地质变形三维观测系统及其安装埋设方法、测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种地质变形三维观测系统及其安装埋设方法，以及基于地质变形三维观测系统实现的地质内部变形测量方法。三维观测系统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。GNSS观测站置于钻孔孔口处且与PVC直管共轴。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
地质变形三维观测系统及其安装埋设方法、测量方法
本专利技术涉及一种地质变形三维观测系统及该地质变形三维观测系统的安装埋设方法，以及基于该地质变形三维观测系统实现的地质内部变形测量方法，属于岩土工程的地质变形监测领域。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种地质变形三维观测系统及该地质变形三维观测系统的安装埋设方法，以及基于该地质变形三维观测系统实现的地质内部变形测量方法，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，本专利技术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。一种所述的地质变形三维观测系统的安装埋设方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)将各所述MEMS传感器通过信号线首尾连接组装好；2)在待观测的地质结构上钻孔；3)将所述PVC直管下放到钻孔内；4)将首尾连接好的所有所述MEMS传感器下放到所述PVC直管内，确保所有所述MEMS传感器形成一条与所述PVC直管轴线同轴的直线；5)向钻孔和所述PVC直管内灌注水泥浆液，直至水泥浆液灌满溢出；6)待水泥浆液凝固后，在钻孔孔口处安装所述GNSS观测站，确保所述GNSS观测站与所述PVC直管共轴；7)在地面上安装所述信息采集系统；8)将最接近地质表面的所述MEMS传感器延伸到地上的电缆连接到所述信息采集系统上，及将所述GNSS观测站通过电缆连接到所述信息采集系统上。一种基于所述的地质变形三维观测系统实现的地质内部变形测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)每个所述MEMS传感器作为一个监测点，各监测点通过自身在X、Y、Z轴上正反双向设置的三对所述惯性传感器分别得到X、Y、Z轴变形量；2)以最接近地质表面的监测点或以距离地质表面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)所述GNSS观测站作为观测点从GNSS基准站获取其所在位置的X、Y、Z轴变形量；4)针对观测点以及所有监测点，累加计算并拟合出反映所述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所述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。本专利技术的优点是：本专利技术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。本专利技术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是本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.如权利要求1所述的地质变形三维观测系统，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的地质变形三维观测系统，其特征在于：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。4.如权利要求1所述的地质变形三维观测系统，其特征在于：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。5.如权利要求1至4中任一项所述的地质变形三维观测系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小刚，姜龙，赵宇飞，王玉杰，段庆伟，刘立鹏，孙平，林兴超，曹瑞琅，郑理峰，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11