[发明专利]地质变形三维观测系统及其安装埋设方法、测量方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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；