记录灾害发生时孔隙水压力突变过程的方法及其监测装置

摘要

记录灾害发生时孔隙水压力突变过程的方法及其监测装置：⑴预置孔隙水压力突变阈值参数，以此判断是否发生“突变”；⑵没有“突变”时仪器工作在“监测模式”：仅对孔隙水压力进行监测，不采集保存数据；⑶一旦检测到孔隙水压力变化超过“突变阈值”，即转换到“数据采集模式”；⑷进入“数据采集模式”：对突然变化的孔隙水压力进行数据采集，采集的大量数据保存在仪器内部存储单元，同时向上位机发送数据和孔隙水压力“突变”报警信息；⑸直至孔隙水压力平稳时停止数据采集，并转换到“监测模式”；⑹重复以上步骤⑴-⑸，如此循环。本发明结构简单，可捕捉瞬间孔隙水压力变化、自动记录，灾害中不会停止工作。

说明书

技术领域

    本发明属于岩土工程安全监测技术领域；具体涉及一种记录灾害发生时孔隙水压力突变的方法以及基于这种方法的监测装置：孔隙水压力突变监测记录仪。

背景技术

孔隙水压力是指地下岩土层内微粒或孔隙之间水的压力，这种压力变化超过正常范围时，直接影响地下岩土层稳定，造成地质灾害。一般孔隙水压力的测量方法是将“孔隙水压力计”（传感器）埋在地下被测点位置，通过长距离电缆线将传感器信号传送到地面上的“读数仪”或“数据采集仪”进行人工测量或自动化测量，采集的数据最终传输到中心控制室上位机（计算机）进行分析处理。

工程安全监测规范要求在施工期或运行期，对孔隙水压力进行定期监测、分析判断，并采取应对措施。通常孔隙水压力变化很缓慢，人工测量时，每周测量1~2次，若自动化测量，可以设置“数据采集仪”每天自动测量1次，或根据需要进行随机测量。有时一天之内孔隙水压力几乎都没有变化，若测量过于频繁，测值相同，又需要占用大量存储空间，是没有必要的。国内外最常用的振弦式或差动电阻式“孔隙水压力计”（传感器），采样一次的时间是3~5秒，属于静态特性传感器，可以满足这种监测要求。

近年来全球各种地质灾害频发，需要对于灾害引起的孔隙水压力“突变”机理进行研究，这要求在灾害发生的短短几分钟到几小时时间内，监测和记录孔隙水压力变化的全过程，按照上述常规监测方法，采用静态特性孔隙水压力传感器无法记录这种随机发生的孔隙水压力突变过程。同时，灾害发生时往往供电、通信系统都会遭到破坏，孔隙水压力传感器使用的长距离电缆更容易遭到雷击引起监测设备损坏。

随着现代传感器技术、电子技术和计算机技术发展，出现多种良好动态特性的孔隙水压力传感器、高性能数据采集和单片微型计算机集成电路。基于这种成熟的硬件条件，本发明提出一种捕捉灾害发生时孔隙水压力突变过程的方法及基于这种方法的监测装置。

本技术主要用于：当山体滑坡、水库溃坝、江河堤岸崩溃、建筑物基础垮塌、地震、海啸等灾害发生时，对突然变化的孔隙水压力自动进行跟踪监测和记录，以及水利工程、岩土工程模型试验，为研究灾害发生的机理提供了一种有效的手段。

发明内容

本发明的目的是提出一种记录灾害发生时孔隙水压力突变过程的方法以及基于这种方法的监测装置：孔隙水压力突变监测记录仪。

这种方法的主要思路是：仪器只在短暂的孔隙水压力发生突变时进行数据采集，而在漫长的等待时间里只对孔隙水压力进行跟踪监测，判断是否发生突变。因此设置“监测模式”和“数据采集模式”两种工作模式，孔隙水压力突变是“触发”进入“数据采集模式”的条件。

完成上述发明任务的方案是，一种记录突发灾害孔隙水压力的方法，其特征在于，步骤如下，

    ⑴. 预先设置孔隙水压力“突变阈值”参数，即单位时间内孔隙水压力变化值，以此判断是否发生“突变”（ 灾害发生）；

⑵. 没有“突变”（ 灾害发生）时仪器工作在“监测模式”：仅对孔隙水压力进行跟踪监测，并不采集和保存数据；

    ⑶. 在“监测模式”一旦检测到孔隙水压力变化超过“突变阈值”（发生突变），“触发”仪器由“监测模式”转换到“数据采集模式”；

⑷. 进入“数据采集模式”：对突然变化的孔隙水压力进行数据采集，采集的大量数据保存在仪器内部存储单元；

⑸. 直至孔隙水压力平稳时停止数据采集，并转换到“监测模式”；

⑹. 重复以上步骤⑴-⑸，如此循环。

以上方法有进一步优化的方案：

该优化方案中，增加有以下步骤中的一个或多个：

⑺. 当整个系统转入“数据采集模式”时，单片微型计算机模块通过控制电路，启动备用电源；

⑻. 整个系统转入“数据采集模式”时，单片微型计算机模块通过控制电路，调整孔隙水压力传感器采集数据的时间间隔，提高孔隙水压力的采样频率；

⑼. 保存测量数据并发送给上位机，向上位机发送孔隙水压力“突变”报警信息；

⑽. 单片微型计算机模块根据不断收到的数据以及步骤⑴所确定的数值标准，判断孔隙水压力的突变现象是否已经结束，如果为“是”，则整个系统转回“监测模式”；如果是“否”，则继续工作在“数据采集模式”。

完成本申请第2个发明任务的技术方案是，上述记录突发灾害孔隙水压力的方法所使用的监测装置：孔隙水压力突变监测记录仪，其特征在于，

该孔隙水压力突变监测记录仪将孔隙水压力传感器与数据采集仪合为一体，组成一体化的监测记录仪；

所述孔隙水压力传感器采用动态孔隙水压力传感器；

所述数据采集仪由单片微型计算机组成，包括存储单元、信号采集单元、通信单元、时钟单元及电源控制单元等部件。

即，本发明中所述孔隙水压力传感器不是常规的静态孔隙水压力传感器，而是具有动态特性，适合测量压力突然变化的动态孔隙水压力传感器。所述的具有动态特性的孔隙水压力压力传感器是指，该孔隙水压力压力传感器的动态响应频率≥500Hz。

若干个所述的孔隙水压力突变监测记录仪可以设有一个共同的上位机；所述的各孔隙水压力突变监测记录仪与该上位机通信采用RS232/RS485通信接口，按照约定的通信协议传输命令和数据；每个孔隙水压力突变监测记录仪都有一个唯一的设备识别号，作为与上位机通信的设备地址，组成孔隙水压力突变监测网络。

   更具体地说，本发明的设备有以下优化方案：

 ⑴. 该孔隙水压力突变监测记录仪采用采用太阳能供电方式，利用太阳能电池板对蓄电池充电； 

    ⑵. 每个孔隙水压力突变监测记录仪都有一个唯一的设备识别号（即，每个孔隙水压力突变监测记录仪分别设有各自的设备识别号），作为与上位机通信的设备地址，组成孔隙水压力突变监测网络；

     换言之，本发明监测装置的设备特点是：

（1）对孔隙水压力检测采用动态特性孔隙水压力传感器，而不是采用常规的振弦式或差动电阻式静态特性孔隙水压力传感器”

（2）该仪器将动态特性孔隙水压力“传感器”与“数据采集仪”合为一体，组成一个一体化监测装置，是一个最小的独立监测系统；该孔隙水压力突变监测记录仪集“传感器”和“数据采集”为一身，组成一个一体化监测装置，是一个最小的独立监测系统，仪器启动以后无需上位机干预工作；发生灾害造成上位机瘫痪和通信线路损坏时，并不影响监测装置工作；

（3）这个一体化监测装置中的“数据采集仪”由单片微型计算机组成，包括存储单元、信号采集单元、通信单元、时钟单元、内部电源和电源控制单元等部件；

（4）仪器的主要功能由计算机软件程序方法实现，包括孔隙水压力检测、信号采集、阈值判断、误触发判断、命令处理、数据传输工作等；

（5）“孔隙水压力传感器”与“数据采集仪”合并为一体，取消了两者之间长距离模拟信号传输线，使干扰和信号衰减降低到最小程度，仪器工作更加稳定可靠；

（6）采用独立的存储器保存数据，即使仪器损坏也可以取出存储器读取已保存的数据。

 更优化和更详细地说，本发明的基本方法和特征如下，记录灾害发生时孔隙水压力突变过程的方法，参见图1：

（1）预先设置孔隙水压力“突变阈值”参数，即单位时间内孔隙水压力变化值，以此判断是否发生“突变”；

（2）没有灾害发生时孔隙水压力变化很小、很缓慢，此时仪器工作在“监测模式”，该模式仅对孔隙水压力进行跟踪监测，并不采集和保存数据，这样节省宝贵的内部存储空间；

   （3）在“监测模式”一旦检测到孔隙水压力变化超过“突变阈值”发生突变，“触发”仪器由“监测模式”转换到“数据采集模式”；

   （4）灾害发生时仪器进入“数据采集模式”，对突然变化的孔隙水压力进行数据采集，采集的大量数据保存在仪器内部存储单元并向上位机发出报警信息，直至孔隙水压力平稳时停止数据采集，并转换到“监测模式”，如此循环。

本项发明特点：采用了单片微型计算机技术，构思新颖、结构简单，主要功能由计算机软件实现。本发明可以自动捕捉这种瞬间突然变化的孔隙水压力变化，并记录孔隙水压力变化过程，即使仪器电缆遭到破坏以后，仪器也不会停止工作，并可以取出存储器读取数据。

附图说明

 图1记录灾害发生时孔隙水压力突变过程方法的流程图；

 图2监测装置结构示意图；

图3监测装置各部件框图；

 图4“监测模式”和“数据采集模式”工作流程图。

具体实施方式

    为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明方法作进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例利用单片微型计算机技术和现代电子测量技术以及低功耗大规模集成电路组成，将“孔隙水压力传感器”与 “数据采集仪”组成一个独立的、完整的“数据采集装置”。与传统测量方式的不同之处在于：

（1）没有外接的数据采集仪，而是直接与上位机连接；

（2）适合恶劣环境工作，即时灾害发生时地面装置（上位机、供电）损坏，“监测装置”仍然继续工作；

（3）在对孔隙水压力发生突变监测的过程中，无需上位机干预；

（4）数据存储单元可以从本仪器中取出，由计算机读取模块内部保存的采集数据信息。

以下对实施例“监测装置”作详细说明，参见图2、图3、图4。

1．“监测装置”结构和作用

本装置主要由孔隙水压力传感器、数据采集模块、蓄电池、金属密封外壳和电缆等部件组成，通信和电源控制单元具备防浪涌冲击功能，参见图2、图3。

图2中：孔隙水压力1透过透水石2，传递给水压力传感器3；图中数据采集模块5；蓄电池6；电缆7；密封外壳4。

（1）孔隙水压力传感器

“孔隙水压力传感器”嵌入在“监测装置”内部，替代了常规测量方法所使用的外置的“孔隙水压力计”，用于检测孔隙水压力变化。

（2）数据采集模块

该模块也就是常规测量方法所使用的独立的“数据采集仪”，数据采集模块包括：单片微型计算机单元、数据存储单元、信号采集单元、时钟单元、通信单元、电源控制单元。

（3）蓄电池

内置可充电蓄电池，正常情况下由外部供电，并对蓄电池充电。当突发事件发生时，可能会破坏外部供电电源和通信，此时仪器自动切换为内部蓄电池供电。因此，即使仪器电缆遭到破坏以后，仪器也不会停止工作。外部电源可以采用太阳能电池供电方式。

（4）金属密封外壳

    金属外壳用于密封保护仪器的电子仪器部件，岩土层中的孔隙水压力只能通过透水石传递给孔隙水压力传感器。金属外壳接地有作良好的电磁屏蔽保护作用。

（5）电缆

专用防水屏蔽电缆用于外部供电以及与上位机通信。

2．“监测装置”各部件功能

（1）单片微型计算机单元

单片微型计算机单元是装置的核心部件，采用高度集成的高速、低功耗8位或16位单片微型计算机和相关集成电路组建，包括命令处理功能、看门狗功能、数据采集控制、通信传输等功能。单片微型计算机运行事先编制的软件程序，主要执行的工作有：接收上位机命令、参数设置、自动采集孔隙水压力值、压力突变判别、上传数据和信息、保存数据等。

（2）信号采集单元

信号采集单元的功能，是将孔隙水压力传感器输出的模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号。采集单元包括传感器驱动电路、信号调理电路、高速A/D转换电路等，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应大于信号最高频率5~10倍。

（3）数据存储单元

    数据存储单元为独立的可以拔插的大容量非遗失性存储器（优盘或SD卡），足够保存孔隙水压力发生突变时采集的所有数据，并且掉电以后数据仍然能够长期保存。即使装置损坏，数据存储器可以单独从本仪器中取出，由计算机读取存储器内保存的采集数据信息。

（4）时钟单元

为监测装置提供实时时钟信号，时钟参数可以设置、修改。

（5）通信接口

与上位机通信采用RS232/RS485通信接口，按照约定的通信协议传输命令和数据。每个装置都有一个唯一的设备识别号，作为与上位机通信的设备地址。

    通信方式可以选择有线或无线方式，双绞线标准通信距离1.2公里；光缆通信可以达数十公里；无线数传方式可以达数公里至数十公里。

（6）电源控制单元

    采用高性能可充电锂电池作为仪器内部电池，正常情况下由外部电源充电，当外界电源断电后自动切换为内部电池供电，保证仪器不断电工作。

（7）孔隙水压力传感器

 孔隙水压力传感器由透水石和高动态性能的水压力传感器组成，动态响应频率≥500Hz。孔隙水压力通过透水石传递至水压力传感器，根据土层情况选择不同透水系数的透水石。仪器安装埋设方法与普通孔隙水压力计相同。

3．孔隙水压力突变的检测判断方法

突变阈值是判断孔隙水压力是否发生突变的参数，突变阈值是单位时间内孔隙水压力变化值，以下对“突变阈值”和“采样间隔时间”说明。

（1）突变阈值

首先了解被监测点正常情况时孔隙水压力变化范围，计算出单位时间内孔隙水压力变化最大值（绝对值），超过这个最大值一定范围，认为开始发生突变，以此为基础确定突变阈值。

（2）采样间隔时间

上述“单位时间”是对孔隙水压力采样的间隔时间，也称采样周期（或采样频率）。因为孔隙水压力突变的过程时间很短，因此采样间隔时间应该在几秒~几分钟之间选择。

    对于不同的工程项目和监测对象，突变阈值和采样间隔时间是不一样的，需要根据具体情况进行设置。

4．命令处理和信息传输

    命令处理采用“主-从”通信工作方式，上位机作为主机，“监测装置”作为从机。按照约定的通信协议、数据格式、校验方法，上位机对“监测装置”发送命令，并接收返回的信息和数据。“监测装置”必须对命令作出应答，命令处理工作如下。

（1）仪器状态检查命令，返回以下数据：当前工作模式、孔隙水压力值、突变阈值、采样间隔、时钟、电压、剩余存储空间，等各项参数值；

（2）参数设置命令，包括以下参数：突变阈值、采样间隔、时钟、标定值、初始压力值、安装高程等；

（3）读取存储单元数据命令：将保存在存储器内的采样数据发送给上位机；

（4）清空存储单元命令：清空存储器保存的采样数据，释放存储空间；

（5）启动命令：启动仪器工作；

（6）停止命令：仪器停止工作。

    “监测装置”启动运行以后，自动定时向上位机发送状态信息和数据，并不需要上位机返回应答信号，也就是说不关心上位机是否收到。

5．“监测模式”和“数据采集模式”工作流程说明（参见图4）

（1）“监测模式”

没有灾害发生时孔隙水压力变化很小、很缓慢，此时仪器工作在“监测模式”，主要工作步骤如下：

步骤①  检查是否有上位机命令，若有命令须对命令做出处理，处理结束进入步骤②；否则直接进入步骤②；

步骤②  对孔隙水压力跟踪监测，判断是否发生突变，一旦灾害发生，仪器检测到突变的孔隙水压力值超过设定的阈值，产生“触发”信号，进入“数据采集模式”，否则进入步骤③；

步骤③  定期向上位机发送“正常”信号，并转入步骤①，如此循环。该模式并不采集和保存数据，这样节省宝贵的内部存储空间。

（2）“触发”转换

孔隙水压力发生突变，“触发”仪器由“监测模式”转换到“数据采集模式”，同时向上位机发出报警信号；

（3）“数据采集模式”

灾害发生时仪器进入“数据采集模式”，这个过程很短，该模式工作步骤如下：

步骤①  仪器自动调整测量间隔时间，增加孔隙水压力的测量次数，进入高速数据采集状态；

步骤②  对突然变化的孔隙水压力进行数据采集，这些大量数据保存到仪器内部存储单元，同时数据发给上位机；

步骤③  继续检测孔隙水压力是否超过阈值，若仍然超过则转步骤④，继续循环数据采集工作；否则退出“数据采集模式”，恢复到“监测模式”；

步骤④  检查是否有上位机命令，若有命令须对命令做出处理，处理结束进入步骤②；否则直接进入步骤②。

6．上位机和系统运行

    上位机是远离现场位于中心机房的计算机，运行专门编制的通信软件，利用计算机通信接口与“监测装置”建立联系，按照约定的通信协议向“监测装置”发送命令、参数并接收各项数据。在监测现场也可以用笔记本电脑直接与“监测装置”连接，进行调试和参数设置。主要工作如下： 

   （1）对“监测装置”进行参数设置，启动运行；

   （2）上位机可以随时发送命令，了解“监测装置”运行状态，修改参数，读取数据；

   （3）“监测装置”在“监测模式”和“数据采集模式”下，定时向上位机发送工作状态信息、数据，无需上位机干预；

   （4）发生灾害造成上位机瘫痪和通信线路损坏时，并不影响“监测装置”工作，灾害结束后可以取出内部存储器，在计算机上读出数据；

   （5）采用专门编制的计算机数据处理软件对采集的数据进行分析处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。