危岩体崩塌灾害预警仪及其预警方法

摘要

本发明公开了一种危岩体崩塌灾害预警仪及其预警方法，该预警仪包括应力采集装置、数据实时分析处理装置和报警装置；该预警仪中应力采集装置包括数量不少于两个的应力计，各应力计分别通过应力信号传输线联接至所述数据实时分析处理装置的信号输入端；所述数据实时分析处理装置处理应力计传来的应力信号，计算崩塌源危岩体的稳定系数，并判断被测物体所处的安全状态，被测物体安全状态达到预警级别时，数据实时分析处理装置发出控制信号给所述报警装置，所述报警装置发出不同警告信号；本发明用于实时监测危岩崩塌和重要桥梁、隧道、地下工程等建筑物的安全状况，并进行灾害实时预警。

说明书

技术领域

本发明涉及灾害监测预警设备领域，尤其是涉及一种危岩体崩塌灾害预警仪及其预警方法。

背景技术

由于我国是一个多山的国家，危岩崩塌作为一种主要的地质灾害，严重地威胁着我国山区居民生活、交通干线和市政建设的安全。例如，三峡库区仅重庆境内就存在易发生崩塌灾害的危岩4000余处，共计50000多个危岩体，威胁着80多万人民群众的生命和财产安全；在四川省西昌至泸沽湖旅游公路沿线存在2000余处崩塌灾害；川藏公路四川段存在3200余处崩塌灾害点。我国每年因崩塌灾害造成近千人伤亡，如2007年发生在国道318线湖北巴东高阳寨的崩塌灾害掩埋客车，当场造成全车36人死亡！危岩崩塌灾害的防治越来越受到政府与各界人们的密切关注，但是，目前我国危岩研究基础极其薄弱，研究缺乏系统性、防治缺乏针对性、有效性。对危岩崩塌灾害的防范预警工作目前基本上还是靠人工现场勘测，然后将勘测数据带回室内进行研究处理，最后给出评价结果并反馈给有关部门。然而，危岩由失稳到崩塌发生的过程往往发展相当迅速，人工监测反应迟缓、数据的采集不具备实时性，绝大多数情况下起不到有效防范崩塌灾害的作用，危岩失稳崩塌致灾的悲剧时有发生。同样，在生产建设实践中，对于重要的桥梁、隧道、房屋等建筑物和构筑物也同样需要对其敏感部位进行安全监控预警，以避免因倾倒或者坍塌等灾难给人们生命财产造成不可挽回的损失。因此，对各种崩塌灾难的监测和实时预警急需一种具备实时性和有效性的监测预警设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种危岩体崩塌灾害预警仪，提高危岩崩塌灾害预警的实时性和有效性。

为达到以上目的，本发明的危岩体崩塌灾害预警仪采用以下技术方案：

本发明的危岩体崩塌灾害预警仪，包括应力采集装置、数据实时分析处理装置和报警装置，所述数据实时分析处理装置包括信号输入端、模式设定装置和数据处理控制器，数据处理控制器内预设有数据实时分析处理程序、危岩体抗拉强度K_IC和危岩体主控结构面贯通段长度a₀；所述应力采集装置包括数量不少于两个的应力计，应力计布设在崩塌源危岩体抗拉区域，应力计分别通过应力信号线连接至所述数据实时分析处理装置的信号输入端；所述数据处理控制器的数据实时分析处理程序根据信号输入端的应力信号、模式设定装置设定的模式状态信号以及危岩体抗拉强度K_IC、危岩体主控结构面贯通段长度a₀判断被测危岩体所处的安全状态，当被测危岩体安全状态达到数据实时分析处理程序设定的不同的预警级别时，数据实时分析处理装置发出不同的预警控制信号给所述报警装置，所述报警装置根据预警控制信号发出不同警告信号。

进一步，所述的模式设定装置包括手动输入模式选择开关、手动输入按键、岩性选择模式开关和岩性选择按键；

进一步，所述应力计的数量是10个，应力计分别布设在崩塌源危岩体抗拉区域，5个应力计测试拉应力，其余5个应力计测试剪应力，所述数据实时分析处理设置有10个信号输入端，信号输入端与应力计一一对应；

进一步，所述应力信号线与所述数据实时分析处理装置的信号输入端采用插口连接方式，当应力信号线从插口拔出时，报警装置直接发出相应报警信号；

进一步，所述应力计要求：应力测试范围不小于100Mpa，应力标准误差不大于10PPm，工作环境温度介于-10℃～80℃。

进一步，所述报警装置包括扬声器和警告信号灯。

本发明的另一个目的是提供采用所述的危岩体崩塌灾害预警仪进行危岩体崩塌灾害预警的方法，包括以下步骤：

a.确定危岩体抗拉强度K_IC

从崩塌源危岩体现场取样，测试危岩体完整岩石的断裂韧度，将该断裂韧度作为危岩体抗拉强度K_IC；

或者将砂岩、灰岩、泥灰岩、花岗岩、玄武岩和大理岩的相关抗拉强度的现有统计值分别作为各种岩性危岩体抗拉强度K_IC；

将危岩体抗拉强度K_IC预设到数据处理控制器的存储空间；

b.量测确定崩塌源危岩体主控结构面贯通段长度a₀，并将a₀预设到数据处理控制器的存储空间；

c.在崩塌源危岩体抗拉区域布设应力计，根据模式设定装置选择危岩体崩塌灾害预警仪的工作模式；

d.数据实时分析处理装置实时采集应力计传来的拉应力σ和剪应力τ的数值；

e.数据实时分析处理装置由下列算式计算强度变量K₁、K₂和k₀：

$K_1=1.12\sigma \sqrt{{\mathrm{\pi a}}_0},$

$K_2=1.12\tau \sqrt{{\mathrm{\pi a}}_0},$

k₀＝(K₁/K₂)²；

f.数据实时分析处理装置由下列算式计算崩塌源危岩体岩石断裂方向角度θ₀：

${\theta }_0=\arccos \left[\frac{3+\sqrt{k_0^2+8k_0}}{k_0+9}\right];$

g.数据实时分析处理装置由下列算式计算k₁～k₈共八个参数：

$k_1=\cos \frac{{\theta }_0}{2},$$k_2=\frac{1}{2}[(3\cos {\theta }_0-1)\sin \frac{{\theta }_0}{2}-3\sin {\theta }_0\cos \frac{{\theta }_0}{2}],$$k_3=k_1^2+k_7^2$

$k_4=k_6^2+k_8^2,$k₅＝2(k₁k₆+k₇k₈)，$k_6=\frac{1}{2}[3\sin {\theta }_0\cos \frac{{\theta }_0}{2}+(3\cos {\theta }_0-1)\sin \frac{{\theta }_0}{2}]$

$k_7=\sin {\theta }_0\cos \frac{{\theta }_0}{2},$$k_8=(3\cos {\theta }_0-1)\cos \frac{{\theta }_0}{2};$

h.数据实时分析处理装置由下式计算崩塌源危岩体断裂因子K_e：

$K_e=\frac{1}{2}[k_1{K}_1+k_2{K}_2+\sqrt{k_3{K}_1^2+k_4{K}_2^2+k_5{K}_1{K}_2}];$

i.数据实时分析处理装置由下式计算崩塌源危岩体的稳定系数：

$F_s=\frac{K_{\mathrm{IC}}}{K_e};$

j.数据实时分析处理装置根据按下述判断确定被测危岩体所处的安全状态并发出相应的预警控制信号给报警装置：

当F_s≥1.20时，被测崩塌源危岩体总体处于安全状态；

当1.05≤F_s＜1.20时，被测崩塌源危岩体总体处于基本安全状态；

当0.98≤F_s＜1.05时，被测崩塌源危岩体总体处于临界破坏状态；

当F_s＜0.98时，被测崩塌源危岩体总体处于破坏状态。

进一步，在c步骤中，布设5个应力计测试拉应力，同时，在d步骤中的数据实时分析处理装置实时采集应力数值最大的3个应力计的应力数据的平均值，作为崩塌源抗拉区域岩石实时拉应力σ的数值；在c步骤中，另外还布设5个应力计测试剪应力，同时，在d步骤中的数据实时分析处理装置取其中应力数值最大的3个应力计的应力数据的平均值，作为崩塌源抗拉区域岩石实时剪应力τ的数值。

本发明的有益效果是：本发明通过现场实时测量危岩体拉应力和剪应力数值经过计算处理得出的出一个合理的危岩体稳定系数，通过判断该稳定系数的值是否落入合理的安全状态范围，从而确定被测危岩体的安全状态，本发明对危岩体应力数据的分析处理更加符合危岩体崩塌的灾害的发生机理，因而可以提高危岩体安全状态估计的准确性，从而提高了危岩崩塌预警的有效性；本发明的数据实时分析处理程序与本发明的危岩体崩塌灾害预警仪硬件设备相结合，可以实时地从现场采集应力数据，通过数据处理控制器分析处理进行分析处理，迅速准确地判断被监控的危岩体的安全状态，并发出相应的安全状态警告信号，从而达到提高危岩崩塌灾害预警的实时性，提高危岩崩塌灾害预警的有效性的目的。

附图说明

图1为本发明的危岩体崩塌灾害预警仪的电原理示意框图；

图2为本发明的危岩体崩塌灾害预警仪的主机箱的示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的预警仪作进一步描述，如图1、图2所示：

图1为本发明的危岩体崩塌灾害预警仪的电原理示意框图，本发明危岩体崩塌灾害预警仪包括应力采集装置、数据实时分析处理装置和报警装置三大部分；其中，应力采集装置采用应力计1，数据实时分析处理装置包括信号输入端2、模式设定装置4和数据处理控制器3，报警装置采用扬声器5和警告信号灯6，其中，信号输入端2、模式设定装置4、数据处理控制器3、扬声器5、警告信号灯6以及一个用以给数据处理控制器3和报警装置供电的直流电源7均包括在一个主机箱8内。数据处理控制器3内预设有数据实时分析处理程序、危岩体抗拉强度K_IC和危岩体主控结构面贯通段长度a₀；所述应力采集装置包括10个应力计，应力计布设在崩塌源危岩体抗拉区域，应力计分别通过应力信号线连接至所述数据实时分析处理装置的信号输入端2；所述数据处理控制器3的数据实时分析处理程序根据信号输入端2的应力信号、模式设定装置4设定的模式状态信号以及危岩体抗拉强度K_IC、危岩体主控结构面贯通段长度a₀判断被测危岩体所处的安全状态，当被测危岩体安全状态达到数据实时分析处理程序设定的不同的预警级别时，数据实时分析处理装置发出不同的报警控制信号给所述报警装置包括扬声器5和警告信号灯6，扬声器5和警告信号灯6根据报警控制信号发出不同警告信号。本实施例的数据处理控制器3采用单片机。

图2所示为本发明的危岩体崩塌灾害预警仪的主机箱8的示意图，本实施例的危岩体崩塌灾害预警仪用于监测交通要道旁危岩崩塌时，将主机箱8安置在与危岩体邻近的稳定部位，将10个应力计1分别布设在崩塌源危岩体抗拉区域，5个测试拉应力，其余5个测试剪应力，所述数据实时分析处理设置有10个信号输入端2，各信号输入端2采用插孔形式，每个信号输入端2连接一个插孔，所有插孔集中设置在主机箱8的侧面形成插口19，信号输入端与应力计一一对应，每个信号输入端2通过插口19和应力计1相连。应力计1的规格：应力测试范围不小于100Mpa，应力标准误差不大于10PPm，工作环境温度介于-10℃～80℃。应力信号线与所述数据实时分析处理装置的信号输入端采用插口19进行，应力信号线从插口19拔出时，报警装置根据数据处理控制器3的指令直接发出相应报警信号；所述的模式设定装置4包括手动输入模式选择开关11、手动输入按键13、岩性选择模式开关10和岩性选择按键15，另外还设置有岩性显示窗口14和抗拉强度显示窗口12。主机箱8的正面还设置有电源开关9、电源指示灯16，警告信号灯6设置在主机箱8正面信号灯位置17处，扬声器5设置在主机箱8侧面扬声器设置位置18处。

在制作本发明的预警仪时，数据处理控制器3内要预设危岩体抗拉强度K_IC、危岩体主控结构面贯通段长度a₀和数据实时分析处理程序。

首先要确定危岩体抗拉强度K_IC

从崩塌源危岩体现场取样，通过疲劳断裂试验测试危岩体完整岩石，将该断裂韧度作为危岩体抗拉强度K_IC；或者，将砂岩、灰岩、泥灰岩、花岗岩、玄武岩和大理岩的相关抗拉强度的现有统计值分别作为各种岩性危岩体抗拉强度K_IC。

然后，采用经纬仪或皮尺现场量测确定崩塌源危岩体主控结构面贯通段长度a₀；

确定危岩体抗拉强度K_IC和危岩体主控结构面贯通段长度a₀后，将K_IC和a₀预设到数据处理控制器3的存储单元内。接着，编制数据处理控制器的数据实时分析处理程序，并将该程序预设到数据处理控制器3的存储单元内，数据处理控制器加电后，自动引导运行该程序。

上述的数据实时分析处理程序包括以下分析处理过程：

a.实时接收信号输入端2传来的拉应力σ和剪应力τ信号；取其中应力数值最大的三个应力计3的应力数据的平均值，作为崩塌源抗拉区域岩石实时拉应力σ；取其中应力数值最大的三个应力计3的应力数据的平均值，作为崩塌源抗拉区域岩石实时剪应力τ；

b.读取预设到数据处理控制器3存储单元内的a₀数值，并由下列算式计算强度变量K₁、K₂和k₀：

$K_1=1.12\sigma \sqrt{{\mathrm{\pi a}}_0},$

$K_2=1.12\tau \sqrt{{\mathrm{\pi a}}_0},$

k₀＝(K₁/K₂)²；

c.由下列算式计算崩塌源危岩体岩石断裂方向角度θ₀：

${\theta }_0=\arccos \left[\frac{3+\sqrt{k_0^2+8k_0}}{k_0+9}\right];$

d.由下列算式计算k₁～k₈共八个参数：

$k_1=\cos \frac{{\theta }_0}{2},$$k_2=\frac{1}{2}[(3\cos {\theta }_0-1)\sin \frac{{\theta }_0}{2}-3\sin {\theta }_0\cos \frac{{\theta }_0}{2}],$$k_3=k_1^2+k_7^2$

$k_4=k_6^2+k_8^2,$

k₅＝2(k₁k₆+k₇k₈)，$k_6=\frac{1}{2}[3\sin {\theta }_0\cos \frac{{\theta }_0}{2}+(3\cos {\theta }_0-1)\sin \frac{{\theta }_0}{2}]$

$k_7=\sin {\theta }_0\cos \frac{{\theta }_0}{2},$$k_8=(3\cos {\theta }_0-1)\cos \frac{{\theta }_0}{2};$

e.由下式计算崩塌源危岩体断裂因子K_e：

$K_e=\frac{1}{2}[k_1{K}_1+k_2{K}_2+\sqrt{k_3{K}_1^2+k_4{K}_2^2+k_5{K}_1{K}_2}];$

f.根据模式设定装置4的设定的不同模式，读取预设到数据处理控制器3存储单元内的K_IC数值，并由下式计算崩塌源危岩体的稳定系数F_s：

$F_s=\frac{K_{\mathrm{IC}}}{K_e};$

g.根据崩塌源危岩体的稳定系数F_s的实时数值落到下述的不同数值范围的情况判断被测危岩体所处的安全状态：

当F_s≥1.20时，被测崩塌源危岩体总体处于安全状态；

当1.05≤F_s＜1.20时，被测崩塌源危岩体总体处于基本安全状态；

当0.98≤F_s＜1.05时，被测崩塌源危岩体总体处于临界破坏状态；

当F_s＜0.98时，被测崩塌源危岩体总体处于破坏状态；

h.根据g步骤的判断对发出不同的控制指令，控制所述的扬声器5和警告信号灯6发出不同警号信号；

i.当信号输入端2信号缺失时，报警装置直接发出相应报警信号。

使用本实施例的危岩体崩塌灾害预警仪时，要将主机箱8安置在与危岩体邻近的稳定部位，采用应变花方法将10个应力计1分别布设在崩塌源危岩体抗拉区域，5个测试拉应力，其余5个测试剪应力。

本发明的危岩体崩塌灾害预警仪及其预警方法还可以用于桥梁、房屋、隧道等建筑物敏感部位的安全监控预警，确保人民生命财产安全，同样具备相当的实用性；不过，确定抗拉强度K_IC时，需要根据具体构成的建筑物材质进行实验。

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，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。