自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測中的應用

張振威，劉滋源，張帥,3

（1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.廣西北斗星測繪科技有限公司西南分公司，重慶 400074；3.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西 桂林 541000）

隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展和網絡技術的應用，基于GNSS自動化設備的監(jiān)測技術開始應用于滑坡的監(jiān)測預警工作中。我國幅員遼闊，許多山區(qū)都存在一定的滑坡現(xiàn)象，將造成巨大的經濟財產損失。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術時效性較差，不能及時預報滑坡動態(tài)[1]。本文主要以重慶市涪陵區(qū)某滑坡為例，對滑坡自動化專業(yè)監(jiān)測和預警進行探索。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)概述

自動化滑坡監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據采集、數(shù)據處理和監(jiān)控中心3個部分構成，其中數(shù)據采集部分包括降水量監(jiān)測、視頻監(jiān)測、地表位移監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、深部位監(jiān)測和地下水位動態(tài)監(jiān)測等[2]。

1.1 監(jiān)測項目概況

重慶市涪陵區(qū)某滑坡為已有地災點，于2014年8月由某工程勘察院組織進行應急勘察。勘察結果表明，該滑坡為土質滑坡，后緣高程約為550 m，前緣高程約為480 m，相對高差達68 m；滑坡縱長280 m，橫寬640 m，滑體平均厚17 m，體積約為352萬m3；滑坡在天然工況下穩(wěn)定，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。因此，2014年對桐子園滑坡區(qū)域內房屋變形嚴重的15戶實施了避讓搬遷；而2020年7月2日滑坡產生了強烈變形，變形范圍為原滑坡的中前部，長310 m、寬625 m，體積為320萬m3，其中左側變形最強烈，為高風險區(qū)域，右側變形程度中等，變形區(qū)域出現(xiàn)多條拉張裂縫，最大延伸長度約為10～30 m，縫寬為2～50 cm，局部下錯50～120 cm，村道公路斷裂，交通中斷，滑坡前緣距頁巖氣平臺330 m。

1.2 監(jiān)測內容和方法

根據相關規(guī)范，結合實際工程案例對滑坡體應建立地表變形、地下水位的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、深部位移、地表裂縫位錯，以監(jiān)控滑坡整體變形[3]。遵循該原則，根據監(jiān)測設計方案實際需要，本次監(jiān)測的主要工作內容包括滑坡地表位移監(jiān)測、地表裂縫位移監(jiān)測、地下水位動態(tài)監(jiān)測、地表降水量統(tǒng)計和宏觀地質調查。

1）滑坡地表位移監(jiān)測是指在能反映滑坡區(qū)動態(tài)變化的位置設置監(jiān)測點，采用GNSS自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)對相應地表位置進行監(jiān)測，主要測定地表監(jiān)測點隨時間而發(fā)生的水平、垂直方向的位移量、位移速率和位移方向。通過對數(shù)據的分析，了解滑坡滑動范圍和規(guī)模，以及監(jiān)測區(qū)域內全局與局部之間的相對變化關系信息，并及時提供預警信息[4]。

2）地表裂縫位移監(jiān)測是指對滑坡區(qū)的地表裂縫和主要建（構）筑物裂縫進行位移監(jiān)測，主要監(jiān)測裂縫大小、方向。首先在裂縫兩側埋設觀測樁，布設自動化拉線式裂縫位移計，通過通信網絡將裂縫位移計采集的數(shù)據實時傳輸?shù)骄W絡端，并在網絡端設置預警值，若超過預警值，則自動通過短信方式發(fā)送給監(jiān)測人員，以便采取相應的措施。應定期采用鋼尺對裂縫進行人工測量，并與裂縫計采集的數(shù)據進行比較，以確保裂縫計數(shù)據的準確性，對施工安全監(jiān)控起到預報的作用。

3）地下水位動態(tài)監(jiān)測。利用原有勘察鉆孔或監(jiān)測工作增加的鉆孔，對地下水位進行測量，觀測地下水位變化、降雨與地表位移變化的關系，評價地下水位對位移的影響以及邊坡排水系統(tǒng)的有效性。

4）地表降水量統(tǒng)計。通常在滑坡附近布置一套雨量自動監(jiān)測站對滑坡區(qū)降雨量進行采集或采用當?shù)貧庀笳镜慕涤炅繑?shù)據；進而分析降雨量與滑坡的變化情況及其之間的關系，為滑坡的預警預報提供更多的判斷依據。

5）宏觀地質調查采用人工巡視檢查的方式。宏觀地質巡查是監(jiān)測變形與宏觀地質跡象的聯(lián)系，監(jiān)測數(shù)據出現(xiàn)異常變化時需通過宏觀地質巡查尋找宏觀變形跡象，驗證監(jiān)測數(shù)據反映的變形情況。宏觀地質巡查工作能有效彌補監(jiān)測點布設數(shù)量有限而導致的監(jiān)測死角，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。宏觀地質巡查方式包括走訪、觀察、記錄、拍照等。

2 監(jiān)測數(shù)據處理與分析

2.1 地表位移監(jiān)測與數(shù)據分析

GNSS基準點布設在村委會頂樓天臺，距離滑坡體約1.5 km，落差54 m，位置穩(wěn)定。自動化GNSS位移監(jiān)測點5個，3個布設在強變形區(qū)，2個布設在中等變形區(qū)。

GNSS定位的基本原理是通過測量4顆及以上已知位置的衛(wèi)星與GNSS接收機的距離，采用距離交會的方式確定接收機的位置。GNSS地表位移監(jiān)測是將GNSS基準站設置在非變形區(qū)，GNSS監(jiān)測站設置在變形區(qū)內，通過數(shù)據傳輸系統(tǒng)將同一時刻的GNSS基準站和GNSS監(jiān)測站的原始觀測數(shù)據發(fā)送至數(shù)據中心，通過數(shù)據中心專業(yè)的數(shù)據處理軟件對原始數(shù)據進行自動解算處理，得到GNSS監(jiān)測站點位實時坐標值[5]。GNSS地表位移監(jiān)測技術具有技術成熟、數(shù)據精度高（毫米級）、數(shù)據實時采集、自動化程度高等特點。GNSS地表位移監(jiān)測針對滑坡整體以及局部變形強烈區(qū)域，布設的地表位移監(jiān)測點用于獲取整個滑坡在監(jiān)測期的變形數(shù)據，為滑坡整體變形判斷提供數(shù)據支撐。

本文以2020年7月7日為初始日期，以2020年7月31日為結束日期，根據監(jiān)測期間各監(jiān)測點水平和垂直方向的累積位移量及其相應降雨量，繪制累計位移—降雨量—時間曲線圖，如圖1、2所示。監(jiān)測初期由于降雨量影響，2020年7月7日—21日GNSS滑坡監(jiān)測點變化較快，如表1所示，其中GNSS03監(jiān)測點水平位移最大，為185.15 mm，變形速率為12.34 mm/d，GNSS01監(jiān)測點垂直位移最大，為-129.94 mm，變形速率為-8.66 mm/d；2020年7月22日—31日，由于降雨量減少，GNSS滑坡監(jiān)測點變化整體減緩，具體變形量如表2所示。

圖1 GNSS水平位移—降雨量—時間曲線圖

表1 2020年7月7日—21日的自動化GNSS監(jiān)測點位移統(tǒng)計表

表2 2020年7月22日—31日的自動化GNSS監(jiān)測點位移統(tǒng)計表

2.2 地表裂縫監(jiān)測與數(shù)據分析

滑坡主控裂縫采用自動化拉線式位移計進行監(jiān)測，共布設6個點位，其中強變形區(qū)后緣布設2個，中等變形區(qū)后緣布設3個、前緣布設1個。

裂縫位移計的傳感器將機械位移量轉換為可計量的、成線性比例的電信號。當被測物體產生位移時，拉動與其相連的鋼繩，鋼繩帶動傳感器傳動機構和傳感元件同步轉動；當位移反向移動時，傳感器內部的回旋裝置將自動收回繩索，并在繩索伸縮過程中保持其張力不變，從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號。現(xiàn)場自動采集數(shù)據后通過GSM/GPRS通信網絡無線發(fā)送到監(jiān)測中心服務站[6]。地表裂縫監(jiān)測技術具有技術成熟、數(shù)據精度高、數(shù)據實時采集、自動化程度高等特點。地表裂縫監(jiān)測針對滑坡整體和局部變形強烈區(qū)域，點位布設在滑坡區(qū)域內地表裂縫的兩端，用于獲取地表裂縫在監(jiān)測期的相對變形數(shù)據，為滑坡整體變形判斷提供數(shù)據支撐。

在監(jiān)測周期內，自動化拉線式位移計于2020年7月9日開始監(jiān)測，2020年7月31日結束監(jiān)測，各監(jiān)測點地表裂縫累計變化量和降雨量的關系如圖3所示，可以看出，在2020年7月21日后裂縫變形速率明顯降低，并趨于穩(wěn)定，說明降雨是裂縫變形的主要影響因素。

圖2 GNSS垂直位移—降雨量—時間曲線圖

圖3 地表裂縫累計變化量—降雨量—時間曲線圖

2.3 穩(wěn)定性判定

通過分析監(jiān)測周期內的監(jiān)測數(shù)據，并結合宏觀巡視情況可知，監(jiān)測周期內強變形區(qū)、中等變形區(qū)整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下，強變形區(qū)和中等變形區(qū)均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。該滑坡的形成與地形地貌、地層巖性、坡體結構、大氣降水等密不可分[7]，是上述因素綜合作用的結果。影響滑坡穩(wěn)定性的因素主要包括地形條件、地層巖性和水的作用。滑坡變形最主要的影響因素是降雨。

3 結語

本文以重慶市涪陵區(qū)某滑坡監(jiān)測為例，將自動化監(jiān)測、多傳感器監(jiān)測等技術與數(shù)據實時傳輸體系相結合，建立了自動化滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，可實時獲取滑坡的變形數(shù)據。通過分析獲取的數(shù)據，可獲得滑坡整體以及局部的變化情況，實現(xiàn)對滑坡監(jiān)測的智能化管理。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測，系統(tǒng)具有時效性高、監(jiān)測精度高、數(shù)據可靠等優(yōu)點，提高了滑坡預警預報的準確度。及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，提前采取相應措施減少損失，保證人民生命財產安全，對于滑坡安全監(jiān)測工程具有重要意義。