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专利号: 2021107871056
申请人: 重庆交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:包括激光雷达、反光圆柱、本地控制器、远程通信模块与远程监测中心;

所述激光雷达用于安装在岩腔顶部或底部;所述反光圆柱用于沿岩腔深度方向插入岩腔后壁并反射激光雷达所发射的激光;所述本地控制器中配置有数据采集程序用于控制激光雷达的扫描过程以及处理扫描数据;

所述数据采集程序包括如下步骤:

控制激光雷达发射激光光束沿反光圆柱的同一半圆周截面扫描,确认激光雷达到反光圆柱之间最短的激光光束与其相交圆柱母线所在平面,并将所述平面作为构造面;

控制激光雷达发射激光光束在所述构造面内360°旋转扫描,从而获取到自由端夹角与岩壁端夹角:根据反射光线的退偏度识别反光圆柱的岩壁端,根据反射光线从无到有或从有到无的状态以及反射光线退偏度来识别反光圆柱的自由端,其中,构造面内最短的那条反射光线的长度作为激光雷达与反光圆柱之间的距离h;最短的那条反射光线与自由端所反射光线的夹角为自由端夹角,最短的那条反射光线与岩壁端所反射光线的夹角为岩壁端夹角;

以自由端夹角作为固定夹角β;以岩壁端夹角作为变动夹角α;

所述远程通信模块用于将所述激光雷达与反光圆柱之间的距离h、固定夹角β与变动夹角α发送到远程监测中心;

所述远程监测中心用于根据如下公式计算岩腔风化深度ΔL:

其中,L0表示反光圆柱的初始出露长度,L表示反光圆柱的风化后出露长度。

2.根据权利要求1所述的倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:初始出露长度L0=h(tanα0+tanβ),其中,α0表示通过执行所述数据采集程序获取到的变动夹角的初始值。

3.根据权利要求1所述的倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:所述激光雷达通过粘合的方式固定在岩腔顶部或底部;所述远程通信模块通过粘贴的方式固定在岩体外壁。

4.根据权利要求1所述的倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:通过电源管理模块获取太阳能电池板的电能并为所述激光雷达、本地控制器与远程通信模块供电。

5.根据权利要求1所述的倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:所述远程通信模块为5G通信模块。

6.一种倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:包括激光雷达、反光圆柱、本地控制器、远程通信模块与远程监测中心;

所述激光雷达用于安装在岩腔顶部或底部;所述反光圆柱用于沿岩腔深度方向插入岩腔后壁并反射激光雷达所发射的激光;所述本地控制器中配置有数据采集程序用于控制激光雷达的扫描过程以及处理扫描数据;

在整个岩腔后壁交错布置若干互相平行的反光圆柱,使激光雷达的光线能够依次照射到每一根反光圆柱上;

所述数据采集程序包括如下步骤:

控制激光雷达发射激光光束沿反光圆柱的同一半圆周截面扫描,确认激光雷达到反光圆柱之间最短的激光光束与其相交圆柱母线所在平面,并将所述平面作为构造面;

控制激光雷达发射激光光束在所述构造面内360°旋转扫描,从而获取到自由端夹角与岩壁端夹角:根据反射光线的退偏度识别反光圆柱的岩壁端,根据反射光线从无到有或从有到无的状态以及反射光线退偏度来识别反光圆柱的自由端,其中,构造面内最短的那条反射光线的长度作为激光雷达与反光圆柱之间的距离h;最短的那条反射光线与自由端所反射光线的夹角为自由端夹角,最短的那条反射光线与岩壁端所反射光线的夹角为岩壁端夹角;

以自由端夹角作为固定夹角β;以岩壁端夹角作为变动夹角α;

所述本地控制器控制激光雷达旋转不同角度并根据反射光线的退偏度来识别各个反光圆柱,每当识别到反光圆柱时执行所述数据采集程序获取相应反光圆柱的以下数据:激光雷达与反光圆柱之间的距离hi、固定夹角βi与变动夹角αi;其中,i表示第i根反光圆柱,i∈1,2,...,n,n表示反光圆柱的总数量;

所述远程通信模块用于将所述激光雷达与反光圆柱之间的距离、固定夹角与变动夹角发送到远程监测中心;

所述远程监测中心用于根据反光圆柱的数据计算出相应的岩腔局部风化深度并以岩腔局部风化深度的均值作为岩腔风化深度;其中,根据第i根反光圆柱的数据计算得到第i个岩腔局部风化深度ΔLi:岩腔风化深度ΔL的计算公式如下:

式中,Li表示根据第i根反光圆柱的风化后出露长度,Li,0表示第i根反光圆柱的初始出露长度。

7.根据权利要求6所述的倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统,其特征在于:Li,0=hi(tanαi,0+tanβi),αi.0表示通过对第i根反光圆柱执行所述数据采集程序获取到的变动夹角的初始值。

8.一种倾倒式危岩的崩塌预警方法,其特征在于:采用权利要求1或6所述的倾倒式危岩的岩腔风化深度监测系统实时获取岩腔风化深度,根据岩腔风化深度计算危岩体的稳定性系数,将稳定性系数与安全系数进行比较,若稳定性系数小于安全系数,则判断危岩体不稳定,发出预警信号。

9.根据权利要求8所述的倾倒式危岩的崩塌预警方法,其特征在于:稳定性系数按如下方式计算:当危岩体重心在倾覆点内侧时:

当危岩体重心在倾覆点外侧时:

式中:W为危岩体的自重,单位为kN;P为水平地震力,单位为kN;Q为危岩裂隙水压力,单位为kN;e为主控结构面贯通段的垂直高度,单位为m;e1为主控结构面内尖端以上的充水高度,单位为m;θ为主控结构面倾角,单位为°;H为危岩体垂直高度,单位为m;h0为危岩体重心点至倾覆点的垂直距离,单位为m;flk为危岩体抗拉强度标准值,单位为kPa;f0k为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值,单位为kPa,当基座为岩体时,f0k=flk,当基座为软质岩层如泥岩时,取该软质岩层的抗拉强度标准值;a为危岩体重心至倾覆点的水平距离,单位为m;

lb为危岩体底部主控结构面尖端至倾覆点的距离,单位为m。

10.根据权利要求9所述的倾倒式危岩的崩塌预警方法,其特征在于:按如下方式识别危岩体重心与倾覆点的位置关系:设置危岩体重心到反光圆柱的自由端的距离或平均距离;当反光圆柱的风化后出露长度或平均出露长度小于危岩体重心到反光圆柱的自由端的距离或平均距离时,表明危岩体重心在倾覆点内侧;当反光圆柱的风化后出露长度或平均出露大于等于危岩体重心到反光圆柱的自由端的距离或平均距离时,表明危岩体重心在倾覆点外侧。