离为5厘米。

另外，任一格栅网应力和应变传感单元均包括多个应力和应变传感器，1个外壳组成。

其中，外壳由1毫米厚的铝片构成。

外壳上有多个孔，孔的数量与应力和应变传感器相同，这样每个应力和应变传感器嵌入一个孔中。

柔性防护网采集的应变应力变化实时发送至分析单元。

本实施例不对柔性防护网传输采集的应变应力变化的方法进行限定，可以通过4g等无线网络传输，也可以通过光纤等有线方式传输，还可以通过其他方式传输。

柔性防护网在灾害体边界模糊的整体边坡进行全面覆盖，通过钢绳中的多个支撑钢绳应力和应变传感单元以及布置于网片与坡面之间的多个格栅网应力和应变传感单元感应目标岩土体表面应变应力的变化，监测目标边缘体的变形，进行灾害的精确监测。

2、分析单元

岩土体表面应变应力采集设备与分析单元有线或者无线连接。

分析单元用于分析岩土体表面应变应力采集设备采集到的岩土体表面应变应力的变化。

分析单元通过对应变应力变化的分析，确定需要预警时，将预警信息发送至预警单元，进行预警。

分析单元的具体分析方案为：基于应变应力变化，采用flac-3d(fastlagrangiananalysisofcontinua-3d)构建三维模型，根据三维模型确定是否需要预警。

其中，根据三维模型确定是否需要预警的实现方案如下：

1)将构建的三维模型按5厘米*5厘米为一个单元格进行分割。

2)将每一个单元格抽象为一个点。

3)确定每个点的属性，属性包括：应力，应变，经度，纬度，高度，像素。

4)根据各点属性之间的关系确定是否需要预警。

其中，4)根据各点属性之间的关系确定是否需要预警的实现方案如下：

4.1计算各点的弹性模量＝各点的应力/相应的应变。

4.2依次选择一个点，计算选择的点的第一候选像素点和第二候选像素点，计算选择的点与第一候选像素点之间的弹性模量差，计算选择的点与第二候选像素点之间的角度差。根据弹性模量差和角度差确定是否需要预警。

其中，第一候选像素点为其他像素点中，与选择的点的像素差小于预设差值的像素点。

第二候选像素点为其他像素点中，与选择的点的像素差大于或等于预设差值的像素点。

选择的点与任一第一候选像素之间的弹性模量差＝选择的点的弹性模量/任一第一候选像素之间的弹性模量。

选择的点与任一第二候选像素之间的角度差＝0.35*arctg(任一第二候选像素的高度-选择的点的高度)/[(任一第二候选像素的经度-选择的点的经度)2+/(任一第二候选像素的纬度-选择的点的纬度)2]1/2。

根据弹性模量差和角度差确定是否需要预警的实现方案如下：

若存在任一点，其存在弹性模量差大于0.17的第一候选像素点，则确定需要报警；

若存在任一点，其存在角度差大于平均角度差的第二候选像素点，则确定需要报警；

若存在任一点，其不存在弹性模量差大于0.17的第一候选像素点，但弹性模量差大于0的第一候选像素点的数量/第一候选像素点的总数量大于第一候选像素点的总数量/第二候选像素点的总数量，并且，不存在角度差大于平均角度差的第二候选像素点，但角度差大于10度的第二候选像素点/第二候选像素点的总数量大于0.56，则确定需要报警；

否则，不报警。

其中，平均角度差为所有点与其第二候选像素点之间的角度差的均值*所有点与其第二候选像素点之间的角度差的最大值/所有点与其第二候选像素点之间的角度差的最小值。

例如，将构建的三维模型按5厘米*5厘米为一个单元格进行分割之后包括4个单元格，分别为第一行2个单元格和第二行2个单元格，形成田子型。将每一个单元格抽象为一个点之后变为4个点，分别记为点11(对应田子型的左上格)，点12(对应田子型的右上格)，点21(对应田子型的左下格)，点22(对应田子型的右下格)。确定每个点的属性，属性包括：应力，应变，经度，纬度，高度，像素。计算点11的弹性模量＝点11的应力/点11的相应的应变。计算点12的弹性模量＝点12的应力/点12的相应的应变。计算点21的弹性模量＝点21的应力/点21的相应的应变。计算点22的弹性模量＝点22的应力/点22的相应的应变。选择点11，计算点11的第一候选像素点和第二候选像素点，计算点11与第一候选像素点之间的弹性模量差，计算点11与第二候选像素点之间的角度差。选择点12，计算点12的第一候选像素点和第二候选像素点，计算点12与第一候选像素点之间的弹性模量差，计算点12与第二候选像素点之间的角度差。选择点21，计算点21的第一候选像素点和第二候选像素点，计算点21与第一候选像素点之间的弹性模量差，计算点21与第二候选像素点之间的角度差。选择点22，计算点22的第一候选像素点和第二候选像素点，计算点22与第一候选像素点之间的弹性模量差，计算点22与第二候选像素点之间的角度差。根据点11，点12，点21，点22的弹性模量差和角度差确定是否需要预警。

3、预警单元

分析单元与预警单元有线或者无线连接。

预警单元用于根据分析单元的分析结果进行预警。

本申请提供的网式灾害监测预警系统中的岩土体表面应变应力采集设备包括柔性防护网和监测单元，柔性防护网在灾害体边界模糊的整体边坡进行全面覆盖，其中布置的监测单元感应目标岩土体表面应变应力的变化，该岩土体表面应变应力采集设备可以定位并监测模糊边界目标边坡的变形，进行灾害的精确监测并进行临灾预警。实现了“边防边测，防患于未然”的理念，通过监测单元可以感知前期的蠕变变形，及时预警，有效解决了地质灾害监测预警的“滑而未测，测而未滑”的业内难题。

需要明确的是，本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本实用新型的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本实用新型的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

还需要说明的是，本实用新型中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本实用新型不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。