一种地裂缝三向位移监测装置及地裂缝三向位移监测方法

摘要

本发明公开了一种激光式的地裂缝三向位移监测装置包括接收器基板、发射器基板、发射器底座、网格板、激光测距仪，在地裂缝的内外侧且紧邻裂缝的边缘处分别埋设三脚地下支撑杆组件，在地下支撑杆组件上安装地上支撑杆组件，地上支撑杆组件上分别安装接收器基板、发射器基板。其中接收器基板、发射器基板与地上支撑杆组件的固定杆垂直固定，固定杆与地下支撑组件的锚杆一通过球形较连接，地上支撑杆组件的另两根长度可调的调节杆与接收器基板或发射器基板通过球形较连接，裂缝变形前后，在调平接收器基板和发射器基板后，通过激光测距仪测量激光测距仪与网格板的间距，及比较两次测量时激光测距仪在网格板上的标记，可得到准确的裂缝三向位移。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程地表监测技术领域，更具体涉及一种地裂缝三向位移监测装置及地裂缝三向位移监测方法，它适用于地下采矿、边坡开挖、开采地下水等人类工程建设活动引发的地裂缝监测。

背景技术

随着我国经济的快速持续发展和城镇化的推进，大量的工程建设活动(如地下矿体开挖、边坡开挖、基坑开挖、地下水开采等)越来越多。毫无疑问，这些工程的建设必将引发在其开挖周边的地表出现一定规模的开裂现象，甚至造成地表塌陷、滑坡等地质灾害，将会给工程建设活动、人民生命财产安全带来严重的威胁，使国民经济遭到重大损失。因此，对工程建设开挖活动引起的地表裂缝监测十分必要，它不仅是工程地质灾害监测中重要的一环，而且能够为准确判断开挖工程的稳定性提供关键参数与重要表征，开展其监测具有重要意义。现有的监测地裂缝方法主要为机械式位移测法，但机械式设计使其精度尚有进一步的提升空间。近年来，为了更安全、快速、准确地获取地裂缝状态变化，非接触式测量方法开始引入到地裂缝的监测中，其中化学、电子和测绘领域的先进仪器-非接触式的激光测距仪在这方面得到广泛应用。但目前基于激光测距仪的地裂缝监测装置和方法往往存在以下缺点：(1)监测所得的往往是地裂缝的一个方向位移，其中张裂位移居多；(2)往往在地裂缝两侧埋设固定混凝土监测墩，然后在监测墩上面架设监测装置和仪器来进行地裂缝监测，由于混凝土监测墩刚度较大，往往不和埋设周围的土体一起变形，所以当地裂缝的三向位移有所变化时，此时不一定能够反映到混凝土监测墩上来，造成对地裂缝监测结果的一定误差；

此外，一种裂缝三向变形激光测量仪(申请号：201120209465.X，申请日2011.06.21)公开了裂缝三向变形激光测量仪对裂缝同一点位移变形的垂直位移与张裂位移和水平错动量的绝对值(三向位移变化量)同时进行观测，如图1～图2，该装置中三角架的支脚100与刚性混凝土墩类似都埋入裂缝附近的岩土中，在测量时只有保持第一次读数和第二次读数时，裂缝两侧的支脚100仍保持初始姿态，即支脚两端的点101和点103的连线A与点102和点104的连线B只相对远离、升降和沿裂缝方向平移错位，才能使点103能代表点101的位移量，点102能代表点104的位移量，这样当激光测距仪200相对接收器300的位移量才能代表裂缝两侧岩体(点101相对点102)的相对位移量。然而当裂缝两侧的岩土体变形时，往往造成混凝土监测墩的倾斜，即点103与其在点101(第一次读数时的原始点)平面的竖直投影点105的连线及点104与其在点102(第一次读数时的原始点)平面的竖直投影点106连线发生相对位移，即使在第二次读数时调平两三脚架的按照平台也无法还原两原始连线至本相互平行的位置，此时安装在监测墩顶端表面处的监测装置和仪器的位置变化还涵盖了其他误差量(即新竖直投影点105’相对原始点105的额外位移量)，这也往往会造成对监测结果的显著误差。所以，现有的基于激光测距仪的监测装置和方法很难以满足地裂缝的监测。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种地裂缝三向位移监测装置及地裂缝三向位移监测方法，该装置能够在第一次测量及第二次测量前调平裂缝两侧的三角板后，使三角板上测量点完全代表三角板下支脚埋入岩土中的基点的位移量，降低裂缝三相位移的测量误差。可广泛应用于地下采矿、边坡开挖、开采地下水等人类工程活动引发的地裂缝监测。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种地裂缝三向位移监测装置，包括接收器基板、发射器基板、发射器底座、网格板、激光测距仪，所述网格板竖立在接收器基板的上表面并平行于裂缝的沿伸方向布置，所述激光测距仪安装在发射器底座内，发射器底座固定在发射器基板的上表面使激光测距仪垂直对准网格板，所述接收器基板和发射器基板的各布置在一组支撑杆组件上端，并相对布置在所述裂缝两侧；

每组支撑杆组件包括相互衔接的地上支撑杆组件和地下支撑杆组件，所述地下支撑杆组件由锚固在岩体中一根锚杆一和两根锚杆二组成，锚杆一和锚杆二上端露出岩体组成三角阵列，其中贴近所述裂缝的一根锚杆一的上端固定有衔接模块，另两根锚杆二的上端与连接公头连接，所述衔接模块背向锚杆的一侧设有球形槽、球体一和可容纳螺杆的线型凹槽，所述球形槽内安装有可转动的球体一，形成第一球形铰结构，所述线型凹槽贯穿该球形槽的中心并与该锚杆一垂直，所述螺杆从所述线型凹槽中横穿所述球形槽及球体一，并与该球体一过渡配合，所述线型凹槽的深度大于所述螺杆的直径，且宽度与所述螺杆的直径匹配，使球体一可绕螺杆的轴线转动和随螺杆沿线型凹槽的内壁上下滑动，并避免绕所述锚杆一转动；

所述地上支撑杆组件包括与球体一固定连接的固定杆，和套装在连接公头上长度可调的调节杆，所述调节杆的上端与接收器基板或发射器基板通过第二球形铰结构转动连接，所述固定杆的上端与接收器基板或发射器基板垂直固定，所述接收器基板和发射器基板上设有水准泡，所述网格板的坐标原点和激光测距仪的发射点均位于固定杆的中轴线的延长线上；

所述监测装置在测量地裂缝三向位移的过程中的读数时，调节杆均被调节使接收器基板和发射器基板处于水平位置。

进一步地，所述接收器基板上表面设有与网格板的侧面轮廓匹配的切槽，切槽两端设有垂直接收器基板的定位杆，所述网格板设有与定位杆配合的插孔。

进一步地，所述发射器基板的上表面设有与发射器底座底面配合的凹槽，发射器基板的上表面还设有定向杆，所述发射器底座设有与定向杆配合的圆形孔。

进一步地，所述调节杆下端设有能插接连接公头的套筒，该套筒上设有紧固螺栓能穿过套筒壁锁紧套筒内的连接公头。

基于权利要求1所述的监测装置的地裂缝三向位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在裂缝内侧和外侧且紧邻裂缝边缘处分别埋设地下支撑杆组件，使裂缝内侧和裂缝外侧的锚杆一的连线垂直于裂缝的沿伸方向，并保证锚杆一和锚杆二下端埋入岩土里有足够的深度，使得锚杆一和锚杆二与裂缝两侧的岩土体一起变形，其中裂缝的内侧是指裂缝旁海拔高度低的一侧，裂缝的外侧是指裂缝旁海拔高度高的一侧；

然后，在锚杆一的上端安装固定杆及第一球形铰结构，在锚杆二的上端安装连接公头，并将所述调节杆套装在连接公头上，将接收器基板安装在裂缝内侧的地上支撑杆组件上，将发射器基板安装在裂缝外侧的地上支撑杆组件上，使接收器基板和发射器基板调至水平状态；

接着，在接收器基板上安装网格板，使网格板平行于裂缝的沿伸方向，在发射器基板上安装发射器底座和激光测距仪，使网格板的坐标原点和激光测距仪的发射点均位于固定杆的中轴线的延长线上，激光测距仪发射的激光投射到网格板的坐标原点，并读取激光测距仪与网格板的间距记为x

步骤S2，在裂缝变形发生位移后，再次将接收器基板和发射器基板调至水平状态，使激光测距仪发射的激光投射到网格板上，并读取激光测距仪与网格板的间距记为x

步骤S3，按照步骤S2经过多期监测，可以得到地裂缝多期的累计三向位移。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)能够反映地裂缝的三维空间变化。使用该装置和方法所测得的地裂缝位移包括张裂位移、错动位移和竖直位移，结合该三向位移能够准确地得到地裂缝的三维空间变化。

(2)准确性高。主要包括两个方面：(a)使用的三脚布置的地下支撑杆组件和其周围的岩土体同步位移；(b)裂缝两侧的两个锚杆一的顶端的三向位移量代表了裂缝的三向位移量，故每次测量时，调平地上支撑杆组件上端的接收器基板和发射器基板，可使裂缝位移前和位移后测量时，裂缝两侧的两固定杆均互相平行并在同一平面内，能保证接收器基板或发射器基板在整个监测过程中相对于所监测的地裂缝的相对高度未变，因此固定杆上端的端点的位移量可等同于固定端下端的端点(锚杆一的上端)的位移量，所以本方案的测量方法测出的裂缝三向位移精度优于现有技术中其他方案，避免了原来无法克服的误差；(c)固定杆的下端通过第一球形铰结构转动连接锚杆一，调节杆上端通过第二球形缴结构转动连接接收器基板或发射器基板，巧妙的实现了能时刻保持固定杆与接收器基板或发射器基板垂直，且接收器基板、发射器基板的水平度可调的技术特征；(d)第一球形铰结构中巧妙的设计了穿过球体一的螺杆，阻止了接收器基板或发射器基板在调平时固定杆被扭转，避免了扭转位移带来的三向位移误差，同时由于线型凹槽的深度大于螺杆的直径，螺杆可在沿线型凹槽的内壁上下滑动时，使球体一向螺杆两端的上下方摆动，使球体一在球形槽中具备绕螺杆转动和绕螺杆的中点在线型凹槽平面内转动的可能性，便于接收器基板或发射器基板的调平；(e)锚杆一与固定杆通过球形铰结构连接，有效地避免了混凝土监测墩的倾斜带来的误差；

本发明的技术方案的其他优点：避免了因埋设在岩土里的混凝土监测墩的刚度问题而造成的监测误差；保证激光测距仪的发射点及网格板的原点均对应于固定杆的上端的坐标；使用本发明的装置，只是分别需要一个网格板和激光测距仪，且对准网格板和激光测距仪能够快速地安装在调节基座上，更为重要的是激光测距仪体积小，质量轻，可以随身携带，测完一个点可拆下来进行其它地裂缝的监测，大大地方便了测量和节约了时间成本。

本发明的装置和方法使用的激光测距仪和网格板价格低廉，测量装置和方法整体投入小、经济性好、维护量小。

所述的激光测距仪为瑞士徕卡迪士通D3A，测量精度±1.0毫米，测程为0.05至100米。

附图说明

图1现有的使用三角架测量裂缝三向位移时裂缝变形前的测量示意图；

图2现有的使用三角架测量裂缝三向位移时裂缝变形后的测量示意图；

图3为本发明一种地裂缝三向位移监测装置结构示意图；

图4为本发明中裂缝内侧接收器基板装配后的结构示意图；

图5为本发明中裂缝内侧接收器基板装配后下部结构示意图；

图6为本发明中调节杆上端的变截面圆形连接杆结构示意图；

图7为本发明中调节杆中部的调节圆杆结构示意图；

图8为本发明中调节杆下端的连接母头结构示意图；

图9为本发明中锚杆一上端的衔接模块的半剖结构示意图；

图10为本发明中裂缝外侧发射器基板装配后结构示意图；

图11为本发明中地下支撑杆组件的结构示意图；

图12为本发明中网格板结构示意图；

图13为本发明中激光测距仪的发射器底座的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种激光式的地裂缝三向位移监测装置，它包括接收器基板3和发射器基板5、发射器底座7、网格板8、激光测距仪9和保护盖10，如图3和图11在裂缝的内测(变形大的一侧)和外测(变形小的一侧)且紧邻裂缝边缘处分别埋设三脚布置的地下支撑杆组件，在地下支撑组件上安装地上支撑杆组件，接收器基板3和发射器基板5分别安装在裂缝内侧和外侧的地上支撑杆组件上；为便于定位和安装，发射器基板5、发射器底座7均为三角形。

激光测距仪9安装在发射器底座7上而相互固定在一起，接收器基板3上设有切槽32，该切槽32与网格板8的侧面轮廓匹配，切槽32两端设有垂直接收器基板3的定位杆33，网格板8设有与定位杆33配合的插孔81，网格板8安装在接收器基板3的切槽32中，发射器基板5上设有与发射器底座7的轮廓匹配的凹槽52，发射器基板5的上表面还设有定向杆53，发射器底座7设有与定向杆53配合的插孔，激光测距仪9的发射器底座7安装在发射器基板5的凹槽52中，使网格板8和激光测距仪9的发射器底座7相对布置且使激光测距仪投射的激光垂直于网格板8，网格板8和激光测距仪9的发射器底座7的中心线分别平行和垂直于裂缝走向。

如图2，接收器基板3的边缘处设有水准泡34；接收器基板3的下表面设有与之固定在一起且相互垂直的固定杆35和与之通过第二球形铰结构36连接的可调长度的调节杆4；固定杆35与接收器基板3的凹槽32一侧的定位杆33共同一轴线，固定杆35下端部固定有球体一351，球体一351的球心位置处被圆角长方形孔352水平横穿，固定杆35下端与球体一351设有互相配合的螺帽354、外螺纹353，相互螺纹连接。

如图5和图6和图7，接收器基板3下端的调节杆4包括变截面圆形连接杆41、调节圆杆42和连接母头43。变截面圆形连接杆41的顶端为埋入接收器基板3下表面的第二球形铰结构36内的球体二413，调节圆杆42上端带有螺纹421和中部位置固定有圆帽423，圆形连接杆41下端设有与调节圆杆42相互配合的螺纹孔414；连接母头43的上端设有圆形连接杆431，圆形连接杆431上端设有供调节圆杆42对接插入的圆形孔432；连接母头43的下端设有供锚杆二12上端的连接公头122对接插入的套筒433，套筒433底面设有供连接公头122插入的圆角长方形孔434，该套筒433上设有紧固螺栓435能穿过套筒壁锁紧套筒43内的连接公头12。

如图11地下支撑杆组件由锚固在岩体中一根锚杆一11和两根锚杆二12组成，锚杆一11和锚杆二12上端露出岩体组成三角阵列，锚杆一12埋设在紧邻裂缝边缘处，其上端为衔接模块112，另两根锚杆二12的上端与连接公头122连接；如图9，衔接模块112背向锚杆11的一侧设有球形槽114、球体一351和可容纳螺杆113的线型凹槽116，球体一351可转动的安装在球形槽114内，形成第一球形铰结构115，线型凹槽116贯穿该球形槽114的中心并与该锚杆一11垂直，螺杆113从线型凹槽116中横穿球形槽114及球体一351，并与该球体一351过渡配合，线型凹槽116的深度大于螺杆113的直径，且宽度与螺杆113的直径匹配，使球体一351可绕螺杆113的轴线转动和随螺杆113沿线型凹槽116的内壁上下滑动，并避免绕所述锚杆一11转动。螺纹113左右两端设有螺纹并有与之配套的螺帽117。

如图12，网格板8为长方形薄板，长和宽的比值约为3倍，下端表面左右两侧设有与接收器基板3上的切槽32两侧的定位杆33连接的圆形孔81，网格板8的一侧侧面设有方格坐标82，方格的边长为5mm。

如图10，裂缝外侧的发射器基板5的表面结构与裂缝内侧的接收器基板3一样，但在发射器基板5的凹槽52里设有与激光测距仪9的发射器底座7一端的圆形孔71对接的一根定向杆53；发射器基板5下端的固定杆35的轴线方向经过凹槽52的中线；如图13，激光测距仪9左右两侧自带螺纹孔，发射器底座7设有固定激光测距仪的螺纹杆72，当旋转螺纹杆72上的螺帽73并拧紧时，激光测距仪9与发射器底座7固定在一起，装配好的激光测距仪9保证其激光照准路线91平行于发射器底座7下表面；通过将发射器底座7放入发射器基板5的凹槽52里，且将发射器底座7的圆形孔71插入发射器基板5上的定向杆53，达到将激光测距仪9安装在发射器基板5上的目的，此时保证激光测距仪9的激光点出露位置在发射器基板5下端的固定杆35的轴线方向上。

采用本实施例中基于激光式的地裂缝三向位移监测装置及方法，具体过程包括如下步骤：

(1)在裂缝内侧和外侧且紧邻裂缝边缘处分别埋设地下支撑杆组件，使裂缝内侧和裂缝外侧的锚杆一11的连线垂直于裂缝的沿伸方向，并保证锚杆一11和锚杆二12下端埋入岩土里有足够的深度，使得锚杆一11和锚杆二12与裂缝两侧的岩土体一起变形，这样使得地下支撑杆组件与裂缝两侧的岩土体一起变形，保证测量结果的准确性。其中裂缝的内侧是指裂缝旁海拔高度低的一侧，海拔高度低是因为裂缝该侧的岩土沉降变形较多，裂缝的外侧是指裂缝旁海拔高度高的一侧，海拔高度高是因为裂缝该侧的岩土沉降变形较少。

(2)在锚杆一11的上端安装固定杆35及第一球形铰结构115，在锚杆二12的上端安装连接公头122，并将所述调节杆4套装在连接公头122上，将接收器基板3安装在裂缝内侧的地上支撑杆组件上，将发射器基板5安装在裂缝外侧的地上支撑杆组件上，使接收器基板3和发射器基板5调至水平状态，。

(3)接着，在接收器基板3上安装网格板8，使网格板8平行于裂缝的沿伸方向，在发射器基板5上安装发射器底座7和激光测距仪9，使网格板8的坐标原点和激光测距仪9的发射点均位于固定杆35的中轴线的延长线上，激光测距仪9发射的激光投射到网格板8的坐标原点。

(4)在进行地裂缝的三向位移测量时，首先打开激光测距仪9的开关按钮，并读数按钮键进行读数读取激光测距仪9与网格板8的间距记为x

在裂缝变形发生位移后，再次将接收器基板3和发射器基板5调至水平状态，使激光测距仪9发射的激光投射到网格板8上，并读取激光测距仪9与网格板8的间距记为x

(5)测量完毕后，经过计算，得到地裂缝在这两次监测期间的三向位移，其中垂直地裂缝走向方向的水平位移(张裂位移)为△x＝x

以上结合附图及实施例对本发明做了详细的描述，但是并不形成对本发明的限制，一切落在本发明权利要求保护范围内的修改和变化，都落在本发明的保护范围之内。