GNSS技術(shù)在地震災(zāi)區(qū)滑邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

寧德懷，董 燕*，柳志云，劉 艷

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.中國水利顧問集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650093)

GNSS技術(shù)在地震災(zāi)區(qū)滑邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

寧德懷1，董 燕1*，柳志云2，劉 艷1

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.中國水利顧問集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650093)

地震會導(dǎo)致大量的滑坡出現(xiàn)，滑坡邊坡失穩(wěn)會導(dǎo)致重大的次生災(zāi)害發(fā)生。利用GNSS技術(shù)在魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)紅石巖段滑坡右岸表面建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)，布設(shè)6套監(jiān)測點(diǎn)，通過對數(shù)據(jù)的采集處理，對數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變形量及精度進(jìn)行解算，提取出監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)變形量，作累計(jì)位移統(tǒng)計(jì)，繪制位移變化過程線，分析滑坡體表面的垂直位移和水平位移變化規(guī)律，并結(jié)合人工測縫和自動測縫實(shí)測資料以及滑坡變形監(jiān)測技術(shù)要求，對滑坡體表面進(jìn)行監(jiān)測和分析，得出該滑坡山體穩(wěn)定、沒有明顯趨向性變形的結(jié)論。

滑坡監(jiān)測； GNSS； 位移統(tǒng)計(jì)； 變形分析

在我國，每逢地震發(fā)生，都會伴隨大量的山體滑坡發(fā)生。滑坡體在自身重力及雨水產(chǎn)生的水壓力等內(nèi)、外因素作用下，會使土體向某個方向發(fā)生變形并向下滑動。滑坡被認(rèn)為是僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害[1]，造成的經(jīng)濟(jì)損失往往不可估量，嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。滑坡與其他自然災(zāi)害一樣，有其特殊的分布和演化規(guī)律[2]。因此，如何對滑坡區(qū)域進(jìn)行科學(xué)有效、準(zhǔn)確及時的分析與預(yù)測就變得相當(dāng)重要，也具有非常重要的研究價值。

1 研究背景

2014年8月，魯?shù)榘l(fā)生6.5級強(qiáng)震。災(zāi)區(qū)地處云南高山區(qū)域，地殼活動活躍，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致該區(qū)域地震頻發(fā)。此次地震伴隨大量降雨，在地震力及強(qiáng)降雨滲透等因素的共同作用下，牛欄江干流紅石巖河段兩岸土體的摩擦力減小，抗剪強(qiáng)度降低，加之重力的作用，造成滑坡體失穩(wěn)，導(dǎo)致大量山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生。在了解災(zāi)區(qū)地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及附近相關(guān)水利設(shè)施工程布置地點(diǎn)后，通過現(xiàn)場踏勘得知，右岸滑坡多以碎石塊為主，主要為弱風(fēng)化灰?guī)r。據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩岸滑坡總方量約1 200萬m3。強(qiáng)震后通常會伴隨余震，加之右岸滑坡碎石塊較粗，塊徑30 cm以上的約占45%，如果發(fā)生次生災(zāi)害，后果不堪設(shè)想。為了避免重大次生災(zāi)害事故的發(fā)生，以免牛欄江干流堰塞湖潰壩威脅救援人員的生命安全，特采用GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)地監(jiān)測滑坡區(qū)域的三維空間位置變化。

2 滑坡變形監(jiān)測的方法

滑坡變形監(jiān)測主要采用簡易觀測法、設(shè)站觀測法、儀表觀測法和遠(yuǎn)程監(jiān)測法等[3]。其中，屬于遠(yuǎn)程監(jiān)測法的GNSS技術(shù)在災(zāi)后變形監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。GNSS技術(shù)是全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的簡稱，主要指中國的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BDS)、美國的GPS、俄羅斯的GLONSSS和歐洲的Galileo[4]。GNSS技術(shù)可直接獲得監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)變形量和同一滑坡面上兩點(diǎn)間的基線數(shù)據(jù)，能更準(zhǔn)確全面地統(tǒng)計(jì)位移變形值。各種滑坡變形監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

3 GNSS技術(shù)在本案例監(jiān)測中的技術(shù)要求

應(yīng)用GNSS技術(shù)監(jiān)測滑坡體的三維變形量，通常包括布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析等3個階段。在本次監(jiān)測工作中，由于已滑區(qū)域極度不穩(wěn)定，所以將基準(zhǔn)點(diǎn)和工作點(diǎn)埋設(shè)在滑坡區(qū)域以外的顯著特征點(diǎn)上。為了便于分析和研究滑坡走勢，特將Y軸方向與滑坡總體位移方向基本保持一致。同時，GNSS監(jiān)測點(diǎn)在貫通性裂縫與山崖線間均勻布設(shè)觀測墩，避開樹林茂密區(qū)，具有良好的天空觀測環(huán)境。

表1 滑坡變形監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.1 監(jiān)測項(xiàng)目的范圍和內(nèi)容

震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害破壞嚴(yán)重，范圍較廣，只能先對重點(diǎn)部位，即紅石巖滑坡段左右岸邊坡和庫區(qū)的珍珠泉滑坡區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。魯?shù)榭h地處高山區(qū)，監(jiān)測區(qū)域地勢陡峭，坡度在70°～90°[5]，某些地方還有倒懸的土石體，是一個非常危險的落石地段，利用常規(guī)的全站儀是不可能布設(shè)儀器監(jiān)測的，本研究主要利用右岸布設(shè)的6個GNSS測點(diǎn)(圖1)。此外，在有代表性的裂縫處布設(shè)12支自動測縫計(jì)，用以統(tǒng)計(jì)分析裂縫的發(fā)展趨勢。

圖1 滑坡體表面監(jiān)測點(diǎn)的布置

3.2 儀器的選擇和實(shí)施措施

地震后常會產(chǎn)生余震和強(qiáng)降雨，滑坡區(qū)域本身就處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不穩(wěn)定因素很強(qiáng)。為了保證相關(guān)儀器設(shè)備的安全，儀器的選擇應(yīng)盡可能輕量化、自動化、一體化，以便有危險發(fā)生時能快速撤離作業(yè)現(xiàn)場。作業(yè)現(xiàn)場巖體松散，交通不便，危險系數(shù)大；為了保證施測人員的安全，所有人必須穿戴安全防護(hù)裝備，并設(shè)專門的安全員瞭望。

3.3 監(jiān)測頻次

監(jiān)測過程中，自動測縫計(jì)采集數(shù)據(jù)周期固定為1 h。GNSS變形監(jiān)測采集頻次為1 Hz，實(shí)采實(shí)發(fā)，測值解算時間根據(jù)現(xiàn)場情況采用2、4、6、24 h間隔測值。

3.4 精度要求

依據(jù)《工程測量規(guī)范》《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測規(guī)范》等相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程，滑坡監(jiān)測點(diǎn)的精度要求如下：剛性巖質(zhì)，水平位移點(diǎn)中誤差不超過6 mm，垂直沉降高程中誤差不超過3 mm，地表面裂縫觀測中誤差不超過0.5 mm；松軟土質(zhì)，水平位移點(diǎn)中誤差不超過12 mm，垂直沉降高程中誤差不超過10 mm，地表面裂縫觀測中誤差不超過5 mm。

4 滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析

4.1 測縫計(jì)縫寬變形統(tǒng)計(jì)分析

鑒于訂購儀器未能及時運(yùn)達(dá)現(xiàn)場，在正式監(jiān)測前，為了盡快取得第一手現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)，特于右岸布設(shè)9組簡易測縫標(biāo)志，實(shí)行人工測縫，結(jié)果如圖2所示。如圖3所示，自動測縫所對應(yīng)Ⅰ期數(shù)據(jù)為2014年11月28日累計(jì)縫寬值，Ⅱ期數(shù)據(jù)為2014年12月5日累計(jì)縫寬值，累計(jì)縫寬精確至0.1 mm。

圖2 人工測縫寬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 自動測縫寬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖2可知，自2014年8月24日至9月15日，在近20 d的時間里，右岸最具代表性的貫通性裂縫累計(jì)變化量幾乎為0。這說明裂縫沒有出現(xiàn)明顯開合，裂縫兩邊相對比較穩(wěn)定。

由圖3分析可得，自2014年11月28日至12月5日的一周時間內(nèi)，12組裂縫寬度的周變化量均小于1 mm。累計(jì)縫寬較大的是JL- 01號測點(diǎn)和JL- 03號測點(diǎn)，累計(jì)縫寬值分別為5.34和2.82 mm。JL- 05號測點(diǎn)和JL- 06號測點(diǎn)分別減小2.15和2.09 mm。由此可見，自開始監(jiān)測到12月5日，裂縫開合度變化很小，沒有明顯變化趨勢，裂縫兩邊相對穩(wěn)定。

4.2 GNSS滑坡監(jiān)測點(diǎn)變形分析

采用HGO軟件，引用10 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，HSYR- 06的坐標(biāo)變形量和精度見表2。測點(diǎn)累計(jì)位移統(tǒng)計(jì)見表3。其中，X軸以牛欄江上游為正，從HSYR- 01號點(diǎn)指向HSYR- 06號點(diǎn)方向。為了便于分析滑坡走向趨勢，特將Y軸方向指向?qū)Π蹲蟀稙檎琀軸垂直于X、Y軸組成的平面，為豎向。

表2 HSYR- 06坐標(biāo)變形量和精度

表3 GNSS測點(diǎn)累計(jì)位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3分析可知，周變化量在X向上最大為HSYR- 05測點(diǎn)，3.8 mm，最小為HSYR- 01測點(diǎn)，-1.3 mm；Y向最大為HSYR- 01測點(diǎn)，8.4 mm，最小為HSYR- 04測點(diǎn)，-3.3 mm；H向最大為HSYR- 05測點(diǎn)，17.0 mm，最小為HSYR- 01測點(diǎn)，0.5 mm。在周變化速率方面：水平位移變形最快的是HSYR- 01測點(diǎn)，達(dá)1.2 mm·d-1；垂直方向變化速率最快的是HSYR- 05測點(diǎn)，達(dá)2.4 mm·d-1。但從總體趨勢上看，所有測點(diǎn)的變化速率均在可控范圍內(nèi)，看不出較大的變形趨勢。這說明在監(jiān)測時段內(nèi)，滑坡區(qū)域邊坡趨于穩(wěn)定。

結(jié)合表2～3分析得知，滑坡區(qū)域右岸邊坡GNSS測點(diǎn)未出現(xiàn)異常變形。值得一提的是，GNSS技術(shù)在豎直位移分量上采集的數(shù)據(jù)精度一般較低，要比X、Y分量的精度低1倍左右；所以，如果考慮這個因素，那么對于測點(diǎn)HSYR- 05和HSYR- 06，其豎直方向的沉降值完全在穩(wěn)定范圍內(nèi)，認(rèn)為地面沉降沒有明顯變形，滑坡邊坡區(qū)域穩(wěn)定。

HSYR- 01和HSYR- 06的三維位移變化過程線見圖4～5，其中豎向的變形值可取一半左右作為參考。先將每天所采集的數(shù)據(jù)在三維分量上分別求平均值，然后再繪制GNSS監(jiān)測點(diǎn)三維方向的“時間—位移”變形過程線。也就是說，將每個測點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為一天一個三維坐標(biāo)變形值，再繪制變形曲線圖。

由圖4及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，自2014年9月始至監(jiān)測期結(jié)束期間，GNSS監(jiān)測點(diǎn)HSYR- 01在X向的最大變形值為22.61 mm，最終累計(jì)變形值為-16.45 mm，在Y向的最大變形值為14.24 mm，最終累計(jì)變形值為6.5 mm，在H向的最大變形值為31.6 mm，最終累計(jì)變形值為8 mm。這說明，HSYR- 01測點(diǎn)在連續(xù)8個月的監(jiān)測過程中，變形值雖稍大，但監(jiān)測點(diǎn)沒有明顯變形趨勢，HSYR- 01號測點(diǎn)在觀測時段內(nèi)趨于穩(wěn)定。

圖4 HSYR- 01位移變化過程線

圖5 HSYR- 06位移變化過程線

由圖5及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，GNSS監(jiān)測點(diǎn)HSYR- 02、HSYR- 03、HSYR- 04、HSYR- 05、HSYR- 06均未出現(xiàn)異常變形，除HSYR- 05和HSYR- 06在豎向上有所偏大，三維方向上的其他最終累計(jì)變形值均在10 mm以內(nèi)，GNSS測點(diǎn)的平面位移較小，沒有明顯的變形趨勢，滑坡表面在觀測時段內(nèi)穩(wěn)定。

5 小結(jié)

通過魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)滑邊坡監(jiān)測的實(shí)例，驗(yàn)證了GNSS技術(shù)完全適用于在地形條件復(fù)雜的山區(qū)做滑坡變形監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：GNSS監(jiān)測點(diǎn)的平面位移變化較小，沒有明顯的變形趨勢，滑坡區(qū)域表面穩(wěn)定；GNSS監(jiān)測的水平位移精度與常規(guī)大地測量相當(dāng)，完全滿足高山區(qū)域滑坡變形監(jiān)測的精度要求；由于地球表面各種復(fù)雜因素的影響，GNSS在高程測量方面存在局限，高程測量精度可取水平位移分量1倍左右作為參考；GNSS技術(shù)能獲取較高精度的數(shù)據(jù)，具有自動化晝夜連續(xù)監(jiān)測的能力，適合應(yīng)用于地震災(zāi)區(qū)滑、邊坡應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

2016- 10- 19

寧德懷(1987—)，男，云南宣威人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)與開發(fā)應(yīng)用，E- mail:584059501@qq.com。

董 燕(1974—)，女，云南石屏人，副教授，碩士，研究方向?yàn)镚IS開發(fā)與應(yīng)用，E- mail:dongyanchina@sina.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170347

P228.4

B

0528- 9017(2017)03- 0514- 04

文獻(xiàn)著錄格式：寧德懷，董燕，柳志云，等. GNSS技術(shù)在地震災(zāi)區(qū)滑邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(3)：514- 517.