技术领域
[0001] 本
发明属于岩土工程监测领域，涉及一种针对寒区的边坡场地测斜监测系统。
背景技术
[0002] 我国冻土区域分布广泛，于
多年冻土或季节冻土区修建
土木工程在施工期及运行期时有发生冻害现象，时有寒区天然或人工边坡因冻融循环失稳破坏案例发生。故对寒区土工建(构)筑物边坡的现场监测是保证寒区既有工程及未完成人工边坡安全施工使用及灾害预警的重要手段。而相比各种监测手段与监测内容中，钻孔土体内部位移监测是一种非常重要且有效的监测方法，此方法相比其他地表位移监测手段可以监测土体内部的长期
变形并掌握滑移面
位置，掌握土工建(构)筑物边坡的变形形态及工作状态。目前土体内部位移监测所需的设备主要为钻孔测斜仪。目前常规测斜仪大致是由
数据采集设备、
连接线缆、侧斜
探头、测斜导轮及测斜管组成，常规测斜仪的工作原理为测斜探头通过测斜导轮沿测斜
导管的凹槽提升或下降，测斜探头内的
传感器可以测量每一深度处测斜导管的倾斜
角度并
输出电压信号，并由
数据处理系统将其处理为测斜导管
水平位移，从而可逐步测量整根测斜导管的位移变化。
[0003] 目前在寒区应用的测斜仪在使用方式上分为便携式测斜仪与固定式测斜仪。固定式测斜仪优点是可一次布设长期处于无人状态，可实时收集数据，使用无线手段进行数据收集。固定式测斜仪缺点较明显，主要是：①此类设备造价高昂，不适合于大型工程大面积布设使用；②在恶劣环境(如极端低温)下无法保证仪器正常工作甚至损坏；③测斜步长在仪器选型时就已确定，无法改变。④寒区普遍纬度较高，冬季日照时间较短且日照强度较弱，且降
雪天气较多，仅用
太阳能电池板供电无法保证系统长期供能需求。实际工程主要使用手持式便携式测斜仪。便携式测斜仪由监测人员携带，在不同工程测点通过测斜管进行监测，便携式测斜仪的优点是价格相对便宜、使用灵活，但其应用于寒区场地的缺点也非常明显，主要有：①便携式测斜仪相对单人携荷能
力质量较大，主要为测杆
配重与线缆由于功能要求设计过重，寒区冬季在工程测点距离较大的情况下对监测人员造成体力负担。②便携测斜仪不耐低温，在寒区冬季气温极低，在冬季监测常会发生电池损耗过快与数据
精度变差等问题。③便携式测斜仪需在现场进行组装，在冬季施工条件下易造成部件损坏或安装困难。④土工建(构)筑物边坡通常处于电力供应缺失的区域，而冬季供电问题更加凸显，但便携式测斜仪完全充电后最长使用时间通常为几十小时，无法满足在寒区无电力供应的情况下连续几日监测。⑤传统便携式测斜仪只能监测土体内部位移，而不能附加其他功能模
块，如
含水量监测模块，方便其他土体变量监测。
[0004] 由此可见，现有寒区土体测斜技术有待进一步优化与改进。
发明内容
[0005] 为了克服上述各类型测斜仪技术不足，本发明提供了一种可靠、便捷、高度集成化的寒区边坡场地测斜监测系统。该测斜监测系统不但可以不分季节长期进行寒区在建或运行期的土工建(构)筑物边坡土体内部位移的自动监测，而且可有效地用于针对寒区冬季恶劣条件下土工建(构)筑物边坡的土体内部位移监测与防灾预警，并可根据使用条件的不同成为可固定测斜或手持测斜的两用测斜监测系统，具有适应低温、安装方便、集成化高、便于回收、
能源稳定、数据精确、可挂设其他监测模块的优点。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种寒区边坡场地测斜监测系统，包括自动控制测斜机头、机头控制保护装置、
风光互补供能装置三部分，其中：
[0008] 所述自动控制测斜机头包括机头A、可伸缩式测斜步长自动
控制器、机头B三部分；
[0009] 所述可伸缩式测斜步长自动控制器的两端连接机头A和机头B并可自由伸缩固定；
[0010] 所述机头控制保护装置包括测斜系统保护
外壳以及位于测斜系统保护外壳内的测斜机头旋转装置、测斜控
制模块、储能装置和数据传输模块；
[0011] 所述测斜机头旋转装置的上方设置有测斜
控制模块、储能装置和数据传输模块；
[0012] 所述测斜控制模块由机头运行控制模块及数据采集模块组成，机头运行控制模块用于控制自动控制测斜机头升降完成监测，数据采集模块与机头A和机头B相连记录原始监测数据，并与数据传输模块相连；
[0013] 所述储能装置与自动控制测斜机头、数据传输模块、测斜系统保护外壳相连；
[0014] 所述数据传输模块用于将测斜控制模块收集的数据传输回数据终端，同时接收数据终端发回的命令对监测周期、监测步长进行调整；
[0015] 所述测斜机头旋转装置由测斜机头收纳装置、机头旋转动力装置、机头旋转控制装置组成；
[0016] 所述测斜机头收纳装置的下部插有测斜管，自动控制测斜机头可在测斜机头收纳装置和测斜管内上下移动，测斜机头收纳装置的中部安装有机头旋转动力装置，机头旋转控制装置位于机头旋转动力装置的下方，用于控制自动控制测斜机头在测斜机头收纳装置内的收回放出及机头旋转动力装置的启动与停止；
[0017] 所述风光互补供能装置包括发电风机、
太阳能电池板、供电控制装置和传输线缆，发电风机和
太阳能电池板通过传输线缆与供电控制装置相连，供电控制装置通过传输线缆与储能装置相连。
[0018] 本发明具有如下优点：
[0019] 1、本发明的测斜监测系统适合于寒区土工建(构)筑物边坡进行有效可靠精准的长期土体内部位移监测。
[0020] 2、本发明的测斜监测系统适应低温、恶劣环境，便于安装，集成化高，安装方便，可外挂水分传感器，使用低
碳能源供能，数据保存传输安全可靠。
[0021] 3、本发明的测斜监测系统面对寒区复杂施工条件及长期运行条件，能节省大量人力物力完成监测任务。
附图说明
[0022] 图1是本发明测斜监测系统的结构示意图；
[0023] 图2是机头A的结构示意图；
[0024] 图3是自动控制测斜机头的结构示意图；
[0025] 图4是机头B的结构示意图；
[0026] 图5是机头控制保护装置的结构示意图；
[0027] 图中，1-1：测斜机头、1-2：机头固定装置、1-3：常规测斜管、1-4：测斜系统保护外壳、1-5：测斜机头旋转装置、1-6：测斜控制模块、1-7：储能装置、1-8：数据传输模块、1-9：绝热隔水材料制
基础、1-10：数据终端、1-11：发电风机、1-12：太阳能电池板、1-13：供电控制装置、1-14：传输线缆、2-1：动力导轮A、2-2：外接线缆、2-3：测斜导轮A、3-1：微型
马达A、3-2：机头控制器A、3-3：自由伸缩杆、3-4：伸缩杆控制器、3-5：微型螺旋桨、3-6：微型马达B、3-
7：机头控制器B、4-1：动力导轮B、4-2：外挂传感器
导轨、4-3：测斜导轮B、5-1：机头收纳装置、5-2：机头旋转动力装置、5-5：机头旋转控制装置、5-4：硬质高强
隔热外框、5-5：第一隔热保温层、5-6：主动加
热层(
电能加热)、5-7：第二隔热保温层、5-8：防潮层。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行
修改或者等同替换，而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保护范围中。
[0029] 如图1～5所示，本发明提供的寒区边坡场地测斜监测系统由自动控制测斜机头1-1、机头控制保护装置、风光互补供能装置三部分构成，自动控制测斜机头与风光互补供能装置各自与机头控制保护装置相连组成测斜监测系统，通过自动控制测斜机头及测斜管进行数据采集；机头控制保护装置可防雪、恒温、防潮、防雨、防风沙、测斜机头自动正反测变换、测斜机头线缆收放、机头运行控制及数据传输；风光互补供能装置供给测斜系统运行能源。各部分的具体构造如下：
[0030] 1、自动控制测斜机头1-1：
[0031] 自动控制测斜机头1-1分为机头A、可伸缩式测斜步长自动控制器、机头B三部分，此三部分均做部分及整体防水防尘封装，机头A外接合股传输供能
电缆及受力线缆；中部的可伸缩式测斜步长自动控制器的两端连接机头A、机头B并可自由伸缩固定；机头B底端设有外挂传感器模块连接导轨。此机头可以自行在测斜管中自行上下移动不需要线缆提供
牵引力，可调整测斜步长，可加装
中子水分计可进行含水量监测。整个测斜机头防水、防尘、
隔震，形成一个整体。具体构造如下：
[0032] (1)机头A
[0033] 机头A包含位移测量装置A、动力装置A、外接线缆2-2，其中：
[0034] ①位移测量装置A由测斜导轮A2-3、测斜集成芯片及
主板、电源输入
接口、信号输出接口组成，测斜导轮A2-3上设置有测斜集成芯片及主板、电源输入接口、信号输出接口，机头A与机头B的位移测量部分通过中间的伸缩杆控制器3-4进行连接，组成完整的数据采集部分。
[0035] ②动力装置A由动力导轮A2-1、微型马达A3-1、配套输出装置及机头控制器A3-2组成，所述动力装置的内部设置有微型马达A3-1、配套输出装置及机头控制器A3-2，动力装置的左右两端设置有动力导轮A2-1。其中，动力导轮A2-1安装在测斜导轮A2-3的垂直方向，与测斜导轮A2-3组成“十”字型的
正交轮组A，微型马达A3-1和机头控制器A3-2通过配套输出装置与正交轮组A相连。动力导轮A2-1为外包
橡胶的
钢质镂空轮，可提供一定的
摩擦力，动力导轮A2-1由机头控制器A3-2及微型液压控制装置进行导轮压力控制以控制导轮摩擦力，微型马达A3-1使用电能为动力导轮A2-1提供动力，机头控制器A3-2控
制动力导轮A2-1轮压、运行速度及马达过载保护。
[0036] ③外接线缆2-2由受力钢绞线、
信号传输线缆及供电线缆组成，外接线缆2-2中部为受力钢绞线，承受测斜机头提升及下降受力，信号传输线缆连接至位移测量部分的信号输出接口，供电线缆连接至位移测量部分的电源输入接口，连接部位做好防水防尘处理并加固。
[0037] (2)机头B
[0038] 机头B包含位移测量装置B、动力装置B，其中：
[0039] ①位移测量装置B由测斜导轮B4-3、电源输入接口、信号输出接口组成，测斜导轮B4-3上设置有电源输入接口、信号输出接口。
[0040] ②动力装置B由动力导轮B4-1、微型螺旋桨3-5、微型马达B3-6、配套输出装置及机头控制器B3-7组成，动力装置的内部设置有微型马达B3-6、配套输出装置及机头控制器B3-7，动力装置的左右两端设置有动力导轮B4-1。其中，动力导轮4-1安装在测斜导轮4-3的垂直方向，与测斜导轮4-3组成“十”字型的正交轮组B，微型马达B3-6及机头控制器B3-7通过配套输出装置与正交轮组B相连，动力导轮B4-1由机头控制器B3-7及微型液压控制装置进行导轮压力控制以控制导轮摩擦力，微型马达3-6使用电能为测斜导轮B4-3提供动力，机头控制器3-7控制测斜导轮B4-3轮压、运行速度及马达过载保护。在机头B动力装置的上方左右两侧各设置一个微型螺旋桨3-5，此螺旋桨在机头遇水时由机头控制器B3-7自动开启，在水中提供助推力，在出水时自动关闭。机头B底部设置有外挂传感器导轨4-2，可以加设中子水分仪，进行周围几十米范围内土体水分监测。在机头A及机头B上设有传感器线缆
固定器。
[0041] (3)可伸缩式测斜步长自动控制器
[0042] 可伸缩式测斜步长自动控制器由自由伸缩杆3-3、微型液压控制装置和伸缩杆控制器3-4组成，伸缩杆控制器3-4安装在机头A动力装置的下端面上，自由伸缩杆3-3的一端与伸缩杆控制器3-4相连，另一端与机头B的动力装置的上端面相连，微型液压控制装置设置在伸缩杆控制器3-4上且与动力导轮B4-1和动力导轮A2-1相连。自由伸缩杆3-3由无缝钢管分节制成，外径35mm，内部中空，在空腔内部装有机头A、机头B连接供电及信号传输线缆，在靠近机头A、机头B端做好密封防水防尘处理。自由伸缩杆3-3受微型液压控制装置控制可自由调节长度，调节长度范围为10cm～50cm。
[0043] 2、机头控制保护装置：
[0044] 机头控制保护装置由测斜系统保护外壳1-4、测斜机头旋转装置1-5、测斜控制模块1-6、储能装置1-7、数据传输模块1-8组成，其中：
[0045] (1)测斜系统保护外壳1-4
[0046] 测斜系统保护外壳1-4由外至内各层依次为：硬质高强隔热外框5-4，此层外侧涂有聚四氟乙烯涂层可防水防尘；第一隔热保温层5-5，此层粘贴于硬质高强隔热外框5-4里侧，材质为聚苯板厚度30mm；主动加热层5-6，材质为
纤维状
电阻丝，依靠电能产生热量，可由温控元件进行恒温控制；第二隔热保温层5-7，此层与第一隔热保温层5-5各参数相同；防潮层5-8，采用3mm厚聚四氟乙烯塑料板制成，在接口处用防水胶连接，整体粘贴于第二隔热保温层5-7的里侧。测斜系统保护外壳1-4下部做有绝热隔水材料制基础1-9，在壳体内部放置固体干燥剂用于吸湿。
[0047] (2)测斜机头旋转装置1-5
[0048] 测斜机头旋转装置由测斜机头收纳装置5-1、机头旋转动力装置5-2、机头旋转控制装置5-3组成。测斜机头机头收纳装置5-1采用有机玻璃制造，上部尺寸与测斜管相同，下部尺寸扩口，可使测斜管插入并牢固固定。机头旋转动力装置5-2安装于测斜机头收纳装置5-1的中部，此部分以上的测斜机头收纳装置5-1可与机头旋转动力装置5-2一起旋转，以此来完成测斜仪正反测变换。机头旋转控制装置5-3用于控制自动控制测斜机头1-1在测斜机头收纳装置5-1内的收回放出及机头旋转动力装置5-2的启动与停止。
[0049] (3)测斜控制模块1-6
[0050] 测斜控制模块1-6由机头运行控制模块及数据采集模块组成。机头运行控制模块可以通过数控控制
电动机牵引外接线缆2-2进而使自动控制测斜机头1-1升降完成监测，监测
频率可由数据终端1-10操控；数据采集模块与机头A和机头B相连，记录原始监测数据，此模块与数据传输模块1-8相连。
[0051] (4)储能装置1-7
[0052] 储能装置为高容量
蓄电池组，接收来自风光互补供能系统采集太阳能及
风能产生的电能并进行储存，并向自动控制测斜机头1-1、其他控制元件、数据传输模块5-4及主动加热层5-3供电。储能装置1-7设置有充电保护
电路及防护装置，防止过载。
[0053] (5)数据传输模块1-8
[0054] 数据传输模块1-8可将测斜控制模块1-6收集的数据通过4G/3G网络传输回数据终端1-10，同时，数据传输模块1-8可以接收数据终端1-10发回的命令对监测周期、监测步长进行调整。
[0055] 3、风光互补供能装置：
[0056] 风光互补供能装置由发电风机1-11、太阳能电池板1-12、供电控制装置1-13、传输线缆1-14组成，发电风机1-11和太阳能电池板1-12通过线缆1-14连接至供电控制装置1-13，供电控制装置1-13通过线缆1-14连接至储能装置1-7，储能装置1-7利用风能、太阳能产生电能向整个系统供电，通过供电控制装置1-13控制电源的平稳输出，以此为自动控制测斜机头提供自动控制和动力能源，为机头控制保护装置提供恒温和控制能源，为数据采集传输装置提供运行能源。
[0057] 本发明中未涉及部分采用或借鉴已有技术即可实现。
