岩石断层剪切滑移大变形监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种岩石断层剪切滑移大变形监测系统，基于磁场定位原理，将磁性体和磁传感探头分别布置在岩石断层易滑移的一侧和另一侧内，磁性体发出的磁感应强度由磁传感探头探测，岩石断层发生剪切滑移时，磁性体随着断层一同滑移，此时磁传感探头动态探测磁感应强度的变化，通过磁感应强度变化由远程数据处理中心计算出岩石断层剪切滑移大变形，对岩石随着断层的滑移坍塌进行预警。本实用新型提供了一种新的监测岩石断层剪切滑移大变形的监测系统，可在雨水、岩体渗流、滚石、泥石流等恶劣环境下长期服役，所需设备数量少，布设简便，监测准确。
【专利说明】岩石断层剪切滑移大变形监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程测量【技术领域】，特别涉及一种岩石断层剪切滑移大变形监测系统。
【背景技术】
[0002]岩体由岩石和断层组成，岩石断层作为一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带，与其两侧岩体在物理力学特性上有着显著的差异。断层的强度与变形方面，常成为控制各类岩体工程稳定的制约因素，同时也是许多重大地质灾害发生的主要边界条件之一。对岩石断层的剪切滑移进行监测预警有着十分重要的意义。
[0003]传统的监测方法中，大地水准测量法、GPS观测网、合成孔径雷达干涉测量等可测量岩体表面的变形，精度可达毫米级别，其信号无法穿透水、岩石，无法监测岩体的内部变形，且易受气象条件的影响，无法在雨水、岩体渗流、泥石流等环境下服役。水平声波剖面法(HSP)、陆地声纳法、探地雷达法、红外探水法、电磁波CT探测方法、高密度电阻率法和高频大地电磁法等可以探测岩石断层的空间分布，甚至达到图像化，但其精度不高，在断层的变形监测方面存在困难。目前，大多采用钻孔侧斜仪观测断层在不同高程处的水平位移或垂直位移，尚无法直接监测断层沿滑动方向的剪切滑移变形。另一方面，现有的钻孔测斜仪虽然能间接地推算出岩石断层的变形分布，性能和适用范围基本满足岩石断层初期变形的要求，但布设繁琐，在泥石流、岩体渗流、滚石等恶劣环境下易损坏，转换计算造成累积误差，测量范围小，且岩石断层剪切滑移变形的中后期阶段的大变形尚无法监测。
[0004]针对上述之不足，有必要研究一种可以简便、精确地监测岩石断层剪切滑移大变形的监测系统和方法。
【发明内容】
[0005]有鉴于岩石断层剪切滑移大变形监测中亟需解决的问题，本发明基于磁场定位原理，提供一种用于岩石断层剪切滑移大变形监测的系统及使用方法，将磁传感探头和磁性体布置在岩石深部，监测岩石断层剪切滑移大变形，对岩石随着断层的滑移坍塌进行预警。
[0006]本发明的岩石断层剪切滑移大变形监测系统，包括磁性体、磁传感探头、磁场采集主机、RS232无线传输模块和远程数据处理中心，所述磁性体置于岩石断层易滑移一侧的内部，所述磁传感探头置于岩石断层的另一侧的内部，所述磁传感探头采集磁性体发射出的磁感应强度值并通过电缆传输给所述磁场采集主机，再由RS232无线传输模块远程传送至远程数据处理中心，远程数据处理中心将磁感应强度值计算成位移。
[0007]进一步，所述磁性体包括钕铁硼永磁铁和万向支架；所述万向支架包括球体、夕卜环、内环和仓体，所述外环两端回转支承在球体内，内环两端回转支承外环内，仓体回转支承在内环内，所述球体、外环和内环同重心，所述外环、内环和仓体的回转轴线相互水平垂直；所述钕铁硼永磁铁置于仓体内，球体滚动时仓体内的钕铁硼永磁铁保持平动。
[0008]进一步，所述磁传感探头由四个呈正方形布置的三轴磁力计组成，所述四个三轴磁力计的XYZ轴方向相同，其中两个位于X轴，另外两个位于Y轴。
[0009]进一步，所述磁性体还包括万向支架外的依次包围的隔震橡胶层、环氧密封层和混凝土外壳。
[0010]本发明还提供了一种岩石断层剪切滑移大变形监测方法，包括如下步骤:
[0011]SI)在岩石断层的易滑动的一侧岩体钻孔布置磁性体,在另一侧岩体钻孔埋设磁传感探头，测量磁性体与磁传感探头中心连线的水平距离AL、高程差Ah，岩石断层厚度d ；
[0012]优选的，磁传感探头的埋设深度比磁性体的埋设深度浅；
[0013]S2)磁传感探头探测磁性体发出的磁感应强度，通过传输电缆传输至数据采集模块中的磁场数据采集主机，再通过内嵌在数据采集模块中的RS232无线发射模块发送到远程数据处理中心，远程数据处理中心计算剪切滑移:
[0014]S2.1)将磁传感探头检测到的磁性体发射出的磁感应强度计算成磁场梯度，计算如下:
O —B
[0015]Bxx 5=-瘦(Ia)
L
H _ R
[0016]氛
L(Ib)
[0017]R^-Bxx-Bjy(Ic)
β —β
[0018]Bw = Bzv = —gS......；—瘦
I(Id)
R - H
- Λ -1 1- - -
L(Ie)
^B..— B.,, +
[0020]B = B ~ —-:---L
^ >x2L(If)
[0021]式中，Bxi, Byi和Bzi (i = A, B, C，D分别对应四个三轴磁力计中的一个)为磁感应强度，由磁传感探头中的四个三轴磁力计测量得到，L为X轴及Y轴上两个磁力计之间的距离；
[0022]S2.2)由磁场梯度计算磁场梯度张量的模量为:
[0023]Cr = (Bi + B2yy + B2:: + 2B；7 + !Bi + 2B2、: f (2 )
[0024]S2.3)计算岩石断层剪切滑移时磁性体与磁传感探头的距离r
/ X 0.25
((\.\
[0025]r-r0 —
(3)
[0026]式中，r0为磁性体与磁传感探头的初始距离，r9 =(Δ/?2+Δ/?).Cto和Ct分别对应磁传感探头至磁性体的距离为A和r时磁场梯度张量的模量，由磁传感探头测量后通过式(I)和式(2)计算得到；将式(2)代入式(3)，可得r ； S2.4)计算岩石断层剪切滑移大变形s:
/ 2 ,2 \0.5 / 7 ?■>
[0027]s = (r-ddJ - (T0iWj⑷
[0028]S3)对岩石断层的剪切滑移及坍塌进行预警。
[0029]本发明的有益效果:本发明的岩石断层剪切滑移大变形监测系统及监测方法，基于磁场定位原理，将磁性体和磁传感探头分别布置在岩石断层易滑移的一侧和另一侧内，磁性体发出的磁感应强度由磁传感探头探测，岩石断层发生剪切滑移时，磁性体随着断层一同滑移，此时磁传感探头动态探测磁感应强度的变化，通过磁感应强度变化由远程数据处理中心计算出岩石断层剪切滑移大变形，对岩石随着断层的滑移坍塌进行预警。本发明提供了一种新的监测岩石断层剪切滑移大变形的方法，监测系统所需设备数量少，布设简便，监测准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0031 ] 图1是本发明的磁性体的结构图；
[0032]图2为图1中A-A剖视图；
[0033]图3为磁传感探头中4个三轴磁力计的分布图；
[0034]图4是本发明的岩石断层剪切滑移大变形监测系统的实施示意图；
[0035]图5是本发明的岩石断层剪切滑移大变形监测的原理示意图；
[0036]图中:1-钕铁硼永磁铁；2-万向支架；3-橡胶隔震层；4_环氧复合密封材料；5-混凝土外壳；6_磁性体；7_磁传感探头；8-岩体；9_断层；10_电缆；11-磁场数据采集主机；12-RS232无线发射模块；13_数据采集模块；14-远程数据处理中心。
【具体实施方式】
[0037]以下将结合附图对本发明进行详细说明。
[0038]本实施例的岩石断层剪切滑移大变形监测系统，包括磁性体6、磁传感探头7、磁场采集主机11、RS232无线传输模块12和远程数据处理中心14，其特征在于:所述磁性体6置于岩石断层9易滑移一侧的内部，所述磁传感探头7置于岩石断层的另一侧的内部，所述磁传感探头7采集磁性体发射出的磁感应强度值并通过电缆10传输给数据采集模块13中的磁场采集主机11，再由数据采集模块13中的RS232无线传输模块12远程传送至远程数据处理中心14，远程数据处理中心14将磁感应强度值计算成滑移位移。
[0039]作为上述技术方案的进一步改进，所述磁性体6包括钕铁硼永磁铁I和万向支架
2;所述万向支架2包括球体2a、外环2b、内环2c和仓体2d，所述外环2b两端回转支承在球体2a内，内环2c两端回转支承在外环2b内，仓体2d回转支承在内环2c内，所述球体2a、外环2b和内环2c同重心，所述外环2b、内环2c和仓体2d的回转轴线相互水平垂直；所述钕铁硼永磁铁置于仓体内，钕铁硼永磁铁I和仓体2d的重心低于球体2a的重心，这样在断层滑移时虽然球体2a会滚动，但仓体内的钕铁硼永磁铁保持平动，这样的目的是为了便于计算岩体断层的剪切滑移。
[0040]作为上述技术方案的进一步改进，所述磁传感探头7由四个呈正方形布置的三轴磁力计组成，编号分别为A、B、C、D，如图3所示，AB⑶四个三轴磁力计的XYZ轴方向相同，其中AB位于X轴，⑶位于Y轴，AB⑶的分布中心为原点O，这样布置可以通过XYZ轴方向的位移计算出剪切滑移大变形。
[0041]作为上述技术方案的进一步改进，所述磁性体6还包括万向支架外的依次包围的隔震橡胶层3、环氧密封层4和混凝土外壳5。橡胶层3用于隔震，防止撞击过程中钕铁硼的磁性消失，混凝土外壳5和橡胶层3可联合抵抗岩石断层滑移时的挤压、撞击；环氧密封层4用于防渗，可在雨水、岩体渗流中服役，增强磁性体使用的耐久性。
[0042]采用上述监测系统进行岩石断层剪切滑移大变形监测方法，包括如下步骤:
[0043]SI)在岩石断层的易滑动的一侧岩体钻孔布置磁性体,在另一侧岩体钻孔埋设磁传感探头，测量磁性体与磁传感探头的水平距离AL、高程差Ah，岩石断层厚度d;需要说明的是，本文中提到的磁性体与磁传感探头间的各种距离都是指钕铁硼永磁铁I的中心与磁传感探头中四个三轴磁力计分布中心ο之间的距离。
[0044]由于磁性体的成本低，随岩体滑移宜消失；而磁传感探头是仪器，带有电缆，成本较高，因此，磁传感探头的埋设深度比磁性体的埋设深度浅，以免被破坏，同时便于使用过程中的维护；
[0045]S2)磁传感探头探测磁性体发出的磁感应强度，通过传输电缆传输至数据采集模块中的磁场数据采集主机，再通过内嵌在数据采集模块中的RS232无线发射模块发送到远程数据处理中心，远程数据处理中心计算剪切滑移:
[0046]S2.1)将磁传感探头检测到的磁性体发射出的磁感应强度计算成磁场梯度，计算如下:
R -B
[0047]B-—(Ia)
L
B.- — B,.n
[0048]B ? ^^厂二^
I(Ib)
D ^ H _ O
[0049]zz XX yy( IC)
ο ^ O
1、11一
[0050]= Β-ν ~ ^.......................^ 4 L(Id)
r____π? — Ι> ?— B.[0051J ^xz —-Ozx--
L(Ιο)
OO I I >D
— ￡? - + D、—
__DOXvXUr.\Fo
[0052]Bw = Byx-----(1Γ)
[0053]式中，Bxi, Byi和Bzi (i = A, B, C，D分别对应四个三轴磁力计中的一个)为磁感应强度，由磁传感探头中的四个三轴磁力计测量得到；L为X轴及Y轴上两个磁力计之间的距离，L取值过小，测量不够准确，取值过大，磁传感探头体积太大，L优选取值为0.3?0.5米。
[0054]S2.2)由磁场梯度计算磁场梯度张量的模量Ct:
[0055]C1 = (B1xx + B；y + Bi + IB1xy + 2Bl + f ⑵
[0056]S2.3)计算岩石断层剪切滑移时磁性体与磁传感探头的距离r，由于r(l?d，r?d,且剪切滑移过程中，磁性体6中的钕铁硼永磁铁I未发生旋转，只有平动，则钕铁硼永磁铁I的磁偶极子的轴线与竖直方向的角度变化可忽略，因此可以得出
/ X 0.25
C I
[0057]as K "一?5...VI
V cT /(3)
[0058]式中,为磁性体与磁传感探头的初始距离，r0 ?(A/|2 + AL2).Cto和Ct分别对
I
应磁传感探头至磁性体的距离为A和r时磁场梯度张量的模量，由磁传感探头测量后通过式⑴和式⑵计算得到；将式⑵代入式(3)，可得r ;
[0059]S2.4)计算岩石断层剪切滑移大变形s:
[0060]s = ^r2 -d2f3 - d2y^r.\± J
[0061]由此，通过检测岩体断层滑移时的磁场变化，进而计算出岩石断层剪切滑移大变形S。
[0062]S3)对岩石断层的剪切滑移及坍塌进行预警。
[0063]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种岩石断层剪切滑移大变形监测系统，包括磁性体￠)、磁传感探头(7)、磁场采集主机(11)、RS232无线传输模块(12)和远程数据处理中心(14)，其特征在于:所述磁性体(6)置于岩石断层(9)易滑移一侧的内部，所述磁传感探头(7)置于岩石断层的另一侧的内部，所述磁传感探头(7)采集磁性体发射出的磁感应强度值并通过电缆(10)传输给所述磁场采集主机(11)，再由RS232无线传输模块(12)远程传送至远程数据处理中心(14)，远程数据处理中心将磁感应强度值计算成滑移位移。
2.根据权利要求1所述的岩石断层剪切滑移大变形监测系统，其特征在于:所述磁性体(6)包括钕铁硼永磁铁(I)和万向支架(2);所述万向支架(2)包括球体(2a)、外环(2b)、内环(2c)和仓体(2d)，所述外环(2b)两端回转支承在球体(2a)内，内环(2c)两端回转支承在外环(2b)内，仓体(2d)回转支承在内环(2c)内，所述球体(2a)、外环(2b)和内环(2c)同重心，所述外环(2b)、内环(2c)和仓体(2d)的回转轴线相互水平垂直；所述钕铁硼永磁铁置于仓体(2d)内，所述钕铁硼永磁铁(I)和仓体(2d)的重心低于球体(2a)的重心。
3.根据权利要求2所述的岩石断层剪切滑移大变形监测系统，其特征在于:所述磁传感探头(7)由四个呈正方形布置的三轴磁力计组成，所述四个三轴磁力计的XYZ轴方向相同，其中两个位于X轴，另外两个位于Y轴。
4.根据权利要求3所述的岩石断层剪切滑移大变形监测系统，其特征在于:所述磁性体(6)还包括万向支架外的依次包围的隔震橡胶层(3)、环氧密封层(4)和混凝土外壳(5)。
【文档编号】G08C17/02GK204007500SQ201420376711
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】江胜华, 江文华, 吕高 申请人:江胜华