GNSS監測系統在開頂滑坡體快速滑移期的應用

何 領 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

開頂滑坡體位于四川省丹巴縣格宗鄉開繞村格宗背斜的北東翼，距離猴子巖水電站壩址約15 km，S211省道從滑坡體下通過，道路以下為猴子巖水電站水庫。滑坡體地區為高山峽谷地貌，地形呈西高東低，總體向大渡河傾斜，自然地面橫坡坡角為30°～35°。滑坡體沿S211省道橫河方向寬度約為460 m，順河方向長490 m，滑坡體分布高程為2 080～1 840 m，滑坡體淺表部分為崩坡積層大孤石和碎石土，下伏基巖為志留系綠片巖、含有千枚巖，初步分析推測滑坡體變形機制為基巖順層滑移拉裂破壞，滑動斷層深度約25 m，滑坡體前緣高程位于庫水位以下，總體積約為400萬m3。

2 開頂滑坡體GNSS監測系統的布置

2017年8月，猴子巖水電站巡庫人員發現開頂區域高擋墻出現變形， 11月后變形增大，省道路面與路肩墻間裂縫變大，路面出現多條縱向裂縫與斜向裂縫。為監測開頂滑坡體的變形情況，2017年11月底，水電七局安全監測項目部開始在開頂滑坡體建設GNSS監測系統，2017年12月完成GNSS土建工作，2018年1月6日，GNSS自動化變形監測系統投入運行。

開頂GNSS監測系統共布置6個GNSS測點和一個基準站，編號分別為GPS-1～GPS-6以及GPS-JZ。 GPS-1、GPS-2位于Ⅱ區邊坡，GPS-3位于變形體后緣山脊上；GPS-4、GPS-5位于Ⅰ區上游側邊坡；GPS-6位于Ⅰ區沖溝下游邊坡上； GPS-JZ位于上游變形區外TB-02外觀監測墩旁。

開頂GNSS監測系統采用的主要設備為徠卡公司出品的GM10接收機和 AR10天線，系統采用靜態測量[1，2]模式，采樣間隔為5 s，24 h連續觀測，30 min解算1次數據，標稱精度(1 h解算誤差范圍)：平面位移3 mm，沉降5 mm；GNSS天線到GNSS主機采用有線傳輸,主機到服務器的監測數據采用4 G無線手機網絡傳輸[1]到15 km外的GNSS服務器，通過互聯網對其進行遠程操作、查看、下載數據和分析數據，系統供電采用180 W太陽能板和12 V150 Ah免維護膠體蓄電池供電。

開頂滑坡體GNSS監測系統布置情況見圖1,系統架構見圖2。

圖1 開頂滑坡體GNSS監測系統測點布置圖

圖2 開頂滑坡體GNSS監測系統架構圖

GNSS監測系統于2018年1月6日投運后，開頂變形體變形持續快速增大。

1月8日，開頂滑坡體下游1#沖溝發生坡面滾石；

1月17日，開頂滑坡體多次發生坡面滾石，塌方量約600 m3；

1月28日，GPS-4號測點單日變形量水平位移為32.5 mm，沉降11.8 mm，超過20 mm/d的三級預警限值；

1月30日，GPS-4號測點單日變形量水平位移為63.1 mm，沉降87.8 mm，超過50 mm/d的一級預警限值；

2月5日，GPS-4號測點單日變形量水平位移為70.9 mm，沉降29.7 mm，超過50 mm/d的一級預警限值；

2月10日，GPS-4號測點單日變形量達1 167.7 mm，沉降977.8 mm，單日變形量超過1 000 mm/d;

2月11日，GPS-4號測點單日變形量達4 162.3 mm，沉降3 364.9 mm，山體整體滑坡，后緣沉降達20多m，S211省道開頂段整體沉降10多m，S211省道斷道。

開頂滑坡體GNSS監測系統變形數據過程線見圖3，滑坡體滑坡后的現場情況見圖4。

圖3 開頂滑坡體快速滑移期GNSS監測數據圖

圖4 開頂滑坡體快速滑移后現場航拍圖

3 GNSS監測系統出現的問題及原因分析

開頂滑坡體GNSS監測系統在建設期間和監測過程中出現的問題為：

(1)GNSS測點的建設問題。GNSS測點建設難度大。原因為開頂GNSS測點標桿采用Φ219鋼管，長度為3.75 m，加上角鋼制作的電陽能板支架，整體重量很大，滑坡體危石、孤石多，地勢陡峻，GNSS測點標桿笨重，現場又無任何道路，只能采取人力搬運，運上滑坡體的難度和危險性很大。

(2)GNSS衛星信號問題。該項目個別點位接收衛星信號差，個別時段GNSS系統接收到的信號不滿足最少4顆衛星的要求，多路徑效應影響大[1]。經分析得知其原因為：滑坡體搶險工期緊，系統選點與建造倉促，未在現場進行長時間的信號測試；滑坡體地勢險要，危險性較大，鑒于地形限制，個別點位于信號較差的地方；個別點位的植被茂密，未進行植被清理，進而影響到衛星信號的接收。

(3)現場通訊網絡問題。開頂GNSS監測系統采用4 G通訊，在選點與建設時，根據當時當地通訊網絡的信號強弱情況選用了電信的4 G通信卡。但在運行過程中發現，該滑坡片區電信基站信號不穩定，或因斷電經常性出現無信號情況，導致監測數據無法傳輸回服務器。

(4)GNSS測點的壽命問題。在滑坡體變形過程中，經常性滾石極易損壞GNSS測點的太陽能電池板和數據采集箱，導致系統數據中斷。如2018年2月11日GPS-4號點被落石砸壞，GPS-6號點于3月12號被落石砸壞。

(5)GNSS監測數據的設置和數據解算問題。開頂滑坡體在快速滑移期間，因位移量急劇增大，每小時的變形量最大甚至達到173 mm/h(GPS-4號點)。而開頂GNSS監測系統采用靜態解算[1，2]，觀測時間越長，解算精度越好，但當GNSS測點變形速率很大時，或一些GNSS測點處于周圍遮擋(如建筑物、樹木等)及多路徑效應影響時，靜態解算[1，2]數據表現為浮動解，數據會被徠卡自動化分析軟件默認為是粗差而自動舍棄，導致在規定的觀測時段內出現不返回監測數據的情況，從而導致部分時段觀測數據的缺失，在滑坡體快速滑移期間不能及時提供監測數據，對于這種情況是難以接受的。

(6)GNSS監測系統的預警問題。開頂滑坡體變形值在短時間內即突破了預警等級。雖然GNSS監測系統為自動化監測系統，但仍需人工在服務器值守，觀察和分析數據的變化，從數據處理、分析、判別到預警信息[4]的發出需要一定的時間，存在滯后性。

(7)GNSS監測系統的用戶體驗問題。GNSS監測數據的查看、處理和分析是通過人員值守在數據服務器旁進行本地操作或通過遠程控制軟件進行遠程操作。開頂滑坡體GNSS監測系統采用的萊卡Spider和GeoMoS軟件界面為全英文界面，其系統界面復雜，對數據查看、處理和分析人員的素質要求很高，一般人員難以很快掌握，數據的呈現和表達復雜。

4 解決的方法、取得的經驗和建議

針對開頂滑坡體GNSS系統建設和監測過程中出現的問題，項目部技術人員總結出一些解決辦法、經驗并提出了相應的建議，分述如下：

(1)GNSS測點建設難度大問題。建議：在類似滑坡體GNSS測點設計上采用分體式設計，可以將GNSS測點標桿輕量化并設計為分體組裝結構，減少零件的單重，進而降低GNSS測點建設的難度。

(2)GNSS衛星信號問題。在類似滑坡體GNSS測點建設前，必須進行長時間的信號測試，檢測24 h內各個時段、各個測點的最少衛星數量，對于單點信號測試時間，建議不小于24 h，所選點位的衛星數量不得少于4顆[1，2]。

GNSS測點的選擇必須保證一定的衛星幾何圖形強度,因此，測站周圍高度角15°以上不能有障礙物;需要遠離高壓線、無線電臺、微波中繼站等大功率信號收發物體以降低原始數據的信噪比;測站周圍亦不允許有圍墻、廣告牌、山坡、大面積水域等信號反射物, 避開山體凹角、建筑物、樹木、高壓電線和信號基站，以減少多路徑效應的影響[1]。如果測點布置無法避開，可采取適當加高測點標桿[3]、清理影響該型號儀器障礙物的方法，確保GNSS測點的信號滿足監測要求。

(3)現場通訊網絡問題。首先，應在現場充分調研通訊網絡的穩定性，或采取工程措施保證滑坡體現場手機通訊網絡的信號強度，如增設通訊基站；亦可采用4 G雙卡雙待無線路由器(通訊模塊)，避免采用單卡4 G無線路由器(通訊模塊)導致的單一手機網絡故障時GNSS測點數據無法傳輸的問題出現。

(4)GNSS測點的壽命問題。滑坡體GNSS測點太陽能電池板如能在滿足太陽照射角度的情況下可將太陽能板主面朝向凌空側，如太陽能板朝向無法調整，建議在太陽能板山體側上方加裝被動防護網或主動防護網，以減少滾石損壞太陽能板的幾率；數據采集箱亦應安裝在測點鋼管標桿的背面并盡量減小數據采集箱的寬度，避免滾石直接沖擊數據采集箱并減少被滾石砸中的幾率，從而提高GNSS監測測點在監測滑坡體變形過程中的壽命，減少維修和維護頻率，降低GNSS監測人員的作業危險性。

(5)GNSS監測數據的設置和數據解算問題。在變形量不大時(如變形量未超過3 mm/h)，GNSS監測系統應采用靜態解算，其觀測時間越長，解算精度越好。但當GNSS測點變形速率很大時(如變形量超過3 mm/h)，應將GNSS監測系統及時設置為動態結算[3]，從而避免監測數據出現浮動解算的情況。監測分析軟件誤認為每小時監測數據為粗差，從而導致滑坡體快速滑移期間有效的、真實的監測數據被軟件自動錯誤的舍棄而導致滑坡體快速滑動期間關鍵監測數據的缺失。

萊卡的GNSS 監測系統采用Spider軟件解算，該軟件解算模式分為兩種：靜態解算和動態解算。在靜態解算模式下的數據精度可以達到毫米級[3]，而動態解算[4]模式下的數據只能達到厘米級。對于已經快速滑移的邊坡，靜態解算難以快速、實時的呈現監測數據，且其毫米級的監測精度已失去意義，但采用動態解算可以實時數據呈現，雖然其精度較差，但監測頻率可達5 s一個數據,在滑坡體快速滑移期間，GNSS監測動態解算的意義重大，可實時、快速地反映滑坡體的運動狀況，為應急搶險決策提供數據支持。

(6)GNSS監測系統的預警問題。通過對GeoMoS[6]數據分析軟件的設置，對超過限差的點進行預警，開頂滑坡體主要采用了應用程序和郵件兩種預警方式，對開頂滑坡體現場安全管制人員的預警采用郵件預警方式，告知相關部門人員提前做好相關安全工作。

根據開頂滑坡體變形應急預案設置的預警等級，GeoMoS[6]數據分析軟件設置了三級預警閾值，預警信息內容主要包括時間、點號、儀器、預警等級、位移量、限值等。

在開頂GNSS監測系統實際應用過程中發現，當位移變化大于一級限差時均會觸發二、三級郵件預警；大于二級限差時軟件均會觸發二、三級郵件預警。此郵件預警的弊端在于：如果現場超出限差的點位較多且變形值較大，每個超限的點都會不斷給我們發多條預警信息，預警接收人的郵箱會被這種預警郵件占滿，針對此問題，我們對GeoMoS[6]數據分析軟件進行了設置，減少了重復的郵件預警信息，如每10條發出一次預警或者每隔1 h進行一次預警，從而解決了短時間內軟件重復觸發郵件預警的問題。

(7)GNSS監測系統的用戶體驗問題。筆者建議對GNSS監測系統開發相應的手機APP軟件，簡化數據的計算、分析和查看界面，豐富數據的呈現形式，改善用戶體驗。

5 結 語

筆者針對在開頂滑坡體GNSS系統建設和監測過程中發現的一些問題，提出了具體的解決辦法和建議，以及在滑坡體快速滑移期間針對如何快速、實時監測滑坡體變形過程，及時提供監測數據，及時準確地發出預警信息指導應急搶險，以及提高GNSS系統測點在滑坡過程中的壽命總結了一些工程經驗，希望能為類似快速滑坡體GNSS監測提供借鑒。