多深度岩土含水率、倾斜组合探头及地质灾害监测设备的制作方法

1.本实用新型涉及多深度岩土含水率、倾斜组合探头及地质灾害监测设备，属于地质灾害监测技术领域。


背景技术：

2.我国丘陵地貌区分布面积大，地质构造作用强烈，岩体风化程度高，山体表层土质(类土质)部分厚度较大，居民切坡建房现象普遍，形成土质(类土质)高陡不稳定斜坡稳定性差，在降雨影响下经常产生崩塌、滑坡等地质灾害，尤其在我国南方丘陵地区大多数地质灾害发生在这些地段。这些土质(类土质)高陡不稳定斜坡产生地质灾害大多具规模小、变形迹象不明显、突发性强等特征，主要受降雨诱发，往往经历一场降雨从开始变形到崩滑到坡脚瞬间完成，变形过程短。目前对于此类地质灾害单纯位移监测发挥作用不大，往往来不及反应就已经崩滑下。这类地质灾害主要受降雨渗入影响，斜坡表层土体含水率增加，容重增大，同时抗剪强度降低，边坡稳定性相对变差，进而产生崩塌、滑坡地质灾害，因此斜坡土体含水率变化直接影响到土体物理力学性质变化，通过监测含水率可以判断斜坡稳定状态，程度，实现提前预警预报；结合降雨量监测，根据长期观测数据，可分析研究斜坡失稳临界含水率及降雨量，同时可分析研究斜坡降雨影响深度，为(类)土质高陡不稳定斜坡地质灾害成因机理研究提供关键数据，可实现地质灾害治理设计更科学、优化。
3.针对土质(类土质)高陡不稳定斜坡地质灾害的监测需要对不同深度土体含水率、土层倾角等多参数同时进行监测，传统的单个含水率监测设备通常只能监测土体的一个深度、一个参数，且在实际应用中，需要多台不同的监测设备配合工作，设备使用量大，占地面积大。另外，传统的监测设备还存在以下不足：(1)多为探针式结构，体积大，不便于深层土体的安装，通常需要人工挖坑至设定深度后再安装，对周边土体扰动大，大多监测数据与实际偏差较大；(2)主要用于农林土壤墒情测量，不适合山体钻探安装；(3)多为线缆直接连接且不设有线缆保护结构，不便于深土层的多节点监测；(4)由于靠探针构成电极，电场集中在探针之间，有效的土体测量体积比较小，检测灵敏度不高；(5)探针直接接触土体，耐久性和防水性不强；(6)无法对不同深度的土体参数同时进行监测。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了多深度岩土含水率、倾斜组合探头及地质灾害监测设备，可对不同深度土体多个参数同时进行监测。本实用新型与市面上现有管式传感器(简称“管式”)、传统针式传感器(简称“针状”)性能对比如下。
[0005][0006][0007]
由表可见，本实用新型监测设备解决了传统单个含水率监测设备无法多点监测不同深度含水率的问题，且为含水率、倾角多参数组合式探头，可同时监测多个参数，在各项监测指标上均优于上述两种传统传感器。
[0008]
本实用新型实现上述目的的技术方案是：多深度岩土含水率、倾斜组合探头，包括圆管状的壳体，所述壳体内沿其轴线设有绝缘的支撑柱，所述支撑柱的长度小于所述壳体的长度，其径向外壁(外侧面)与所述壳体的内壁之间留有间距，所述支撑柱上沿轴向固定套装有两个筒形电极，两个所述筒形电极分别为阳极和阴极，两个所述筒形电极之间留有间距。
[0009]
所述支撑柱可以为圆柱状，也可以为长方体柱状，所述筒形电极沿其轴线设有与所述支撑柱的形状相配合的轴孔。
[0010]
所述壳体可以采用抗压强、防水、抗腐蚀的塑料或金属材料制成，优选采用pvc
‑
u管材。
[0011]
优选的，所述筒形电极呈圆筒形，两个所述筒形电极之间的支撑柱上设有径向向外凸出的环形凸起，两个所述筒形电极分别位于所述环形凸起的两边，所述环形凸起的直径不小于所述筒形电极的外径。
[0012]
优选的，所述支撑柱的两端分别设有与其同心且垂直的支撑圆盘，所述支撑圆盘的径向外缘与所述壳体的内壁之间固定密封连接。
[0013]
优选的，所述支撑圆盘与所述壳体的同侧端部之间填充有密封胶。
[0014]
优选的，所述支撑柱、所述环形凸起与所述支撑圆盘构成的支撑体呈中空结构，所述支撑体的内表面上设有导电金属层，所述导电金属层覆盖所述支撑体的全部内表面积，构成所述支撑体内、外侧空间之间的电屏蔽层。
[0015]
所述导电金属层可以通过在所述支撑体的内表面上镀锌或镀银形成。
[0016]
优选的，所述壳体内设有温度传感器。
[0017]
所述温度传感器优选安装在两个所述筒形电极中的任一个上，有助于热传导采
集。
[0018]
优选的，所述壳体内设有三轴加速度传感器或倾角传感器。
[0019]
地质灾害监测设备，包括若干个监测探头和一个锥形头，所述监测探头采用本实用新型的任一种多深度岩土含水率、倾斜组合探头，若干个所述监测探头依次竖向同轴可拆卸连接，位于最下方的所述监测探头的底端与所述锥形头的顶端同轴可拆卸连接。
[0020]
优选的，所述可拆卸连接方式为相互连接的两个监测探头的对应连接端分别螺纹连接在同一连接套管的两端，位于最下方的所述监测探头的底端与所述锥形头的顶端分别螺纹连接在同一连接套管的两端。
[0021]
进一步的，所述监测探头的壳体的两端外壁上以及所述锥形头的顶端外壁上设有相同的外螺纹，所述连接套管的两端内壁上分别设有与所述外螺纹相配合的内螺纹，所述监测探头与所述连接套管以及所述锥形头与所述连接套管通过相配合的外螺纹与内螺纹连接。
[0022]
优选的，若干个所述监测探头的长度相同或不同，或者若干个所述监测探头分为若干组，同组内的各监测探头的长度相同，不同组的监测探头的长度不同。
[0023]
本实用新型的有益效果是：
[0024]
1、所述地质灾害监测设备集土体含水率、土层倾角和土体温度监测功能于一身，可对不同深度土体含水率、土层倾角和土体温度参数同时进行监测，可实时了解斜坡内部土体物理性质变化情况，判断边坡稳定程度，实现提前预警预报；结合降雨量监测，根据长期观测数据，可分析研究斜坡失稳临界含水率及降雨量，同时可分析研究斜坡降雨影响深度，为(类)土质高陡不稳定斜坡地质灾害成因机理研究提供关键数据，可实现地质灾害治理设计更科学、优化。该监测设备价格低，为普适型地质灾害监测设备，具有广阔应用前景。
[0025]
2、所述多深度岩土含水率、倾斜组合探头通过测量两个所述筒形电极之间的电容形成的振荡回路所产生的信号频率来测量土体介电常数的方式，最终计算土体含水率，可有效保证土体含水率监测数据的准确性，所述支撑柱上的所述环形凸起以及所述支撑体内的所述导电金属层的设置，可有效消除两个所述筒形电极之间的寄生电场，提高电容测量的灵敏度和准确性，从而提高土体含水率监测数据的准确性，土体含水率变化的分辨率可以达到0.1％以上。
[0026]
3、通过对土体温度的监测，可以根据土体的温度特性对土体介电常数的测量结果进行补偿计算校准，进一步提高土体含水率测量数据的准确性。
[0027]
4、所述支撑圆盘的设置，可以有效避免在探头对土体的监测过程中，环境土体和水意外进入探头的内部，对其内部结构造成破坏，所述密封胶的填充，可以进一步提高探头端部的密封性。
[0028]
5、所述地质灾害监测设备可以根据土体的实际监测需要，灵活调整监测探头的数量，能够对不同深度土层的多个监测点的不同土体参数同时进行监测并汇总，工作效率高，相邻的监测探头之间以及监测探头与锥形头之间采用可拆卸的连接方式，拆装方便，便于调整监测设备的长度，监测设备不使用时可拆分成多段，便于携带和储存。
[0029]
6、所述地质灾害监测设备整体呈细长的管状，体积小，便于插入深层土体，使用时只需在监测现场竖直钻孔(孔径较小)并将监测设备插入孔中即可，施工简便快捷，对监测现场的土体结构破坏小，监测精度高。
附图说明
[0030]
图1是本实用新型的所述多深度岩土含水率、倾斜组合探头的结构示意图；
[0031]
图2是本实用新型的所述多深度岩土含水率、倾斜组合探头涉及外部电场线和寄生电场线的原理示意图；
[0032]
图3是本实用新型的所述集成电路板的原理图；
[0033]
图4是本实用新型的所述地质灾害监测设备的结构示意图；
[0034]
图5是本实用新型的所述数据传输装置的原理图。
具体实施方式
[0035]
参见图1和图2，本实用新型公开了一种多深度岩土含水率、倾斜组合探头1，包括圆管状的壳体2，所述壳体的两端敞口，内部为空腔，所述壳体内沿其轴线设有绝缘的支撑柱3，所述支撑柱的长度小于所述壳体的长度，其径向外壁与所述壳体的内壁之间留有间距，所述支撑柱上沿轴向固定套装有两个筒形电极4，两个所述筒形电极分别用作阳极和阴极，两个所述筒形电极之间留有间距并与所述壳体的内壁之间留有间隙。
[0036]
可以通过测量两个所述筒形电极之间的电容形成的振荡回路所产生的信号频率来测量土体介电常数的方式，最终计算土体含水率(土体介电常数与土体水分密切相关)，可有效保证土体含水率监测数据的准确性。
[0037]
所述支撑柱的外形可以为圆柱状，也可以为长方体柱状等，优选采用筒状结构，通常可以是两端敞口，所述筒形电极沿其轴线设有与所述支撑柱的形状相配合的轴孔，便于在所述支撑柱上的套装。通过所述支撑柱将空间分隔为被测空间(外部空间)和内部空间，探头的电路连线和数据传输线可以设置在内部空间内，由所述支撑柱保护，所述支撑柱采用全绝缘材料，一方面可以保证外部空间与内部空间之间没有直流电流，另一方面可以保证两个所述筒形电极之间不会直流导通。
[0038]
所述筒形电极优选呈圆筒形，同轴套装在所述支撑柱上，两个所述筒形电极之间的支撑柱上设有径向向外凸出的环形凸起5，两个所述筒形电极分别位于所述环形凸起的两边，所述环形凸起的直径不小于所述筒形电极的外径。所述环形凸起属于所述支撑柱的一部分，可以单独加工后固定套设在支撑柱的主体部分上，其材质与所述支撑柱(主体部分)的材质相同或不同，为全绝缘材料，其目的是加强两个所述筒形电极之间的隔离。
[0039]
所述壳体内优选设有温度传感器6，用于实现监测点土体温度的探测，温度范围可以为
‑
40℃～85℃，以适应于不同地质环境的土体温度变化。所述温度传感器优选安装在两个所述筒形电极中的任一个上且靠近所述壳体的内壁，也可以直接固定在壳体内壁上，有助于热传导采集。所述温度传感器也可以采用现有技术下适宜的数字传感温度芯片替代。
[0040]
所述壳体内优选设有三轴加速度传感器或倾角传感器，用于实现监测点土层倾角的探测。
[0041]
所述支撑柱的两端优选分别设有与其同心且垂直的支撑圆盘7，可以为圆环形的圆盘，通过其轴向中孔与所述支撑柱的端部配合(例如，固定套设在支撑柱的端部)，当所述支撑柱的端部插接所述圆盘的轴向中孔时，所述轴向中孔分段结构的不等径孔，内段孔套在支撑柱的端部，外段孔的孔径小于支撑柱的端部外径，支撑柱的端部抵靠在内段孔和外段孔之间的环形端面，实现两者的轴向定位和固定，所述支撑圆盘的径向外缘与所述壳体
的内壁之间固定密封连接，主要用于起密封隔离的作用，避免在探头对土体的监测过程中，环境土体和水意外进入探头的内部(指两个所述支撑圆盘之间的空间)，对其内部结构造成破坏。所述支撑圆盘可以属于所述支撑柱的一部分，材质与所述支撑柱的材质相同，为全绝缘材料。所述支撑柱、所述环形凸起与所述支撑圆盘共同构成支撑体，所述支撑体可以采用一体成型的方式制成。
[0042]
所述支撑圆盘外缘(外侧面)与所述壳体(邻接支撑圆盘外缘的壳体内壁)之间优选填充有密封胶，进一步提高探头端部的密封性。所述密封胶可以采用现有技术下任意适宜的树脂型、橡胶型或油基型密封胶。
[0043]
所述支撑体优选呈中空结构，所述支撑体的内表面上设有导电金属层，所述导电金属层覆盖所述支撑体的全部内表面积，构成所述支撑体内、外侧空间之间的电屏蔽层。探头的电路连线和数据传输线可以设在所述支撑体的内部空间内。采用在所述支撑体的内部设有所述导电金属层来实现电屏蔽，一方面可以使探头的电容检测值对内部空间变化不敏感，减少由于内部空间产生的两个所述筒形电极之间的寄生电容，另一方面可以使探头的内部电路被电气地保护，不受外部空间变化影响。
[0044]
作为电场分析的举例，图2中显示两个所述筒形电极之间有物理意义上的4条虚拟的电场线，电场线越密则电场强度越大，而电容值与电场强度正相关，通过外部空间介质的电场线和外部空间物质特性有关，无论外部空间是气体、液体还是固体，3条外部电场线8都穿过，但如果外部空间是固体颗粒物，两个所述筒形电极之间最近的1条寄生电场线9会直接穿过空气连接而不经过固体颗粒，这条寄生电场线贡献的电容成为寄生电容，该寄生电容将导致计算空间固体颗粒的介电值误差，降低了电容检测的灵敏度。所述环形凸起的设置，并且其内部有接地屏蔽层(金属导电层)的隔离，把上述寄生电场值基本变为0，等效寄生电容也基本变为0，相当于消除了寄生电容的影响，由此提高了探头探测外部固体颗粒介质的灵敏度。
[0045]
所述壳体可以采用抗压强、防水、抗腐蚀的塑料或金属材料制成，优选采用pvc
‑
u管材。
[0046]
所述支撑体可以采用聚四氟乙烯制成，具有绝缘性好、耐腐蚀的特点，也可以采用现有技术下其他耐腐蚀且介电常数低的材料制成，例如聚氯乙烯、氟聚化合物、氯聚化合物、氯氟聚化合物或聚对二甲苯等。
[0047]
所述筒形电极可以采用不锈钢或阳极氧化铝材料制成，成本低、耐腐蚀性强，也可以采用现有技术下其他适于用作电极材料的材料制成。
[0048]
所述导电金属层可以采用金属镀银后镀锌涂层。
[0049]
所述多深度岩土含水率、倾斜组合探头可以与适宜的集成电路配套，可以将集成电路板10设置在壳体内，用于各元件(筒形电极和各传感器)的供电、监测结果的数据传输、存储和分析，通常固定设在所述支撑柱上，可以采用导线实现各元件与集成电路板的电路连接。如图3所示，所述集成电路板可以设有嵌入式微处理器(mcu)、fdr含水率传感电路(高频介电反射电路)、温度传感电路、存储单元模块、电源管理模块、蓝牙无线传输模块和rs485接口，各电路、模块及接口分别与所述嵌入式微处理器的相应引脚连接，所述嵌入式微处理器用于采集数据的计算、处理和对各电路、模块进行控制，所述fdr含水率传感电路连接两个所述筒形电极，所述温度传感电路连接所述温度传感器，所述存储单元模块用于
存放传感校准信息(可根据不同土质进行校准补偿计算)和探头的id信息等，所述电源管理模块用于电压转换、系统功耗状态切换和供电，所述rs485接口与所述蓝牙无线传输模块用于与其他设备或装置(例如上位机)进行数据传输通信，二者一用一备。
[0050]
所述三轴加速度传感器或所述倾角传感器可以集成在所述集成电路板上，例如，所述集成电路板上集成有三轴高精度微机电mems加速度计并设有mems加速度电路，所述mems加速度电路与所述嵌入式微处理器的相应引脚连接，通过对重力加速度在不同俯仰角、横滚角的倾角下的投影计算监测点土层倾角变化。
[0051]
所述多深度岩土含水率、倾斜组合探头还设有rs485串口总线11，所述rs485串口总线穿设在所述支撑柱内，其顶端和底端分别伸出两个所述支撑圆盘，两个所述支撑圆盘的外侧面上均设有可供所述rs485串口总线穿过的通孔，所述rs485串口总线的顶端可以设有总线插接头12，底端可以设有总线插接口，便于与其他探头或设备连接。
[0052]
所述rs485串口总线通常为四芯总线，分别为电源线、地线、rx线和tx线，四条线分别与所述集成电路板的相应接线引脚连接，所述支撑体上可以设有供连接导线穿过的穿线孔。
[0053]
参见图4，本实用新型还公开了一种地质灾害监测设备，包括若干个监测探头和一个锥形头13，所述监测探头采用本实用新型的任一种多深度岩土含水率、倾斜组合探头，若干个所述监测探头依次竖向同轴可拆卸连接，位于最下方的所述监测探头的底端与所述锥形头的顶端同轴可拆卸连接。相邻监测探头的rs485串口总线通过对应连接端的总线插接头和总线插接口连接。所述监测设备整体呈细长的管状，体积小，便于插入深层土体。
[0054]
所述地质灾害监测设备采用若干个所述监测探头轴向依次连接的方式，能够对不同深度土层的多个监测点的不同土体参数同时进行监测并汇总，工作效率高。通过调整所述监测探头的数量，可以灵活调整所述监测设备的长度，适于不同深度的监测要求。所述锥形头主要用于减小所述监测设备插入土体时的阻力以及在必要时破开阻碍下插的土体。
[0055]
所述可拆卸连接方式优选为相互连接的两个监测探头的对应连接端(对应连接端的壳体，或称壳体的对应连接端)分别螺纹连接在同一连接套管14的两端，位于最下方的所述监测探头的底端与所述锥形头的顶端分别螺纹连接在同一连接套管的两端，可以在壳体的端部设置外螺纹以实现上述螺纹连接。实现所述可拆卸连接方式的结构为所述监测探头的壳体的两端外壁上以及所述锥形头的顶端外壁上设有相同的外螺纹，所述连接套管的两端内壁上分别设有与所述外螺纹相配合的内螺纹，所述监测探头与所述连接套管以及所述锥形头与所述连接套管通过相配合的外螺纹与内螺纹连接。
[0056]
所述地质灾害监测设备可以与适宜的数据传输装置15配套，将源自各检测探头的监测数据接入所述数据传输装置，依据所配套的数据传输装置功能进行数据处理并对外传输，所述数据传输装置可以通过所述连接套管与位于最上方的所述监测探头的顶端连接，所述数据传输装置的壳体端部设置外螺纹，旋接在相应的连接套管上，由此实现与旋接在相应连接套管另一端的探头的连接，当所述监测设备插入土体时，所述数据传输装置露出地表。如图5所示，所述数据传输装置可以设有嵌入式微处理器(mcu)、无线数据传输模块、存储单元模块、电源管理模块、rtc时钟模块、蓝牙无线传输模块和rs485接口，各电路、模块及接口分别与所述嵌入式微处理器的相应引脚连接，所述嵌入式微处理器用于采集数据的计算、处理和对各电路、模块进行控制，所述无线数据传输模块用于向云平台或上位机传输
汇总的各所述监测探头的监测数据，无线传输的方式可以采用lora、wi
‑
fi、蓝牙、nbiot、或2g/3g/4g/5g等方式，所述存储单元模块用于数据的临时存储，所述电源管理模块用于电压转换、系统功耗状态切换和供电，所述rtc时钟模块用于时间记录，所述rs485接口和所述蓝牙无线传输模块用于与各所述监测探头的相对应的rs485接口和蓝牙无线传输模块进行数据传输通信，二者一用一备。
[0057]
所述地质灾害监测设备可以依据各所述监测探头探测的数据，可以了解土质(类土质)高陡不稳定斜坡内部土体物理性质变化情况，建立起土体含水率与滑坡、崩塌的稳定性的关系模型，判断斜坡稳定程度，实现提前预警预报；结合降雨量监测，根据长期观测数据，可分析研究斜坡失稳临界含水率及降雨量，同时可分析研究斜坡降雨影响深度，为(类)土质高陡不稳定斜坡地质灾害成因机理研究提供关键数据，可实现地质灾害治理设计更科学、优化。
[0058]
若干个所述监测探头的长度可以相同，也可以不同，或者若干个所述监测探头分为若干组，同组内的各监测探头的长度相同，不同组的监测探头的长度不同。如此，可以适应于对监测点的间距有不同要求的情况。通常在地表浅层处的监测点要密集些(相邻监测点的间距较小)，深层的相邻监测点的间距可以相对大一些，例如，在地表以下0
‑
2米内，每间隔0.5米设置一个监测点，2
‑
10内，每间隔1米设置一个监测点，此时，所述监测探头可以采用两种长度，分别为0.5米和1米，所述监测探头的直径通常不超过40mm。
[0059]
在实际应用中，通常将所述监测探头的两个筒形电极之间的竖直连线的中点对应目标深度的监测点。探测深度(监测设备长度)、监测探头数量以及监测点深度可以参考表1。
[0060]
探测深度(监测设备长度)、监测探头数量以及监测点深度参考表
[0061]
探测深度/监测设备长度(单位：m)监测探头数量(单位：个)监测点深度(单位：m)130.5/1/1.5350.5/1/1.5/2/3570.5/1/1.5/2/3/4/5790.5/1/1.5/2/3/4/5/6/79110.5/1/1.5/2/3/4/5/6/7/8/9
[0062]
采用所述地质灾害监测设备在存在地质灾害隐患的山体应用时，应布置在(潜在)地质灾害体主剖面位置且不少于1条，应安装在滑坡主滑段和/或泥石流物源丰富段，每个剖面不少于3个，监测点深度可以根据(潜在)地质灾害体厚度确定。
[0063]
本实用新型的任意一种多深度岩土含水率、倾斜组合探头均可以用于本实用新型的任意一种地质灾害监测设备。
[0064]
本实用新型的任意一种地质灾害监测设备也均可以采用本实用新型的任意一种多深度岩土含水率、倾斜组合探头。