基于自動化監測的北京高麗營地裂縫活動性分析

王海剛，楊 艷，劉明坤，賈三滿，田 芳

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 北京市地質環境監測總站，北京 100195）

基于自動化監測的北京高麗營地裂縫活動性分析

王海剛1,2，楊 艷1,2，劉明坤1,2，賈三滿1,2，田 芳1,2

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 北京市地質環境監測總站，北京 100195）

高麗營地裂縫是近年來北京地區發育最活躍地裂縫之一，造成了嚴重的房屋墻體及道路破壞。通過采用KLA-1型地表位移自動化遙測系統對地裂縫進行實時自動化監測，結果顯示：該地裂縫具有三維活動特點，發育具有周期性，并受黃莊—高麗營斷裂控制；同時也證實KLA-1型地表位移自動化遙測系統在地裂縫監測方面的實時和準確性，對地裂縫地質災害監測與防治具有推廣應用意義。

地質災害；地裂縫；自動化監測

高麗營地裂縫是北京地區發育最強烈的地裂縫，造成大量建筑物損壞和道路破壞，已影響了人們的正常生產生活。已有研究表明，該地裂縫與黃莊—高麗營斷裂有密切關系；探槽開挖揭示該斷裂已錯斷全部第四紀地層，斷裂面直達地表，地表斷面與地裂縫位置相一致；地裂縫形成原因是斷裂蠕滑變形與地面差異沉降共同作用的結果[1～3]。為查清該地裂縫的具體活動特征，對其進行監測顯得尤為重要。

現代測控技術的應用是防治地質災害及保障城市安全的重要途徑[4]。目前國內外對地裂縫監測主要采用水準測量、裂縫計、GPS監測、InSAR監測等手段[5-9]。監測工作能夠反映地裂縫活動特征和規律，通過數據分析，有助于對其成因、發育程度、發展變化趨勢進行深入研究。

1 高麗營地裂縫概況

高麗營地裂縫最早發現于20世紀90年代。其由西王路，經唐自頭村、京承高速，穿土溝村、北七家衛生院直至八仙別墅一線（圖1），發育長度約6km，走向與黃莊-高麗營斷裂一致；裂縫帶寬度30～70m，兩側地形呈西北高、東南低態勢。裂縫造成了房屋墻體和京承高速等道路嚴重破壞。從單點破壞特征來看，地裂縫帶上住房墻體及墻基地坪開裂均表現為東南側相對下降，西側相對上升且有水平扭動，呈現右旋特征，與黃莊—高麗營斷裂東南盤下降，西北盤上升，呈正斷順扭性質相一致。

2 地裂縫自動化監測技術

圖1 高麗營地裂縫平面分布圖Fig.1 The location of Gaoliying ground fissure

本次對高麗營地裂縫監測采用KLA-1型地表位移自動化遙測系統技術。該系統由中國科學院力學研究所自主研發，由位移傳感裝置、數據采集發射模塊、數據接收處理終端三部分組成，可實時測量地表相對位移。

2.1 監測原理與方法

（1）位移傳感裝置

位移傳感是一種雙向位移測量裝置（圖2），利用不動點與監測點的相對位置變化，得到每一監測點的相對位移量。具體方法是在地表不動點及監測點處各建一高臺，臺上安裝位移測量設備，用細鋼絲將不動點設備與監測點相連；在不動點測量設備內部裝有滑輪式角度傳感器，鋼絲繞過滑輪后與重錘相連；當兩點發生相對位移時（靠近或遠離不動點），在重錘的衡力作用下，角度傳感器的角度將發生改變，通過角度變化量即可計算出兩點間的位移量。第1個監測點上的測量設備與第2個監測點相連便可測量1、2點間的相對位移量，以此類推，用一個不動點就可測量一條軸線上各個監測點的位移。

圖2 地裂縫位移監測工作原理Fig.2 The principle of automated monitoring system for surface displacement of ground fissure

（2）數據采集發射模塊

該模塊通過中國移動蜂窩網絡實現各種模擬量、數字量及開關量的遠程通訊，是現場數據采集技術、采集頻率控制技術及GSM短信技術三者相結合的智能型報警模塊。該模塊全部選用超低功耗器件，適合野外數據采集。由于系統本身有1MB的數據存儲能力，同時支持U盤數據功能，在沒有手機信號的地區，采集發射模塊可由內部自帶的外存設備將數據存儲起來，一般可存儲5年的數據。

（3）數據接收處理終端

此終端由用于數據接收的硬件及用于數據檢索、圖表繪制的軟件組成。硬件采用RJ45接口，使得處于同一局域網段內的所有計算機均可實時接收數據，實現一個硬件多人訪問的功能。軟件可實現時間段數據檢索、地表位移-時間曲線圖繪制、監測點管理、遠程控制等功能，軟件的數據曲線及遠程控制截圖如圖3所示。

2.2 監測儀器布設

該實時遙測系統已在重慶、貴州等地的滑坡、泥石流、高陡邊坡、危巖體的監測中得到成功應用[10～12]，并取得良好效果。但邊坡、滑坡等的監測只是針對一維位移變化，而野外調查發現高麗營地裂縫具有三維活動特點，為此對該系統進行了改進和創新，設計了三維地裂縫監測系統。

監測儀器的設置，是在地裂縫下盤安裝一個基準點，上盤分別安裝三個位移傳感裝置，其中豎直位移傳感裝置1處、水平位移傳感裝置2處，監測設施具體布置如圖4。

圖3 自動化遙測數據處理系統Fig.3 The data processing software of automated monitoring system

圖4 三維地裂縫監測系統布設示意Fig.4 The installation sketch of 3D automated monitoring system for ground fissure

將位移傳感裝置和數據采集發射模塊安裝在野外監測站探槽內，數據接收處理終端放置在辦公室內，利用接收短信的形式進行遠程數據自動采集與監測。采用相關軟件對監測數據實行管理，并對原始數據進行計算，獲得相應變形成果，并繪制有關數據曲線。

3 監測成果分析

3.1 測點位移解算

為更好地反映地裂縫三維活動規律，建立相對坐標系統，即沿地裂縫延展方向為X軸，表示水平扭動方向；垂直于地裂縫延展方向為Y軸，表示水平拉張方向；垂直于地表平面為Z軸，表示垂直差異沉降方向。

垂直差異沉降的變化，利用豎直位移傳感裝置直接測量取得；而水平拉張和水平扭動，則要通過二元距離交會法測得。

二元距離交會法，就是利用三條邊（其中，兩個已知點AB固定不變，而P為變化點），根據AP、BP邊的距離實時變化，最后計算出P點的坐標變化情況（圖5）。

圖5 二元距離交會原理示意Fig.5 The principle sketch of binary distance intersection method

3.2 地裂縫活動性的三維變化特征

該自動化遙測系統自2009年8月建成運行，監測頻率為1次/30分鐘，截至2012年11月，已成功積累大量原始數據。監測結果顯示，水平扭動量、水平拉張量、垂直差異沉降量，三者的變化值比例為1:2.5:4.6。其中，水平扭動方向的累計變形量達6.10mm、水平拉張方向的累計變形量達15.18mm、垂直差異沉降的累計量為28.35mm，反映出該地裂縫具有明顯的三維活動特征。

在垂直方向上，地裂縫上盤呈相對下降趨勢；而在水平方向上，具有明顯的水平右旋和水平拉張特點。三維活動量中，垂直差異沉降量最大，水平拉張變化量次之，水平扭動變化量最小（圖6）。高麗營地裂縫三維活動特點與黃莊—高麗營斷裂活動特征相一致，充分證明該地裂縫受斷裂控制的以往認識和判斷結論。

圖6 地裂縫活動的三維變化累計曲線Fig.6 The accumulative curves of 3D movement of ground fissure

從監測時段內的地裂縫變化過程可看出，其發展變化具有年度周期性規律。水平扭動方向基本上呈現一個擺動狀態，每年1～4月份處于相對左旋狀態，而每年5～12月份則處于相對右旋狀態（圖7a）；水平拉張方向也基本呈擺動狀態，每年1～4月份處于相對緊縮狀態，每年5～12月份則處相對拉張狀態（圖7b）；垂直方向上，每年4～6月為其活躍期，變化量很大，而7月至次年3月則屬相對靜止期，變化量很小（圖7c）。這些動態變化特征，說明地裂縫的活動也受其它因素影響，并與其具有相關性。

圖7 地裂縫活動年度變化對比曲線Fig.7 The Annual change comparison curves of 3D movement of ground fissure(a: horizontal twist; b: horizontal strain; c: vertical direction)

4 結語

地裂縫活動特性的準確把握有助于分析其變化特征、發展規律與制約影響因素，自動化監測系統是重要的技術手段，對地裂縫地質災害的研究與防治具有促進作用。

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Analysis of the Activity of the Gaoliying Ground Fissure (Beijing), Based on Automatic Monitoring

WANG Hai-Gang1,2, YANG Yan1,2, LIU Ming-Kun1,2, JIA San-Man1,2, TIAN Fang1,2
(1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China;
2. Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100195, China)

The Gaoliying ground fissure is one of the most active ground fissures in the Beijing area, and has caused damage to infrastructure, including walls and roads. The KLA-1 surface displacement automatic telemetering system was used to conduct real-time automatic monitoring of the fissure. The results of the testing reveal that the Gaoliying ground fissure shows periodic activity in three dimensions, and that its activity is controlled by the Huangzhuang-Gaoliying Fault. The findings confirm that the KLA-1 telemetering system accurately monitors the ground fissure in real time, and that the system is helpful not only for monitoring activity but also for potentially preventing a disaster caused by ground fissure activity.

geological hazard; ground fissure; automated monitoring

P642.27

A

2095-1329(2013)02-0064-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.015

2013-03-26

2013-04-19

王海剛(1980-),男,碩士,主要從事地質工程與地質災害研究.電子郵箱：whg_8232@163.com

聯系電話：010-51560312

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2006CB708405);中國地質調查局項目(1212010540902,121 2010814044,1212011220180)