基于GNSS技術對滑坡體穩定性試驗研究★

趙智輝，楊金虎

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400050)

0 引言

針對滑坡預警監測,目前多采用傾角方式進行采集,本次針對六盤水吉源煤礦上方滑坡體頂部地表沉降采用北斗/GNSS監測手段進行監測。傳統的傾角監測法需要在滑坡體出現大面積傾斜狀態下發生預警和可以采集到監測數據,但滑坡體發生滑坡前頂部多會提前發生沉降變形[1-10],在滑坡前對于滑坡體頂部的地表沉降監測對滑坡體的滑坡預警有重要的指導作用。目前,對于GNSS的監測手段研究較多,主要是GNSS的技術改良和升級方面。劉子奇等學者指出[11],提出固定基線約束的低成本GNSS測向方法。該方法利用雙天線間固定基線約束信息,基于幾何基線后驗方差-協方差信息構建實時動態檢驗閾值,可有效增加整周模糊度解算成功率,從而提升低成本GNSS測向的精度與可靠性。李嵐等學者[12]利用高精度組合導航設備提供動態參考基準實現偽距誤差精確提取,通過分析不同城市場景下的GNSS信號特征與影響因素,建立了分場景隨機模型,提高城市復雜場景下的GNSS定位性能。嚴頌華等學者[13]在針對實際公路邊坡進行形變監測,分析了衛星運動和反射信號接收天線位置偏移兩種因素對形變反演精度的影響,提出一種同時適用于中地球軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛星運動和地球同步軌道衛星微小位置偏差的校正方法;進行了接收天線位置偏移情況下的形變監測實驗。景策[14]為解決GNSS信號在環境遮擋、多路徑誤差等影響下監測精度不可靠的問題,基于Huber選權迭代法,將方差膨脹思想引入GNSS/加速度計融合濾波算法中,從隨機模型角度對GNSS異常值的量測噪聲進行自適應調整,降低GNSS異常觀測對Kalman濾波量測更新的影響,提高GNSS/加速度計融合變形監測結果的可靠性。穆佳等學者[15]利用稀疏貝葉斯學習實現對干擾信號的重建,進一步從接收信號中剔除重建的干擾信號,得到干擾抑制后的導航信號。仿真結果表明:該方法能夠有效抑制導航信號中的干擾,提升導航信號的質量,在欠采樣情況下該方法仍然具有較好的干擾抑制性能。上述研究中對于GNSS監測技術的研究主要集中于GNSS本身產品升級上,而對于GNSS技術的現場應用方面研究較少,在實際現場GNSS的應用廠家對于GNSS的技術升級改造具有重要的意義,而且現有的滑坡監測方面多采用傾角儀器進行現場采集和監測。

因此,基于GNSS技術對煤礦上方滑坡體穩定性現場試驗研究,以煤礦上方滑坡自動化監測工程為背景,提出北斗/GNSS技術對滑坡穩定性現場試驗的可行性研究方案。通過現場GNSS監測數據對滑坡體的穩定性進行研究。詳細分析了整個滑坡體的變化規律后,證明目前地表處于基本穩定狀態,同時發現通過GNSS技術可以用來監測滑坡體頂部穩定性。

1 地質環境特征調查

該滑坡體屬于珠江水系北盤江上游巴郎河支流流域范圍內,區內無河流及其他地表水體,但季節性溪溝發育,呈樹枝狀展布,且多為雨源型溪溝,溝水流量受季節性控制明顯,雨季流量較大,枯季流量小甚至干涸,動態變化顯著,主要受大氣降水的控制。區內出露地層主要為上二疊統龍潭組、下三疊統及第四系地層,形成陡巖、陡斜坡及緩坡等地形,植被較發育。地層巖性多為泥巖、粉砂泥巖、泥質粉砂巖、灰巖、泥質灰巖等,大氣降水通過基巖節理裂隙滲入地下。

位于云貴高原中部,區域內地形復雜,高山峻嶺及沖溝縱橫展布,溝谷縱橫,斷崖絕壁。地形地貌主要受巖性及地質構造控制,沿煤系地層形成主要溝谷凹地,煤系上覆、下伏地層及地質構造對溝谷起伏有控制作用。區內總體地勢北西高南東低,山脈呈北西、南東向展布,三疊系中下統嘉陵江組灰巖常形成陡崖,其下之飛仙關組砂泥巖則形成溝脊相間的陡斜坡,煤系地層處于下部緩坡地帶。地形起伏變化大,地形坡度在10°～85°之間,一般多在20°～50°,局部達60°～85°。斜坡中上部植被較發育,下部平緩處多為耕地和經果林地。區內海拔高程一般為1 450 m～2 150 m,相對高差約700 m,最低點位于礦區南部8號拐點附近,海拔高程為1 400 m,最高點位于礦區北部的二官麻窩附近,海拔高程為2 212 m。地形地貌復雜,如圖1所示。

該區內出露的地層有:二疊系陽新統至樂平統峨嵋山玄武巖組(P2-3em)、二疊系樂平統龍潭組(P3l)、三疊系下統飛仙關組(T1f)、三疊系中下統嘉陵江組(T1-2j)及第四系(Q);除第四系坡積沖積層與下伏地層呈不整合外,其余地層皆呈整合的連續接觸。構造處于羌塘-揚子-華南板塊(Ⅳ)揚子陸塊(Ⅳ-4)上揚子地塊(Ⅳ-4-1)威寧隆起區(Ⅳ-4-1-1)與六盤水裂陷槽(Ⅳ-4-1-2)之間,水城斷裂帶與布坑底背斜之內,格目底向斜南東仰起端。主要受格目底向斜控制。礦區地層傾向290°～330°,傾角變化較大,從向斜翼部向軸部逐漸變緩,一般在10°～30°,整體呈單斜構造,區內次一級褶皺、撓曲和斷裂在平面上構成“入”字形構造,在剖面上形成迭瓦狀構造。礦區構造以F30斷層為界,F30斷層北西側(上盤)經鉆探和采掘工程驗證斷層發育稀少,有一定的起伏和小斷裂,構造復雜程度為中等;F30斷層東南側(下盤)一系列北東向傾沒的緊密不對稱褶皺與地層走向斜交(或一致)的北東向平移逆斷層組構成,剖面上呈迭瓦狀,平面上呈“入”字形的構造形態。區內共有落差大于30 m的斷層22條,其中逆斷層15條,正斷層7條,主要集中在礦區的南部。根據斷層性質,可分為逆斷層和正斷層兩組。根據區內地下水賦存的地層巖性、含水介質特征和地下水動力條件,區內地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和松散巖類孔隙水三類。

2 現場試驗研究

2.1 現場GNSS安裝和布設

對于該滑坡體特征,采用無人機技術進行普查,并根據普查結果,提出了采用GNSS技術對滑坡體頂部沉降進行監測和預警,GNSS站址選擇在基礎堅實穩固,易于長期保存,并利于安全作業的地方且距易產生多路徑效應的地物(如高大建筑物、樹木、水體、海灘和易積水地帶等)的距離大于200 m。距電磁干擾區(如微波站、無線電發射臺、高壓線穿越地帶等)的距離大于200 m;與高壓輸電線、微波通道的距離大于100 m。避開易產生震動的地帶(如距鐵路200 m,距繁忙公路50 m以內或其他受劇烈震動的地點);站址應該有利于方便架設市電線路或具有可靠的電力供應,并方便接入公共通訊網絡或專用的通訊網絡,具體現場和鋪設如圖2所示,設備安裝現場如圖3所示,本次安裝采用太陽能供電方式,可以保障現場的用電可實用性和可操作性。

高精度GNSS接收機是針對于地質災害監測研發的高精度GNSS接收機,其支持北斗,GPS,GLONASS,伽利略全星座全頻點,可以提供穩定的高質量原始觀測量輸出以及毫米級高精度定位服務,該產品采用一體式模具封裝,將GNSS天線與主機融為一體,便于安裝調試,簡化安裝工藝,減少了天線罩、設備箱的使用。內置嵌入式Linux操作系統,穩定性強,具備內置的藍牙、GNSS/4G天線以及可擴展NB-loT,Lora,功能強大。整機采用低功耗設計,發熱量小,適合長時間惡劣環境下連續工作的需求。廣泛適用于滑坡、崩塌、邊坡、沉降塌陷、路基監測、大壩安全等高精度形變監測應用領域。可同時接收多系統多頻率信號,全面支持北斗三號衛星新信號體制、支持RTCM3.x原始觀測量輸出、毫米級GNSS解算精度、支持RTK算法、內置加速度+傾角傳感器以及支持4G通信、低功耗等。

2.2 雨量監測數據分析

通過現場雨量計監測結果分析,本年度7月中旬到10月中旬為該地區降雨量較大,最大日累計降雨量可達62.4 mm(見圖4),該時間段定義為汛期。10月中旬到6月,日最大降雨量為5.6 mm,定義該時間段為非汛期。

2.3 GNSS監測數據分析

從圖5中可以看出,滑坡頂部土體沉降值基本上隨時間的推進而增加,但后期逐漸處于穩定狀態,隨著時間的增加,基本保持不變。累計日變化量最大可到1.59 mm/d,切向角57.9°,根據預警模型屬于長期未預警狀態;監測沉降值最大可到6 mm,累計日變化量最大可到0.03 mm/d,切向角9.1°,根據預警模型屬于未預警狀態。這是由于前期安裝設備施工的影響,造成土體不穩定,后期隨著安裝部位土體穩定,基本保持不變,后期監測的變化數據為真正的滑坡體上方地表沉降數據,從監測數據可以得出,該滑坡體上方巖土,目前處于較穩定性狀態。也間接證明采用GNSS對滑坡體上方地表沉降具有重要作用,證明該監測方案的可行性。

2.4 裂縫計監測數據分析

從圖6中可以看出,裂縫為主目前處于穩定狀態,監測數據在誤差范圍內進行波動,滑坡體處于穩定狀態,裂縫寬度值基本保持不變。通過與GNSS監測數值進行對比分析,可以再次驗證本滑坡體目前處于穩定狀態,也客觀地驗證了通過GNSS監測滑坡體頂部土體沉降作用明顯。

2.5 傾角計監測數據分析

從圖7可看出,傾角數據處于平穩狀態,但通過經驗總結,傾角計監測滑坡體滑坡具有局限性,給滑坡發生提前預警反應時間較短。滑坡體只采用表面位移(傾斜)的監測方式,不能過早地監測到滑坡體內部變化趨勢,從而不能過早地發現異常情況,進而提前達到預警預報作用。降雨造成滑坡的主要原因是,隨著降雨程度和時間的累計,降雨一方面會降低滑坡體的安全系數,基質吸力下降,另一方面含水率的增大軟化了土體,土體顆粒間摩擦系數減小,從而造成滑坡體抗滑力下降,最終打破原有平衡從而失穩,發生滑坡。所以滑坡體滑坡預警監測需要多傳感器多深度進行監測分析,從而達到真正預警狀態。

3 結論

1)通過采用北斗/GNSS方式對滑坡體上方進行可持續性監測,證明該滑坡體目前處于較穩定性狀態。

2)證明采用北斗/GNSS方式可以對滑坡體上方地表沉降進行監測預警,該方式可靠。

3)根據裂縫計監測數據,可得出目前滑坡體處于穩定狀態。

4)先對地質條件進行調查,然后對滑坡體的穩定性狀態進行現場監測研制,證明了該滑坡體目前處于較穩定性狀態,對今后的管幕預筑法頂管工程有一定的指導意義。