專利名稱：一種地表裂縫的三維測量方法及測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種群策群防對地質(zhì)體表面裂縫的三維測量方法和裝置，其中包含對裂縫表面張裂位移、裂縫下挫高程位移、裂縫主體滑動方向的測量。
背景技術：
目前，滑坡監(jiān)測有許多種，主要有地表位移動態(tài)觀測、深部位移動態(tài)觀測、水文地質(zhì)觀測、地表水文觀測等方法。為了掌握滑坡表面各裂縫部分的動態(tài)變化，需要進行地表位移觀測。觀測方法很多，最常用的方法就是GPS全球定位系統(tǒng)和全站儀，還有就是將GPS接收機與電子全站儀或測量機器人連接在一起，就是所謂的超全站儀或超測量機器人，它是 GPS的實時動態(tài)定位技術與全站儀三維測量技術的完美結合。但是，這兩種測量方法都有難以克服的缺點，那就是在霧天或雨天等條件下，或其它惡劣的天氣條件下，GPS實時動態(tài)定位技術與全站儀三維測量技術都難以實現(xiàn)，且GPS造價高，很難實施大面積的覆蓋監(jiān)測，因此一種造價低廉，可大面積覆蓋監(jiān)測，且精度能夠達到要求的方法和裝置顯的尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有滑坡監(jiān)測方法及設備所存在的不足，本發(fā)明提供一種造價低廉、大面積覆蓋監(jiān)測區(qū)域、三維測量、施工簡單、精度能夠達到群測群防目的的一種滑坡地質(zhì)體表面裂縫的測量方法和裝置。一種地表裂縫的三維測量裝置，主要包括測量機構和安裝機構兩部分，所述測量機構設置在安裝機構上；其中測量機構主要包括測量桶、頂蓋、重錘，轉(zhuǎn)動軸承、定滑輪及其支架、測量游標尺、指北針、下挫角度測量尺和銦鋼絲繩；測量桶筒壁外表面上沿其軸向設置有游標尺，測量桶內(nèi)設置有重錘，筒壁上靠近游標尺處，開有細長通孔，該通孔與游標尺平行設置，從上至下貫穿測量桶的筒壁。重錘上設置有游標尺指針，游標尺指針由測量桶壁上的通孔伸出，用于在測量過程中指示重錘所處的位置；測量桶頂部設置有旋轉(zhuǎn)軸承，固定定滑輪及其支架和頂蓋可在旋轉(zhuǎn)軸承的作用下相對于測量桶旋轉(zhuǎn)，指北針固定設置在頂蓋頂部；頂蓋側(cè)壁上設置有出絲孔，并在出絲孔處設置有下挫角度測量尺；銦鋼絲繩一端固定設置在重錘上，另一端通過定滑輪的支撐由出絲孔穿出，固定在固定物體上。進一步，所述安裝機構包括承接法蘭和測量桶調(diào)平裝置，測量桶調(diào)平裝置設置在安裝法蘭上，測量桶調(diào)平裝置包括安裝平板和調(diào)平旋鈕，調(diào)平旋鈕設置在安裝平板下方，安裝平板上還設置有水準珠，所述測量桶設置在安裝平板上。進一步，所述測量裝置還包括兩個重錘卡釘，所述測量桶的側(cè)壁上靠近底部的位置還設置兩個對稱卡釘孔，兩個所述重錘卡釘分別由兩個卡釘孔中穿入，對重錘進行定位。進一步，所述下挫角度測量尺的測量范圍為-90° +90°，其測量基點與所述出絲孔重合。一種上述測量裝置的測量方法，具體步驟如下
A、在待測坡面上裂縫的兩側(cè)分別設置固定用和測量用的水泥墩臺；B、將測量裝置固定安裝在測量用水泥墩臺上，并將銦鋼絲繩的一端固定在所述固定用水泥墩臺上；
C、將測量裝置調(diào)節(jié)為水平；
D、記錄初始數(shù)據(jù)游標尺指針所指的游標尺刻度，銦鋼絲繩在下挫角度測量尺上所指示的角度和指北針指針所指刻度；
E、在滑坡過程中定期巡查，并記錄步驟D中的三個相關數(shù)據(jù)；每次讀數(shù)前將裝置調(diào)平；
F、通過計算得出滑坡體表面位移、下挫高程和滑動方向三個數(shù)值。進一步，所述步驟A中的固定用水泥墩臺為垂直于水平面設置，所述測量用的水泥墩臺為水平設置。進一步，所述步驟B具體包括下列步驟
Bi、通過承接法蘭將安裝機構固定于被測點的水泥墩臺上；
B2、將裝有重錘的測量桶安裝在安裝機構上，并將重錘滑動卡釘卸下；
B3、將銦鋼絲繩繞過定滑輪由頂蓋的出絲孔中引出，并固定于固定用水泥墩臺上；
B4、將測量桶的頂蓋通過螺釘?shù)确绞焦潭ò惭b在轉(zhuǎn)動軸承上的安裝裝置上；
B5、將指北針固定在頂蓋頂端；
B6、將下挫角度測量尺固定在頂蓋的側(cè)壁上；
進一步，所述步驟C中測量裝置通過調(diào)平旋鈕和水準珠將測量機構調(diào)平。進一步，所述步驟B3中將所述因鋼絲繩固定在固定用水泥墩臺后，其在所述水泥墩臺上的固定點與出絲點之間銦鋼絲繩為水平。


圖1為本發(fā)明中測量裝置的結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明中的測量裝置主要包括測量機構和安裝機構兩部分。其中測量機構主要包括測量桶1、頂蓋2、重錘13，轉(zhuǎn)動軸承7、定滑輪8及其支架、測量游標尺5、指北針3、下挫角度測量尺4和銦鋼絲繩6。測量桶1筒壁外表面上沿其軸向設置有游標尺5，游標尺5的測量精度為0. 02mm。 測量測量桶1內(nèi)設置有重錘13，筒壁上靠近游標尺5處，開有細長通孔，該通孔與游標尺5 平行設置，從上至下貫穿測量桶1的筒壁。重錘13上設置有游標尺指針18，游標尺指針18 由測量桶1筒壁上的通孔伸出，用于在測量過程中指示重錘13所處的位置。為了防止重錘在運輸過程中的擺動而對測量桶1等設備組成部分造成損壞，在測量桶1的側(cè)壁上靠近底部的位置還設置兩個對稱卡釘孔，兩個重錘卡釘14分別由兩個卡釘孔中穿入，對重錘13 進行定位。測量桶1的底部固定在安裝機構上，測量桶1頂部設置有旋轉(zhuǎn)軸承7，旋轉(zhuǎn)軸承 7上設置有一安裝裝置12，用于固定定滑輪及其支架8和頂蓋2，通常，安裝裝置12為一平板。在旋轉(zhuǎn)軸承7的帶動下，定滑輪8及其支架和頂蓋2可相對于測量桶1旋轉(zhuǎn)。指北針3 通過設置在頂蓋2頂部的指北針限位裝置11固定在頂蓋的頂部。頂蓋2側(cè)壁上設置有出絲孔16，并在出絲孔16處設置有下挫角度測量尺4，用于測量測量桶1在下挫過程中的角度變化。下挫角度測量尺4的測量范圍為-90° — +90°其測量基點與出絲孔16重合。
安裝機構包括承接法蘭15和測量桶調(diào)平裝置，測量桶調(diào)平裝置設置在安裝法蘭上，測量桶調(diào)平裝置包括安裝平板19和調(diào)平旋鈕10，調(diào)平旋鈕10設置在安裝平板19下方， 安裝平板19上還設置有水準珠9。測量桶1設置在安裝平板19上。銦鋼絲繩6的一端與重錘13相連，另一端通過定滑輪從頂蓋2側(cè)壁的出絲孔16 中伸出，并固定在固定的物體或基巖體上，例如圖1中所示的固定點7。在整個測量過程中，銦鋼絲繩6的長度不變。在滑坡體下滑的過程中，固定點17和頂蓋2的出絲孔16距離將發(fā)生改變，這個改變值可通過銦鋼絲繩6通過定滑輪8帶動重錘13上下運動，與重錘13連接的游標尺指針 18在游標尺5上的讀數(shù)變化計算得出。即在測量點處游標尺指針18在游標尺5上的讀數(shù)， 減去在滑坡體下滑前，也就是初始點處游標尺指針18在游標尺5上的讀數(shù)，其結果既是滑坡體表面下滑的距離。優(yōu)選的，游標尺5的位移精度可以達到0. 02mm。隨著滑坡的進行，滑坡體上的測量桶1會隨著坡體產(chǎn)生下挫，測量點的銦鋼絲繩6 與水平面之間將產(chǎn)生一個角度增量的變化，這個角度變化即為測量點上銦鋼絲繩6在角度測量尺4上指示的角度，與初始點銦鋼絲繩6在角度測量尺4上指示的角度之差.優(yōu)選的， 測量尺的測量精度為0. 1度，如果初始點所指示的角度為0度，則在測量點上銦鋼絲繩6在角度測量尺4上指示的角度即為其在下滑過程中所產(chǎn)生的角度增量。在滑坡進行的過程中，不僅坡體會產(chǎn)生上下的挫動，在水平方向上也會有左右的角度變化，該角度可通過設置在頂蓋2上的指北針3進行測量。隨著坡體下滑而在水平左右產(chǎn)生角度，銦鋼絲繩6帶動頂蓋2轉(zhuǎn)動，而指北針3位置始終指向北，因此，指北針3的指針所旋轉(zhuǎn)的角度，即為下滑坡體在水平方向上轉(zhuǎn)移的角度，優(yōu)選的，指北針的測量精度為 0. 1 度。在滑坡的進行過程中測量桶1會產(chǎn)生不定向的傾斜，影響測量精度，測量桶1底部的調(diào)平裝置解決了這一問題，每次人工讀數(shù)前都要將測量桶1調(diào)整成為水平狀態(tài)，以達到讀數(shù)的精確性。測量桶1以及頂蓋2均采用工程塑料ABS制成，ABS材料的強度高，且質(zhì)量輕運輸方便，總造價成本低廉，符合野外監(jiān)測的要求。另外，由于工程塑料ABS不是金屬因此不會對指北針3造成任何影響。定滑輪以及滑輪支架8采用尼龍材料，可實現(xiàn)耐磨和質(zhì)量輕、價格低、對指北針無影響的目的。裂縫表面張裂位移、裂縫下挫高程位移、裂縫主體滑動方向的測量及計算方法 初始安裝狀態(tài)
初始兩點間鋼絲長度=L初始下挫角度測量尺角度=α 初始指北針示數(shù)=β 游標尺數(shù)據(jù)變化=AL下挫角度測量尺角度變化=Δ α 指北針變化后示數(shù)=β 1 初始裂縫表面張裂位移Ll= Lcosa 初始裂縫下挫高程位移L2= Lsina 初始裂縫主體滑動方向=β 當數(shù)據(jù)變化時候
裂縫表面張裂位移=L1- (L+L) cos a = ALl 裂縫下挫高程位移=L2- (L+L) sin α = Δ L2 裂縫主體滑動方向(偏移角度)=β - β 1= Δ β具體測量步驟如圖1中所示，
(1)在待測坡面20上設置固定用和測量用的水泥墩臺(圖中未顯示)；固定用水泥墩臺 22通常為垂直與水平面設置，而測量用的水泥墩臺通常為水平設置，注意，要將固定用水泥墩臺和測量用水泥墩臺分別設置在坡面20的裂縫21的兩側(cè)；
(2)通過承接法蘭15將安裝機構固定于被測點的水泥墩臺上；
(3)將裝有重錘13的測量桶1安裝在安裝機構上，并將重錘滑動卡釘14卸下；
(4)將銦鋼絲繩6繞過定滑輪8由頂蓋2的出絲孔16中引出，并固定于固定用水泥墩臺22上，優(yōu)選的，固定后，在固定點17與出絲點16之間銦鋼絲繩6為水平。并且其另一端連接的重錘13至于起始位置；即該初始位置為游標尺5的0刻度位置。(5)將測量桶的頂蓋2通過螺釘?shù)确绞焦潭ò惭b在轉(zhuǎn)動軸承7上的安裝裝置17 上；
(6)將指北針3通過指北針限位卡11安裝在測量桶頂蓋上；
(7)將下挫角度測量尺4固定在頂蓋2的側(cè)壁上；
(8)通過調(diào)平旋鈕10和水準珠9將測量機構調(diào)平；
(9)記錄初始數(shù)據(jù)游標尺指針18所指的游標尺5刻度，銦鋼絲繩6在下挫角度測量尺4上所指示的角度和指北針3指針所指刻度；
(10)在滑坡過程中定期巡查，并記錄步驟(9)中的三個相關數(shù)據(jù)；注意每次讀數(shù)前將裝置調(diào)平。(11)通過計算得出滑坡體表面位移、下挫高程和滑動方向三個數(shù)值。使用本發(fā)明中的測量裝置，并通過上述測量方法，能夠很方便快捷的測量在山體滑坡中裂縫表面張裂位移、裂縫下挫高程位移、裂縫主體滑動方向的測量。
權利要求
1.一種地表裂縫的三維測量裝置，其特征為，該測量裝置主要包括測量機構和安裝機構兩部分，所述測量機構設置在安裝機構上；其中測量機構主要包括測量桶、頂蓋、重錘， 轉(zhuǎn)動軸承、定滑輪及其支架、測量游標尺、指北針、下挫角度測量尺和銦鋼絲繩；測量桶筒壁外表面上沿其軸向設置有游標尺，測量桶內(nèi)設置有重錘，筒壁上沿軸向設置有通孔；重錘上設置有游標尺指針，游標尺指針由測量桶壁上的通孔伸出，用于在測量過程中指示重錘所處的位置；測量桶頂部設置有旋轉(zhuǎn)軸承，定滑輪及其支架和頂蓋可在旋轉(zhuǎn)軸承的作用下相對于測量桶旋轉(zhuǎn)，指北針固定設置在頂蓋頂部；頂蓋側(cè)壁上設置有出絲孔，并在出絲孔處設置有下挫角度測量尺；銦鋼絲繩一端固定設置在重錘上，另一端通過定滑輪的支撐由出絲孔穿出，固定在固定物體上。
2.根據(jù)權利要求1中所述測量裝置，其特征為，所述安裝機構包括承接法蘭和測量桶調(diào)平裝置，測量桶調(diào)平裝置設置在安裝法蘭上，測量桶調(diào)平裝置包括安裝平板和調(diào)平旋鈕， 調(diào)平旋鈕設置在安裝平板下方，安裝平板上還設置有水準珠，所述測量桶設置在安裝平板上。
3.根據(jù)權利要求1中所述測量裝置，其特征為，所述測量裝置還包括兩個重錘卡釘，所述測量桶的側(cè)壁上靠近底部的位置還設置兩個對稱卡釘孔，兩個所述重錘卡釘分別由兩個卡釘孔中穿入，對重錘進行定位。
4.根據(jù)權利要求1中所述測量裝置，其特征為，所述下挫角度測量尺的測量范圍為-90 -+90，其測量基點與所述出絲孔重合。
5.一種使用權利要求1中所述測量裝置的測量方法，其特征為，具體步驟如下 A在待測坡面上裂縫的兩側(cè)分別設置固定用和測量用的水泥墩臺；B將測量裝置固定安裝在測量用水泥墩臺上，并將銦鋼絲繩的一端固定在所述固定用水泥墩臺上；C將測量裝置調(diào)節(jié)為水平；D記錄初始數(shù)據(jù)游標尺指針所指的游標尺刻度，銦鋼絲繩在下挫角度測量尺上所指示的角度和指北針指針所指刻度；E在滑坡過程中定期巡查，并記錄步驟D中的三個相關數(shù)據(jù)；每次讀數(shù)前將裝置調(diào)平； F通過計算得出滑坡體表面位移、下挫高程和滑動方向三個數(shù)值。
6.根據(jù)權利要求5中所述測量方法，其特征為，所述步驟A中的固定用水泥墩臺為垂直于水平面設置，所述測量用的水泥墩臺為水平設置。
7.根據(jù)權利要求5中所述測量方法，其特征為，所述步驟B具體包括下列步驟 Bi、通過承接法蘭將安裝機構固定于被測點的水泥墩臺上；B2、將裝有重錘的測量桶安裝在安裝機構上，并將重錘滑動卡釘卸下；B3、將銦鋼絲繩繞過定滑輪由頂蓋的出絲孔中引出，并固定于固定用水泥墩臺上；B4、將測量桶的頂蓋通過螺釘?shù)确绞焦潭ò惭b在轉(zhuǎn)動軸承上的安裝裝置上；B5、將指北針固定在頂蓋頂端；B6、將下挫角度測量尺固定在頂蓋的側(cè)壁上。
8.根據(jù)權利要求5中所述測量方法，其特征為，所述步驟C中測量裝置通過調(diào)平旋鈕和水準珠將測量機構調(diào)平。
9.根據(jù)權利要求7中所述測量方法，其特征為，所述步驟B3中將所述因鋼絲繩固定在固定用水泥墩臺后，其在所述水泥墩臺上的固定點與出絲點之間銦鋼絲繩為水平。
全文摘要
一種地表裂縫的三維測量裝置主要包括測量機構和安裝機構，所述測量機構設置在安裝機構上；測量機構主要包括測量桶、頂蓋、重錘，轉(zhuǎn)動軸承、定滑輪及其支架、測量游標尺、指北針、下挫角度測量尺和銦鋼絲繩；測量桶筒壁設置有游標尺，測量桶內(nèi)設置有重錘，游標尺指針設置在重錘上并由測量桶壁上的通孔伸出，測量桶頂部設置有旋轉(zhuǎn)軸承，定滑輪及其支架和頂蓋可在旋轉(zhuǎn)軸承的作用下相對于測量桶旋轉(zhuǎn)，指北針固定設置在頂蓋頂部；頂蓋側(cè)壁上設置有出絲孔，出絲孔處設置有下挫角度測量尺；銦鋼絲繩一端固定設置在重錘上，另一端通過定滑輪的支撐由出絲孔穿出，固定在固定物體上。本發(fā)明還包括使用上述測量裝置進行測量的方法。
文檔編號G01C5/00GK102168939SQ20111000895
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2011年1月17日
發(fā)明者喬寶娟, 侯岳峰, 劉曉宇, 李世海 申請人:中國科學院力學研究所