水土保持監(jiān)測(cè)與滑坡和泥石流監(jiān)測(cè)研究

曾蛟

（浙江中水工程技術(shù)有限公司舟山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)分公司，浙江舟山 316000）

1 引言

水土保持監(jiān)測(cè)是指對(duì)水土流失的發(fā)生、發(fā)展、危害及水土保持效益進(jìn)行長(zhǎng)期的調(diào)查、觀測(cè)和分析的工作。通過(guò)水土保持監(jiān)測(cè)可以掌握水土流失呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)模式，科學(xué)選擇水土治理方式，從而提高水土保持率。滑坡與泥石流監(jiān)測(cè)則主要針對(duì)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期調(diào)查，從而找出引發(fā)滑坡與泥石流的原因，為接下來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防工作提供科學(xué)參考。

2 水土保持、滑坡和泥石流監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

按照SL 277—2002《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，水土保持監(jiān)測(cè)工作的內(nèi)容主要包含工程施工進(jìn)度、土體擾動(dòng)面積、水土流失隱患、水土流失造成的災(zāi)害、水土保持工程建設(shè)等內(nèi)容。其中，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的工作包含水土保持方案制訂與落實(shí)、取土與廢土場(chǎng)使用情況、施工期間被擾動(dòng)的土地和植被占?jí)旱取?/p>

SL 277—2002《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》中沒(méi)有對(duì)滑坡與泥石流監(jiān)測(cè)工作提出詳細(xì)的要求，需要依據(jù)相關(guān)部門(mén)的規(guī)定明確監(jiān)測(cè)內(nèi)容。對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要監(jiān)測(cè)的工作內(nèi)容包括：滑坡變形監(jiān)測(cè)，如土體位移與傾斜監(jiān)測(cè)、土體溫度監(jiān)測(cè)；滑坡相關(guān)因素監(jiān)測(cè)，如地下水和地表水監(jiān)測(cè)、氣象條件監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)等；宏觀前兆監(jiān)測(cè)，如動(dòng)物表現(xiàn)異常情況、地表水異常監(jiān)測(cè)。對(duì)泥石流展開(kāi)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要監(jiān)測(cè)的工作內(nèi)容主要為：對(duì)泥石流災(zāi)害的形成條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如泥石流組成成分與降雨滲透量；泥石流運(yùn)動(dòng)特征監(jiān)測(cè)，如泥石流產(chǎn)生的時(shí)間與地點(diǎn)、速度，以及泥石流淤積與堆積變化等[1]。

3 水土保持、滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 無(wú)人機(jī)技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

某典型工程為煤礦開(kāi)采項(xiàng)目，地貌為平原微丘，土壤主要以棕壤土為主。在水土保持監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采集了多張有效圖像，剔除不合格圖像后，將其導(dǎo)入Context Capture 軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)空中三角測(cè)量，建立三維模型，導(dǎo)入DSM 或DOM 等數(shù)據(jù)。將柵格數(shù)據(jù)載入GISMAP 軟件后整合分塊數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)Arc GIS 軟件提取監(jiān)測(cè)對(duì)象的坡度、坡長(zhǎng)等數(shù)據(jù)；通過(guò)DOM 數(shù)據(jù)提取土壤擾動(dòng)范圍或土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；通過(guò)三維模型提取體積數(shù)據(jù)[2]。

3.1.2 遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用

將遙感數(shù)據(jù)用于水土保持監(jiān)測(cè)工作中，可對(duì)土體擾動(dòng)面積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以DOM 監(jiān)測(cè)成果為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)目視采用GISMAP 軟件勾畫(huà)擾動(dòng)地表圖斑，監(jiān)測(cè)擾動(dòng)面積，得知實(shí)際擾動(dòng)面積為37.61 hm2。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲得的擾動(dòng)面積是38.21 hm2，全站儀測(cè)量后的結(jié)果為27.61 hm2，可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)誤差較小。

對(duì)土石方進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本案例地處平原微丘地貌，周?chē)鷪?chǎng)地平坦，可采用微積分的方式計(jì)算土石方量。假設(shè)礦山生產(chǎn)中的矸石量是5.739×105m3，經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)后得出的計(jì)算結(jié)果為5.288×105m3，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)計(jì)算誤差為5.8%，具體情況見(jiàn)表1。因此，當(dāng)?shù)乇肀容^平緩時(shí)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用效果良好。

表1 無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果和常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由于無(wú)人機(jī)建模后監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)分辨率很高，可以在模型輸出軟件中清晰地展示水土保持的有效措施，同時(shí)可直接測(cè)量擋土墻長(zhǎng)度、綠化施工面積等數(shù)據(jù)，從而更好地對(duì)水土保持工程的進(jìn)度與效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，還可以建立水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將Hadoop 與Storm 技術(shù)相融合，突出系統(tǒng)的水土流失監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)與泥石流滑坡災(zāi)害預(yù)警功能，發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用效果。圖1 為系統(tǒng)的大致架構(gòu)情況。

圖1 水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

3.2 滑坡位移監(jiān)測(cè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)方案

對(duì)滑坡位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)旨在以不同的監(jiān)測(cè)手段采集滑坡變形動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)，掌握滑移面的位置與變化趨勢(shì)，從而對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為接下來(lái)的滑坡治理提供參考依據(jù)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，可采用宏觀地表檢測(cè)方法進(jìn)行地質(zhì)調(diào)繪與地表標(biāo)記后，監(jiān)測(cè)滑坡地表的實(shí)際變化，了解是否存在雨水或地震等因素造成地表位移變化。還可以使用聯(lián)合深部位移監(jiān)測(cè)方法，在滑坡出現(xiàn)滑動(dòng)之前，在滑坡內(nèi)部埋置測(cè)斜儀，監(jiān)測(cè)不同深度下滑坡的大致位移情況。

進(jìn)行滑坡深部位移監(jiān)測(cè)時(shí)，為了解邊坡產(chǎn)生的位移問(wèn)題以及地質(zhì)情況，在邊坡處設(shè)置6 個(gè)勘探孔和3 條斷面線，充分利用既有鉆孔，在2 個(gè)主滑面上設(shè)置5 個(gè)檢測(cè)孔，具體布置情況如圖2 所示。經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)得到滑坡主滑方向，判斷變形量和監(jiān)測(cè)時(shí)間之間的關(guān)聯(lián)。

圖2 滑坡深部位移監(jiān)測(cè)布孔圖

3.2.2 滑坡滑移面確定

滑坡的監(jiān)測(cè)工作十分復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的觀察，在設(shè)置多個(gè)位移孔后才能獲取滑坡動(dòng)態(tài)信息，了解不同位置的具體滑移量與滑移速率。在地表滑移分析中，通常使用全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，判斷各個(gè)指定點(diǎn)的滑移情況，反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位移現(xiàn)狀，繪制位移-時(shí)間曲線。圖3 為根據(jù)某鉆孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出的邊坡位移-時(shí)間曲線[3]。

圖3 邊坡表面位移-時(shí)間曲線

經(jīng)研究得知，滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)達(dá)25 d 時(shí)，累計(jì)位移值為37.3 cm，第11 d 因受到降雨的影響，導(dǎo)致滑動(dòng)速率增加，采取緊急反壓處置方式后，發(fā)現(xiàn)滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形程度有所減緩，滑坡速滑風(fēng)險(xiǎn)下降。之后，監(jiān)測(cè)中又發(fā)現(xiàn)滑坡體依然出現(xiàn)了緩慢的變形情況，說(shuō)明滑坡體仍存在蠕變問(wèn)題，接下來(lái)有必要采取加固措施，確保周?chē)缆吠ㄐ邪踩?。?jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可按照實(shí)際地質(zhì)條件掌握滑坡預(yù)警參考值，判斷當(dāng)前滑坡是否應(yīng)治理，以及需要采取什么治理措施。

3.3 泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

3.3.1 泥石流物源監(jiān)測(cè)

泥石流災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重威脅人們的人身安全，同時(shí)給社會(huì)安定埋下安全隱患，當(dāng)固體物源與水文地質(zhì)條件具備后，如果降水量較大，且山體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，周?chē)腥斯壴逊e，就會(huì)導(dǎo)致泥石流災(zāi)害。由于泥石流的成因復(fù)雜，災(zāi)害監(jiān)測(cè)與治理時(shí)涉及的防御標(biāo)準(zhǔn)較多，全面治理需耗費(fèi)較多成本，所以，泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警已經(jīng)成為目前最好的應(yīng)對(duì)方式。

通過(guò)泥石流物源監(jiān)測(cè)可知，固體物質(zhì)是形成泥石流的物質(zhì)基礎(chǔ)。泥石流常見(jiàn)的物源主要為滑坡與崩塌的土地。監(jiān)測(cè)時(shí)，要先了解周?chē)牡刭|(zhì)條件，分析物源的類(lèi)別與性質(zhì)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中還要查明該區(qū)域是否存在溝谷堵塞情況，計(jì)算溝谷坡度，分析巖層的風(fēng)化斷裂程度，判斷這些因素是否會(huì)對(duì)地質(zhì)產(chǎn)生不良影響。綜合以上情況，判斷形成泥石流物源的主要類(lèi)型與儲(chǔ)量、分布情況。伴隨夏季降雨的發(fā)生，松散土體的含水量增加，土體間摩擦下降，孔隙壓力提高，導(dǎo)致土體產(chǎn)生液化，以上均是泥石流的物源。由此可見(jiàn)，土體含水量的改變是對(duì)降雨變化的直觀響應(yīng)，加強(qiáng)對(duì)土體含水率和孔隙水壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可科學(xué)判斷當(dāng)前土體的穩(wěn)定性。

3.3.2 氣象水文條件監(jiān)測(cè)

從某種條件來(lái)講，泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生離不開(kāi)水源，這是引發(fā)泥石流的動(dòng)力來(lái)源。而水源的類(lèi)型主要分為大氣降水、冰川融水、地表徑流和地下水等部分。對(duì)于大氣降水，應(yīng)監(jiān)測(cè)每個(gè)月的降雨量，確定降雨的強(qiáng)度和具體時(shí)間；對(duì)于冰雪融水，應(yīng)統(tǒng)計(jì)融水量，特別是部分泥石流產(chǎn)生的地區(qū)會(huì)有水庫(kù)與湖泊，此時(shí)還應(yīng)對(duì)水庫(kù)潰決與滲漏的情況做出評(píng)估分析。泥石流的產(chǎn)生一般與大氣降水有關(guān)，應(yīng)監(jiān)測(cè)流域內(nèi)雨量情況，在泥石流的暴雨區(qū)進(jìn)行點(diǎn)雨量監(jiān)測(cè)，即現(xiàn)場(chǎng)降雨監(jiān)測(cè)分析。在泥石流的形成區(qū)域展開(kāi)實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)分析，計(jì)算雨量的同時(shí)，參照短期內(nèi)的突然降雨情況和中期持續(xù)降雨情況，確立泥石流激發(fā)雨量預(yù)測(cè)模型。系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別降雨的開(kāi)始與停止時(shí)間，設(shè)置10 min、1 h、24 h 的降雨預(yù)警雨量指標(biāo)，并采用手機(jī)短信群發(fā)、微信提示等方式發(fā)布預(yù)警消息。

3.3.3 流動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

在泥石流的監(jiān)測(cè)工作中，流動(dòng)動(dòng)態(tài)是其中的基本特征值，泥（水）位與流速變化可以作為泥石流運(yùn)動(dòng)期間的可測(cè)值，必要時(shí)還需建立低頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在不同高度位置布置報(bào)警儀探頭與流速計(jì)，傳感器可以將變幅信號(hào)上傳給報(bào)警儀，一旦達(dá)到預(yù)警閾值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)布泥石流預(yù)警信息。

3.3.4 泥石流流體特征監(jiān)測(cè)

針對(duì)泥石流的流體特征監(jiān)測(cè)，一般需要做好取樣分析工作，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)結(jié)合泥石流運(yùn)動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬方法，計(jì)算泥石流凈流量、輸砂量，分析顆粒啟動(dòng)和水流條件之間的關(guān)系，為接下來(lái)泥石流災(zāi)害的有效防治提供科學(xué)參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)水土保持、滑坡與泥石流監(jiān)測(cè)工作內(nèi)容的研究，掌握了水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)，建議發(fā)揮無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)用作用，聯(lián)合大數(shù)據(jù)技術(shù)建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高監(jiān)測(cè)工作效率。針對(duì)滑坡與泥石流災(zāi)害，應(yīng)科學(xué)確立滑坡位移監(jiān)測(cè)方案，確定滑坡滑移面，加強(qiáng)泥石流流動(dòng)動(dòng)態(tài)和物源監(jiān)測(cè)，掌握區(qū)域內(nèi)氣候條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的科學(xué)防治。