一種新的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

張新宇，高帥

（陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054）

隨著經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展，交通、城建及資源開發(fā)利用等工程項目的大量實施對自然環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，使地質(zhì)災(zāi)害造成的傷亡數(shù)量呈增加趨勢，同時經(jīng)濟損失巨大。據(jù)統(tǒng)計，僅2010年，全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害30 670起，造成2246人死亡、669人失蹤、534人受傷，直接經(jīng)濟損失63.9億元［1]。其中滑坡22 329起，占全部地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的72.8%。由此可見，滑坡具有不可忽視的嚴(yán)重危害。

從滑坡的誘發(fā)因素、形成機理、發(fā)生規(guī)模和頻率、時間和地點及成災(zāi)后危害等方面來看，滑坡雖然具有不確定性，但多年實踐經(jīng)驗表明，通過監(jiān)測可以掌握其活動情況、破壞機理及影響范圍，預(yù)測可能發(fā)生的破壞，從而為防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)，實現(xiàn)滑坡預(yù)警預(yù)報［2]。

至2014年10月，陜西省目前在冊地質(zhì)災(zāi)害隱患一萬余處，滑坡占七成以上。絕大多數(shù)滑坡監(jiān)測是依靠群眾采用目測、埋樁法、噴漆法等傳統(tǒng)觀測方法監(jiān)控災(zāi)害體的變形跡象，當(dāng)出現(xiàn)險情時，立即組織受威脅的人撤離至安全區(qū)域。這種監(jiān)測方法監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量差，報送不及時。

地質(zhì)災(zāi)害主管部門及相關(guān)科研院所針對地質(zhì)災(zāi)害特別是滑坡研發(fā)了深部測斜儀、GPS監(jiān)測系統(tǒng)、insar監(jiān)測系統(tǒng)等大量監(jiān)測預(yù)警設(shè)備和方法，避免人員傷亡和經(jīng)濟損失，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益［3]。但實際投入后發(fā)現(xiàn)，使用的設(shè)備昂貴、對操作人員技能要求高、運行維護困難等弊端，一定程度上限制了此類設(shè)備在基層地質(zhì)災(zāi)害防治工作的推廣。

鑒于此，亟需一套便于基層，特別是山區(qū)滑坡隱患點使用，具有廉價、易操作維護、傳送及時等特點的監(jiān)測設(shè)備。

專業(yè)技術(shù)人員依托已較為成熟的激光測距、GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，設(shè)計了鎮(zhèn)安縣群測群防監(jiān)測系統(tǒng)，具有高精度、低成本、實時化等優(yōu)點。

目前，關(guān)于此類技術(shù)在國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域內(nèi)的文獻報導(dǎo)還不多，在滑坡群測群防監(jiān)測中的應(yīng)用尚處于探索階段。

1 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理和構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、管理模塊組成。

1.1 采集模塊

采集模塊由監(jiān)測樁和靶標(biāo)樁組成。為準(zhǔn)確反映滑坡的變化情況，需要確保系統(tǒng)跨越滑坡邊界，在跨越邊界兩端布設(shè)一組激光測距監(jiān)測裝置。通過固定在監(jiān)測樁上的激光測距儀測量滑坡坡體與滑坡體外靶標(biāo)樁之間的距離變化，得出滑坡的滑動位移數(shù)據(jù)，從而判斷滑坡的變化程度和發(fā)展趨勢。

1.2 傳輸模塊

傳輸模塊基于開發(fā)的手機APP軟件，監(jiān)測員使用手機客戶端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與至縣級地質(zhì)災(zāi)害服務(wù)器通信，實現(xiàn)實時報送。為確保監(jiān)測員應(yīng)盡的責(zé)任義務(wù)，利用手機自帶AGPS功能進行定位，數(shù)據(jù)發(fā)送地點必須位于滑坡坐標(biāo)范圍1 k m內(nèi)，否則手機將自動報警提醒，見圖1。

圖1 手機APP客戶端

1.3 管理模塊

管理模塊由縣級地質(zhì)災(zāi)害服務(wù)器和開發(fā)的管理軟件組成，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、分析、報警和管理等多項功能。

2 監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

為驗證該套系統(tǒng)的有效性，技術(shù)人員在鎮(zhèn)安縣開展群測群防實驗區(qū)建設(shè)。實驗區(qū)內(nèi)采用鎮(zhèn)安縣群測群防監(jiān)測系統(tǒng)為主，規(guī)范群測群防監(jiān)測工作的操作方法，架設(shè)縣級地質(zhì)災(zāi)害服務(wù)器，并要求群測群防員的手機安裝群測群防手機客戶端。

2.1 采集模塊建設(shè)

采集模塊的樁體均采用農(nóng)村極易見到的建筑用PVC管道，內(nèi)部加有螺紋鋼筋以提高強度，放置在40 cm×40 cm×40 cm的基坑內(nèi)，灌注混凝土固定。將建筑用激光測距儀通過萬向節(jié)固定在滑坡上的樁體，設(shè)為監(jiān)測樁。在滑坡區(qū)域外設(shè)置噴有靶標(biāo)的反射板的靶標(biāo)樁（圖2）。通過不斷測量監(jiān)測樁和靶標(biāo)樁之間的絕對距離，獲取滑坡的地表位移變化量，從而反饋坡體的滑動情況。所選取的激光測距儀精確度可達到0.02 mm，足以滿足群測群防監(jiān)測的需求。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳輸模塊建設(shè)

開通監(jiān)測員的手機GPRS功能，并安裝專用信息客戶端，并調(diào)試其與服務(wù)器的通訊，保證信息可以及時有效傳送至服務(wù)器。

2.3 管理模塊建設(shè)

架設(shè)縣級地質(zhì)災(zāi)害服務(wù)器，錄入各監(jiān)測點的原始屬性和監(jiān)測員信息。

2.4 對照系統(tǒng)建設(shè)

為獲得更多對照數(shù)據(jù)，每個點位同時采用埋樁法、裂縫伸縮儀、裂縫報警器、雨量計和宏觀巡查的常規(guī)監(jiān)測方法。監(jiān)測系統(tǒng)為主，傳統(tǒng)方法為輔，新舊結(jié)合，便于對照參考。

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)運行流程

監(jiān)測員定期使用采集模塊開展監(jiān)測工作，并將采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將所在上所屬的監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)（位移、雨量等）直接上報至地質(zhì)災(zāi)害服務(wù)器，服務(wù)器將自動啟動統(tǒng)計分析功能，當(dāng)變化量大于基于經(jīng)驗值所設(shè)置的閾值時，將啟動自動報警，以盡快撤離受威脅人員。同時短信通知專業(yè)技術(shù)人員趕赴現(xiàn)場，開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急排險。專業(yè)技術(shù)人員也可通過服務(wù)器發(fā)送信息至監(jiān)測員的手機客戶端，與監(jiān)測員互動，實現(xiàn)信息雙向互通。同時服務(wù)器可呈現(xiàn)實驗區(qū)內(nèi)所有監(jiān)測點的屬性和變化情況，便于地質(zhì)災(zāi)害主管部門開展管理。

3 監(jiān)測實例

以實驗區(qū)內(nèi)的鎮(zhèn)安縣二中滑坡監(jiān)測點所發(fā)回的數(shù)據(jù)分析為例。

3.1 監(jiān)測點建設(shè)概況

鎮(zhèn)安縣二中滑坡監(jiān)測系統(tǒng)于2012年9月7日安裝完成，共安裝6處監(jiān)測點，分別為3組監(jiān)測樁、2處傳統(tǒng)埋樁法觀測點和1處簡易雨量觀測點。點位布置（圖3）。圖中JG為激光測距監(jiān)測點，DL為傳統(tǒng)埋樁法監(jiān)測點，YL為雨量計監(jiān)測點。

該處地質(zhì)災(zāi)害隱患點所設(shè)置的監(jiān)測點位中，JG01點位在2013年5月因修建設(shè)施遭到破壞，其他監(jiān)測點均運行正常。汛期（5月～10月）平均每月觀測4次，其他月份平均每月觀測1次，可滿足監(jiān)測頻次要求。

圖3 監(jiān)測儀器布置圖

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖4為各監(jiān)測點累計位移與時間的過程曲線。

圖4 各監(jiān)測點累計位移與時間過程曲線圖

2013年6月～7月期間，滑坡體前緣激光測距儀JG02測值發(fā)生了突變，位移量達25.816 mm，超過系統(tǒng)所設(shè)置的20 mm閾值。接到數(shù)據(jù)后，服務(wù)器自動觸發(fā)報警，技術(shù)人員立即趕赴現(xiàn)場，發(fā)布撤離警告，同時密切關(guān)注其他監(jiān)測點。發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測點測值也發(fā)生了不同程度的位移突變，但突變量大小不一。結(jié)合監(jiān)測點上所設(shè)置的簡易雨量計數(shù)據(jù)分析，原因為這期間降雨量較大，其中2013年5月31日當(dāng)日降雨量達200 mm，分析其原因為雨水一方面潤滑滑動面，另一方面靜水壓力作為滑動推力，加速滑坡的變形［5]。此后JG02號測點在2013年7月位移量發(fā)生了縮小往復(fù)，這可能與秦巴山區(qū)膨脹土特性有關(guān)。JG04號監(jiān)測點位于滑坡后緣，該測點的位移量較小，累計位移量為9.574 mm，分析認(rèn)為該滑坡為牽引式，后緣變化量不明顯，因此變化量較其他部位較?。?]。DL03和DL05的變形量也較大，同時期裂縫拉裂寬度同步加大，與激光測距監(jiān)測系統(tǒng)變化一致。但其他月份均出現(xiàn)不同程度的往復(fù)，可能是監(jiān)測時的人為誤差造成，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)波動。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，鎮(zhèn)安縣二中滑坡位移量與降雨量有密切的關(guān)系，該滑坡在強降雨期最大位移量可以達到3 mm／d左右，參考以往同類型滑坡的經(jīng)驗數(shù)值，符合本地區(qū)滑坡變化的誘因和規(guī)律。各監(jiān)測點在2013年6月～10月波動大，其時間段符合汛期強降雨造成的雨水入滲誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害蠕動的規(guī)律。

4 效果評測

基于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，技術(shù)人員對監(jiān)測員走訪并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，相比傳統(tǒng)監(jiān)測方法，鎮(zhèn)安縣群測群防系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢。

（1）對監(jiān)測員的技能要求低，無需專業(yè)培訓(xùn)即可較為熟練的利用所配置的監(jiān)測儀器進行測量和數(shù)據(jù)傳輸工作，適應(yīng)基層群測群防員的選擇范圍。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備獲取便利，維護方便，且成本較低。除手機APP軟件和后臺管理軟件為專業(yè)開發(fā)外，其他所需設(shè)備均可以在絕大多數(shù)的市場采購。數(shù)據(jù)采集端中價格最高的激光測距儀價格僅為數(shù)百元，其余所使用的PVC管道、混凝土等建材在山區(qū)很常見，使得后期的運行維護工作方便快捷。

（3）數(shù)據(jù)傳輸迅速快捷，可在第一時間避讓撤離。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，服務(wù)器自動分析判別，并發(fā)出警報，解決了農(nóng)村特別是山區(qū)監(jiān)測點，傳統(tǒng)方法的監(jiān)測資料匯交難，預(yù)警慢的問題。

（4）數(shù)據(jù)質(zhì)量好，精度高。傳統(tǒng)埋樁法監(jiān)測點因監(jiān)測工具限制和監(jiān)測員個人原因，會導(dǎo)致某個時間段的監(jiān)測數(shù)值波動，且精度較低，僅為mm甚至cm級，容易導(dǎo)致誤判。而該監(jiān)測系統(tǒng)采集端所使用的激光測距儀誤差為0.02 mm，極大的提高了數(shù)據(jù)精度，并避免了監(jiān)測員的人為誤差。

經(jīng)地方基層地質(zhì)災(zāi)害管理部門使用一年后的反饋，鎮(zhèn)安縣群測群防監(jiān)測系統(tǒng)曾成功預(yù)報數(shù)起災(zāi)情和險情，基于該監(jiān)測系統(tǒng)的低成本、高精度、易維護的特點，地質(zhì)災(zāi)害管理部門愿意并有能力承擔(dān)監(jiān)測系統(tǒng)的運行和維護。

5 結(jié)語

本次監(jiān)測方法的示范研究，在短時間內(nèi)取得相當(dāng)?shù)某尚?，為地質(zhì)災(zāi)害群測群防工作提供了新方法。激光測距監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，很大程度上契合基層地質(zhì)災(zāi)害防治工作投入小、收效快、效果好的需求，具有一定的推廣意義。

［1]國土資源部.2010年全國地質(zhì)災(zāi)害通報［EB OL].http：／／www.mlr.gov.cn／zwgk／zqyj／201101／P020110120670131247443.pdf.2011.

［2]葉楓.淺談滑坡預(yù)報方法［J].山西建筑，2011，（18）：47－51.

［3]董穎，朱曉冬，李媛，等.我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)方法［J]中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報2006，（2）：175－179.

［4]吳火珍，馮美果，焦玉勇，等.降雨條件下堆積層滑坡體滑動機制分析［J].巖土力學(xué)，2010，（8）：324－329.

［5]袁從華，童志怡，盧海峰.牽引式滑坡特征及主被動加固比較分析 ［J].巖土力學(xué)，2008，（10）：2854－2858.