岩土体变形监测装置及方法

技术领域

本发明涉及地质灾害监测预警领域，具体涉及一种岩土体变形监测装置及方法。

背景技术

地质灾害等岩土环境灾变过程的监测预警是亟待解决的科学和工程难题，岩土环境安全监测主要是对岩土体结构变形的监测，应用于地质灾害隐患点、矿山尾矿库、铁路边坡、建筑基坑等。滑坡是一种全球性的自然灾害，分布广泛，危害巨大，每年都造成严重的人员伤亡、经济损失和环境破坏。

相关技术中，边坡变形监测主要分为地表监测和地下深部监测两大类。为了实现滑坡的灵敏感知和早期预警，有必要进行岩土体地下变形测量，实现从地表到深部的连续实时自动监测。目前三种高精度的深部监测技术是测斜仪、阵列式位移计(SAA)和基于有源波导的声发射测量技术。测斜仪的应用最为普遍，但它的缺陷在于当水平位移达到数厘米时测斜管就会发生弯曲折断，导致装置失效，无法继续监测。而且，测斜仪传感器的安装方向需要根据滑移方向确定，进而才能比较准确的测量出各个深度的水平位移并且定位滑面深度。阵列式位移计(SAA)由多段连续节串接而成，内部是微电子机械系统(MEMS)加速度计。SAA价格昂贵，节与节之间的部分具有柔性，但节中不能挤压和弯折，一旦节中挤压弯曲程度稍大，直接造成该节被破坏，并且整条SAA也会因此失效。声发射伴随岩土体变形破坏的全过程，采用金属管并填充颗粒物构成有源波导，可以灵敏的采集到声发射信号，声发射特征参数经过处理可以量化边坡变形。声发射监测技术具有直接、可靠、廉价、高精度、实时在线的特点，有潜力对滑坡做出早期预警。然而，目前基于有源波导的声发射监测技术都是先在边坡钻孔内放入足够长度的金属管，然后填充颗粒并且分段压实，现场施工工艺复杂，并且难以实现监测装置制造的标准化和监测数据解释结果的一致性。此外，声发射信号是变形的间接测量参数，利用声发射参数量化变形需要标定，现场一般是在声发射装置的邻近位置钻孔同步安装深部变形测量装置(测斜仪或SAA)，监测成本高。声发射测量装置的标准化和深部大变形的直接标定问题是难点也是空白。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种岩土体变形监测装置及方法。

本发明的岩土体变形监测装置，包括：

至少一组声发射监测组件，所述声发射监测组件包括外管体、内管体和填充颗粒物，所述外管体套设在所述内管体外侧，所述外管体与所述内管体之间形成空腔，所述填充颗粒物填充在所述空腔内；和声发射传感器，所述声发射传感器安装在所述内管体上。

在一些实施例中，所述声发射监测组件为多个，所述声发射监测组件沿上下方向串联，最上方的所述声发射监测组件的所述内管体的上端部向上伸出相应的所述外管体，所述声发射传感器安装在最上方的所述声发射监测组件的所述内管体的所述上端部上，相邻两个所述声发射监测组件的位于上方的一者的所述内管体的下端部与相邻两个所述声发射监测组件的位于下方的一者的所述内管体的上端部连接。

在一些实施例中，所述外管体为软管，所述内管体为金属管。

在一些实施例中，所述填充颗粒物为坚硬固体颗粒。

在一些实施例中，每个声发射监测组件包括上环形金属盖和下环形金属盖，所述上环形金属盖和所述下环形金属盖的外沿与所述外管体相连，所述上环形金属盖和所述下环形金属盖的内沿与所述内管体相连，所述上环形金属盖和所述下环形金属盖与所述外管体和所述内管体之间形成所述空腔。

本发明还提出了一种利用上述的岩土体变形监测装置的岩土体变形监测方法：

A)将所述声发射监测组件依次上下串联并放置在岩土体钻孔内，最上方的所述声发射监测组件的所述内管体的所述上端部位于岩土体上方，将所述声发射传感器安装在最上方的所述声发射监测组件的所述内管体的所述上端部上，将所述声发射传感器与采集模块连接，所述采集模块与通讯模块连接；

B)利用所述声发射监测组件与所述声发射传感器对所述岩土体的结构变形进行监测，通过所述采集模块和所述通讯模块远程获取所述声发射传感器探测的声发射参数，根据获取的所述声发射参数确定岩土体结构发生变形后，向所述声发射监测组件的所述内管体内腔放置上下串联的测斜仪；

C)利用所述声发射监测组件与所述声发射传感器采集声发射参数，利用所述测斜仪采集变形参数，确定边坡滑动方向和滑面位置，量化声发射参数和变形参数的数学关系，并评价边坡稳定性。

在一些实施例中，所述步骤A)包括，在岩土体上表面设置保护罩，所述保护罩位于所述声发射监测组件的最上方，所述声发射传感器和所述采集模块和所述通讯模块位于所述保护罩内。

在一些实施例中，所述步骤C)包括，当确定边坡滑动方向和滑面位置并评价边坡稳定性后，可将所述测斜仪取出并回收以重复利用，通过所述声发射监测组件与所述声发射传感器持续监测岩土体变形。

在一些实施例中，所述钻孔的深度在2米到25米之间。

附图说明

图1是根据本发明实施例的岩土体变形监测装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的岩土体变形监测装置和测斜仪相结合的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的测斜仪和滑轮组件的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的岩土体变形监测装置安装在边坡体内的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的岩土体变形监测装置1000。如图1与图4所示，根据本发明实施例的岩土体变形监测装置1000包括至少一组声发射监测组件和声发射传感器200。

声发射监测组件包括外管体110、内管体120和填充颗粒物130。外管体110套设在内管体120外侧，外管体110与内管体120之间形成空腔140。填充颗粒物130填充在空腔140内，外管体110为柔性管体。声发射传感器200安装在内管体120上。

根据本发明实施例的岩土体变形监测装置1000通过设置外管体110、内管体120和填充颗粒物130，且填充颗粒物130填充在空腔140内，声发射传感器200安装在内管体120上，从而使得岩土体变形监测装置1000能够监测边坡岩土体结构的变形。

岩土体变形监测装置1000放置在边坡体的钻孔内，当边坡岩土体结构变形时，外管体110随之变形并将外部变形传递给管内的填充颗粒物130。从而使得填充颗粒物130和内管体120相互作用产生一定频带范围的声发射信号，声发射传感器200可采集声发射信号确定边坡岩土体结构是否发生变形，声发射信号的特征参数经过处理可以量化边坡岩土体结构变形。

外管体110和内管体120之间具有填充颗粒物130，填充颗粒物130对外管体110有一定的支撑作用，使得外管体110不易被破坏，从而增加岩土体变形监测装置1000测量的变形量的范围。外管体110为柔性管体，使得即使边坡岩土体结构发生缓慢的微小变形，外管体110也会随之变形。同时外管体110可防止钻孔壁垮塌，也可以隔离钻孔周边的岩土体环境，使得监测装置成为独立体系，使得声发射信号主要来自于装置本身，减少周边地质条件对声发射传感器200的影响，提高岩土体变形监测装置1000的测量可靠性。声发射传感器200安装在内管体120上，即内管体120作为传播声发射信号的波导管，内管体120受到外管体110和填充颗粒物130的缓冲保护，将传统金属管的材料变形转化为装置的结构变形，装置的耐压、耐剪、耐弯性能较好，不易被破坏，使得岩土体变形监测装置1000能够长期使用，从而降低监测成本。

因此，根据本发明实施例的岩土体变形监测装置1000具有监测变形量范围大、测量精度高和成本低的优点。

如图1至图4所示，根据本发明实施例的岩土体变形监测装置1000包括至少一组声发射监测组件和声发射传感器200。

如图1所示，声发射监测组件包括外管体110、内管体120和填充颗粒物130。外管体110套设在内管体120外侧，外管体110与内管体120之间形成空腔140。填充颗粒物130填充在空腔140内，外管体110为柔性管体。声发射传感器200安装在内管体120上。

在一些实施例中，外管体110为软管。软管有一定的硬度可维持自身形状，便于安装在钻孔内。同时软管具有一定的柔韧性可以承载压缩、剪切和弯曲作用，且填充颗粒物130对外管体110有一定的支撑作用，使得外管体110在边坡岩土体深部变形较大时不易被破坏，从而增加岩土体变形监测装置1000测量的变形量的范围，同时装置的寿命更长，可用于长期监测，适用范围更广。

软管(外管体110)的尺寸可以根据实际需要设置。例如，软管(外管体110)的长度可以为900毫米，外径可以为120毫米，内径可以为100毫米，壁厚可以为10毫米。

例如，外管体110可以为硅橡胶管。硅橡胶是一种高分子弹性材料，硅胶软管柔软度好，具有良好的回弹特性。同时硅橡胶疏水，可起到隔离作用。即硅橡胶管(外管体110)为柔性管，硅橡胶管对岩土体变形响应的灵敏度高。即使边坡的岩土体结构发生缓慢的微小变形，硅橡胶管也会随之变形，实现滑坡初始演化阶段的早期预警。同时硅橡胶管(外管体110)可防止钻孔壁垮塌，也可以隔离钻孔周边的岩土体环境，使得声发射信号主要来自于装置本身，减少周边地质条件对声发射传感器200的影响，提高岩土体变形监测装置1000的测量精度。

如图1所示，在一些实施例中，填充颗粒物130为坚硬固体颗粒。例如，填充颗粒物130为花岗岩砾石。花岗岩砾石具有抗压性强、压碎值低、耐磨损、抗腐蚀性强等优点。且花岗岩砾石尺寸大、形状多棱角，利于产生频繁强烈的声发射，并更早产生可检测到的声发射信号。滑坡体在下滑初期，和装置之间发生轻微的错动和挤压，硅橡胶管(外管体110)受到力的作用发生变形，填充颗粒物130响应于力和变形的作用相互碰撞、摩擦产生声发射信号，可以灵敏地探测到滑坡的初始演化阶段。声发射频率取决于颗粒物之间以及颗粒物和金属波导之间的相互作用，与颗粒物和金属波导的材料性质密切相关，主频集中在20-30kHz的范围，通过滤波可选取采集这一频段内的超声信号，从而排除环境噪声的干扰。颗粒物的声发射特征参数中，振铃计数(Ring-down count,RDC)响应于应变，声发射率(RDC/s)与滑移速率(mm/s)数据之间存在较好的数学关系，基于声发射参数可以量化水平位移、速度、加速度等主要的边坡运动学参数。随着滑坡体变形的逐步增加，硅橡胶管(外管体110)在滑坡体下滑力的作用下，产生的形变和应力增大，使得填充颗粒物130之间以及填充颗粒物130和内管体120之间的相互作用数量更多，产生更多更剧烈的声发射信号。

在一些实施例中，内管体120为金属管。例如，内管体120可以为铝合金管体。声发射传感器200安装在内管体120上，即内管体120作为传播声发射信号的低衰减波导管。

如图2所示，根据本发明实施例的岩土体变形监测装置1000还包括至少一个测斜仪300，测斜仪300能够放置在内管体120内，即内管体120也作为测斜仪300的测斜管。测斜仪300可以获取沿深度方向上各节的倾斜角度进而换算成水平位移，根据声发射传感器200采集的声发射信号的特征参数和测斜仪300测量的水平位移能够进一步提高岩土体变形监测装置1000的测量精度。

测斜仪300可直接放置在内管体120内，也可在声发射传感器200采集到声发射信号并确定边坡岩土体结构发生变形后，再将测斜仪300放置在内管体120内，从而降低监测边坡变形的成本。

外管体110和填充颗粒物130对铝合金管体(内管体120)具有一定的保护作用，整个装置逐渐发生倾斜和弯曲变形，使得铝合金管体(内管体120)不会在边坡岩土体变形较小时折断。

如图1所示，在一些实施例中，每个声发射监测组件包括上环形金属盖151和下环形金属盖152。上环形金属盖151和下环形金属盖152的外沿与外管体110相连，上环形金属盖151和下环形金属盖152的内沿与内管体120相连，上环形金属盖151和下环形金属盖152与外管体110和内管体120形成空腔140。上环形金属盖151和下环形金属盖152便于连接内管体120和外管体110，并使得声发射监测组件的上端部和下端部有一定的结构强度，不易被破坏。

如图3所示，在一些实施例中，声发射监测组件为多个，声发射监测组件沿上下方向串联。多个标准化制造的声发射监测组件沿上下方向串联并连接起来，可满足不同深度钻孔的监测需求，使用长度灵活，现场安装操作简便。同时将装置底端固定在滑床上，相互连接的声发射监测组件使得整个监测设备具有一定的刚度，滑坡体对装置施加力时会受到阻力作用，激发作用介质即填充颗粒物130发声。最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部向上伸出相应的外管体110，声发射传感器200安装在最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部上。声发射传感器200需要连接采集模块220，采集模块220和通讯模块230连接，采集模块220和通讯模块230配合可以实时采集并将数据远程传输。相邻两个声发射监测组件的位于上方的一者的内管体120的下端部与相邻两个声发射监测组件的位于下方的一者的内管体120的上端部连接。两个相邻的内管体120相互连接便于声发射信号的连续传播。上下方向如图1中箭头A所示。

如图3所示，在一些实施例中，最上方的声发射监测组件上方设有保护罩210，声发射传感器200、采集模块220和通讯模块230位于保护罩210内。保护罩210用于保护声发射传感器200不被破坏并且隔离外界环境干扰。

在一些实施例中，测斜仪300为多个，多个测斜仪300沿上下方向串联，相邻两个测斜仪300可相对转动地连接，方便测斜仪300在测斜管弯曲的状态下发生倾斜。例如，相邻两个测斜仪300可铰接。多个测斜仪300沿上下方向串联放置在内管体120内，在内管体120贯通的内腔可把多个测斜仪300相对转动地连接，使得多个测斜仪300分布在不同的高程。每个测斜仪300测量其所在位置的倾斜角的变化量，从而使得测斜仪300可以测量钻孔内沿深度方向上的各个高程的岩土体变形尤其是水平位移信息。

在一些实施例中，测斜仪300上设有多组滑轮组件，每个滑轮组件包括固定架310、第一滑轮320和第二滑轮330，多个固定架310沿上下方向间隔开地设在测斜仪300上，固定架310具有在预设方向上相对的第一端部311和第二端部312。例如，固定架310具有与测斜仪300轴向倾斜的方向上相对的第一端部311和第二端部312。第一滑轮320在第一端部311上，第二滑轮330在第二端部312上，测斜仪300在预设方向位于第一端部311和第二端部312之间。组滑轮组件便于测斜仪300下滑从而将测斜仪300放置在内管体120内。

可选地，多个固定架310倾斜的设置在测斜仪300上，每个固定架310的第一端部311和第二端部312不在同一水平线上。

在一些实施例中，外管体110包括多个子外管体，多个子外管体套设在一个内管体120外侧。多个子外管体与一个内管体120配合。多个子外管体与内管体120之间形成多个空腔140，填充颗粒物130填充在多个空腔140内。

在一些实施例中，内管体120由多个依次连接的子内管体组成。一个外管体110和多个子内管体之间形成一个空腔140。填充颗粒物130填充在空腔140内。

本申请还提供了一种利用上述的岩土体变形监测装置1000实施的岩土体变形监测方法，包括以下步骤：

A)将声发射监测组件依次上下串联并放置在岩土体钻孔内，最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部位于岩土体上方，将声发射传感器200安装在最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部上，将声发射传感器200与采集模块220连接，采集模块220与通讯模块230连接。

B)利用声发射监测组件与声发射传感器200对岩土体的结构变形进行监测，通过采集模块220和通讯模块230远程获取声发射传感器200探测的声发射参数，根据获取的声发射参数确定岩土体结构发生变形后，向声发射监测组件的内管体120内腔放置上下串联的测斜仪300。

C)利用声发射监测组件与声发射传感器200采集声发射参数，利用测斜仪300采集变形参数，确定边坡滑动方向和滑面位置，量化声发射参数和变形参数的数学关系，并评价边坡稳定性。

根据本发明实施例的岩土体变形监测方法通过在岩土体钻孔内放置声发射监测组件，且将声发射传感器200安装在最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部上，将采集模块220和所述通讯模块230与声发射传感器200连接，从而可以实时监测岩土体是否变形。声发射监测组件成本较低，可大量布置到不同的滑坡监测点。且声发射监测组件受环境因素的干扰较小，可避免误报和漏报。声发射监测组件和声发射传感器200配合可以探测到滑坡(岩土体变形)早期释放的信号，实现早期预警。

通过采集模块220和通讯模块230获取所发射传感器200输出的声发射参数，当根据声发射参数确定岩土体土结构发生变形时，向采集到岩土体变形的声发射信号的声发射监测组件的内管体120内腔放置测斜仪300。从而更加精确的测量滑坡变形，并且确定滑动方向和滑面位置。

提出依次使用声发射和测斜仪300进行岩土体深部大变形监测的方法，先用灵敏的声发射监测发现岩土体结构变形，进而利用高精度的测斜仪300监测量化岩土体结构变形并且确定滑动方向和滑面位置，获取滑动面形成和破坏的信息。同步监测岩土体运动过程中的变形和声发射参数，提出了声发射和变形参数关系的通用标定算法，一段时间后可根据声发射监测数据直接量化边坡的变形行为(位移、速度、加速度)，多参数综合分析以得到更加全面客观的滑坡体内部状态，通过研究特征参数的标志性变化确定预警阈值，实现基于深部多元参数测量的滑坡监测预警方法。有源波导声发射技术可以探测岩土体结构的微小破裂和初始变形，灵敏度和时间分辨率更高，有望实现早期预警。声发射主要来源于装置本身，硅橡胶管起到隔离作用，基本排除了外部地质环境差异性的影响，增加了装置的适用能力。装置不仅可以实现边坡多元参数测量，还可以对边坡起到一定稳固和防护的作用，限制边坡变形和运动，实际应用价值大。

根据声发射参数确定岩土体结构发生变形后，再向内管体120内放置测斜仪300。不仅可以提高测量精度，也可降低测量成本。

首先，在边坡潜在滑面的现场勘查和地质测绘。依据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T 0218-2006)确定边坡要素，根据滑坡的物质组成和结构形式等主要因素划分滑坡类型，判断滑体岩局部坡面土特性、边界特征、运移形式、成因规模等，大致判断潜在滑面的位置、倾角、厚度等，并确定滑面监测点，为下一步本监测装置的埋入做好准备。

在每个滑面监测点的岩土体从地表向下布置钻孔，钻孔深度根据现场勘察的结果而定。在一些实施例中，钻孔的深度在2米到25米之间，以覆盖浅层滑坡(滑体厚度小于10米)和中层滑坡(滑体厚度在10-25米之间)，满足大多数滑坡的监测需要。

步骤A)中，将声发射监测组件依次上下串联放置在岩土体钻孔内，声发射监测组件和钻孔壁之间灌入少量灰砂比1：5的水泥砂浆。水泥将设备底端粘合固定在钻孔底部稳定坚固的滑床中，设备整体埋藏在钻孔中。最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部位于地表上方，将声发射传感器200安装在最上方的声发射监测组件的内管体120的上端部上，将声发射传感器200与采集模块220连接，采集模块220和通讯模块230连接。采集模块220和通讯模块230连接用于获取并远程传输采集到的声发射信号。采集模块220内置处理器自动采集及存储数据，实时生成声发射特征参数。通讯模块230采用全无线架构，可以实时监测数据并将数据远程传输。

在一些实施例中，所述步骤A)包括在岩土体上表面设置保护罩210，保护罩210位于声发射监测组件的最上方，声发射传感器200、采集模块220和通讯模块230位于保护罩210内。保护罩210用于保护声发射传感器200、采集模块220和通讯模块230不被破坏。

步骤B)中，当根据声发射参数确定岩土体结构发生变形后，向采集到岩土体变形的声发射信号的声发射监测组件的内管体120内放置测斜仪300，多个测斜仪300上下串联，放置测斜仪300可提高监测精度并确定滑面位置和滑动方向。

步骤C)中，可建立信号采集和传输系统，将声发射传感器200和测斜仪30连接到系统上，将所有采集信号(声发射参数和变形参数)无线传输到边坡安全监测中心，进行数据的集中处理和分析，确定边坡滑动方向和滑面位置。量化声发射参数和变形参数的数学关系，可以实验室提前标定好声发声发射和变形参数的数学关系，也可以用测斜仪300现场动态标定出更为准确的数学关系，并评价边坡稳定性。将现场监测获取到的声发射参数和变形参数与预警阈值(范围)作比较，一旦超过某一级别的数值，应该立即触发相应级别的警报，并有针对性地开展边坡防护和应急疏散等处置工作。

在一些实施例中，当确定边坡滑动方向和滑面位置并评价边坡稳定性后，可将测斜仪300取出并回收以重复利用，降低监测成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。