作者簡(jiǎn)介：張旭（1985-），男，水工環(huán)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.031

摘? 要：該文探究GNSS與多傳感器組合技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的布設(shè)方式與應(yīng)用方法。研究區(qū)附近的山體存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)，在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)布置若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將測(cè)斜儀、雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)等傳感器放置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上采集位移、降雨量、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。最后利用計(jì)算機(jī)匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算、分析，將最終結(jié)果直觀地呈現(xiàn)在終端屏幕上，讓工作人員遠(yuǎn)程獲取監(jiān)測(cè)區(qū)的各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)；GNSS；數(shù)據(jù)采集；傳感器；布設(shè)

中圖分類號(hào)：P694? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）13-0128-04

Abstract： This paper explores the layout and application of GNNS and multi-sensor technology in geological hazard monitoring. There is a landslide risk in the mountain near the study area. Several monitoring points are arranged in the monitoring area， and sensors such as inclinometer， rain gauge and pore water pressure are placed on the monitoring points to collect such data as displacement， rainfall and pore water pressure. Finally， the data is summarized and calculated by computer， and the final results are visually displayed on the terminal screen， so that the staff can obtain the information of the monitoring area remotely， and the real-time monitoring of geological disasters is realized.

Keywords： geological hazard monitoring; GNSS; data acquisition; sensor; layout

某山區(qū)鄉(xiāng)村位于坡角處，山坡絕對(duì)高程1 271 m，地貌單元為構(gòu)造剝蝕侵蝕低中山，山體成分主要為二疊系灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r，最大坡度42°，存在一定數(shù)量的危巖體，有2處滑坡區(qū)。為保障鄉(xiāng)村居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)滑坡體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在這一背景下，使用GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）和多傳感器組合技術(shù)，在監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行科學(xué)補(bǔ)點(diǎn)，對(duì)地表水平位移、土體深層位移、降水量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取和綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與防控工作的開展提供數(shù)據(jù)支持。

1? 監(jiān)測(cè)區(qū)地表水平位移監(jiān)測(cè)

1.1? 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位：1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于村口橋梁附近的空地，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于不穩(wěn)定區(qū)域前緣的空地，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于不穩(wěn)定區(qū)域后緣的滑坡區(qū)，4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于不穩(wěn)定區(qū)域已修建圍護(hù)墻的空地，5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于不穩(wěn)定區(qū)域中部一處廠房的大院內(nèi)，如圖1所示。

1.2? 監(jiān)測(cè)儀器的選擇和控制網(wǎng)的布設(shè)

采用大地變形監(jiān)測(cè)法，監(jiān)測(cè)儀器選用GNSS雙頻接收機(jī)，支持連續(xù)觀測(cè)和定期觀測(cè)2種方式，垂直精度小于10 mm，水平精度小于5 mm。GNSS控制網(wǎng)內(nèi)設(shè)置4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，選擇要求如下：距離信號(hào)干擾物不少于200 m，與公路最短距離不少于10 m；在高度角20°范圍內(nèi)沒有大面積的障礙物；穩(wěn)固點(diǎn)埋入基巖的深度不低于20 cm。4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)均位于監(jiān)測(cè)區(qū)對(duì)面穩(wěn)定的山體上。其中，1#和2#基準(zhǔn)點(diǎn)位于穩(wěn)定基巖上，3#基準(zhǔn)點(diǎn)位于山頂，4#基準(zhǔn)點(diǎn)位于外側(cè)巖邊，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上各安裝1臺(tái)接收機(jī)。完成基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)后，調(diào)試接收機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸線的一端連接在GNSS接收機(jī)上，另一端連接在電池控制器上，將4個(gè)接收機(jī)調(diào)到同一個(gè)頻道上。

1.3? 水平位移監(jiān)測(cè)頻率

結(jié)合監(jiān)測(cè)區(qū)的氣候條件，在汛期（每年的6—8月）每周采集1次觀測(cè)數(shù)據(jù)，在非汛期2周采集1次觀測(cè)數(shù)據(jù)，如果遇到強(qiáng)降雨等極端天氣，可靈活提高觀測(cè)頻率。首次觀測(cè)時(shí)4臺(tái)儀器同時(shí)啟動(dòng)，觀測(cè)時(shí)間不低于4 h；當(dāng)達(dá)到觀測(cè)時(shí)間要求后，將其中2臺(tái)接收機(jī)移動(dòng)至新的點(diǎn)位，儀器固定并調(diào)試完畢后，重復(fù)之前的操作步驟繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)；達(dá)到觀測(cè)時(shí)數(shù)后將其余2臺(tái)接收機(jī)移動(dòng)至新的點(diǎn)位，重復(fù)上述流程，直到觀測(cè)結(jié)束。

2? 監(jiān)測(cè)區(qū)深層水平位移監(jiān)測(cè)

2.1? 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

在深層水平位移監(jiān)測(cè)中，使用支持遠(yuǎn)程控制、內(nèi)置雙軸傳感器的YLZ-332測(cè)斜儀。測(cè)斜儀作為數(shù)據(jù)采集裝置，安裝方法如圖2所示。

圖2? 測(cè)斜儀安裝示意圖

在測(cè)量放樣的基礎(chǔ)上，找出標(biāo)記好的深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用鉆孔設(shè)備按照垂直于地面的方向進(jìn)行鉆孔，完成鉆孔后清理孔內(nèi)碎石并插入略小于孔徑的測(cè)斜管，起到保護(hù)探頭的作用。使用電纜線將探頭與數(shù)據(jù)采集儀連接起來，將探頭置于測(cè)斜管內(nèi)緩慢放下。就位后，啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行2 h后，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后開始記錄數(shù)據(jù)。YLZ-332測(cè)斜儀采用太陽能板和蓄電池組合供電，保證了野外數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性；為了節(jié)約能耗，當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制終端發(fā)出指令喚醒測(cè)斜儀，測(cè)量完畢后進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)。

2.2? 數(shù)據(jù)采集過程

2.2.1? 監(jiān)測(cè)控制

工作人員利用安裝在計(jì)算機(jī)或者是移動(dòng)設(shè)備上的客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)采集的請(qǐng)求。服務(wù)器響應(yīng)該請(qǐng)求后，根據(jù)工作人員的預(yù)設(shè)參數(shù)定時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)指令。該指令首先傳達(dá)到主機(jī)上，主機(jī)根據(jù)指令內(nèi)容單點(diǎn)喚醒待機(jī)的測(cè)斜儀，開始采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

2.2.2? 數(shù)據(jù)傳輸

測(cè)斜儀接收到主機(jī)發(fā)送的指令后，內(nèi)部的傳感器啟動(dòng)運(yùn)行并測(cè)量位移數(shù)據(jù)。利用光纖將采集到的數(shù)據(jù)再返回給主機(jī)。在數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次指令被喚醒。主機(jī)接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。在云服務(wù)器內(nèi)，首先從原始數(shù)據(jù)中獲取設(shè)備編號(hào)，用于辨認(rèn)當(dāng)前數(shù)據(jù)是從哪一臺(tái)傳感器獲得的；其次利用數(shù)學(xué)模型對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，最終結(jié)果在客戶端上直觀呈現(xiàn)，方便工作人員在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上了解深層水平位移情況?？紤]到需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，因此采用光纖通信模式，在滿足即時(shí)通信需求的前提下，還能增強(qiáng)抗干擾能力，保證了信號(hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

2.3? 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在深層水平位移的監(jiān)測(cè)中，共設(shè)置4個(gè)深孔采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖1所示。在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上鉆孔時(shí)，要求保證鉆孔垂直、孔徑要超過測(cè)斜管連接套外徑至少20 mm。鉆孔時(shí)選擇空氣潛孔錘鉆工藝，可以使孔壁光滑，保證成孔質(zhì)量。本次深部水平位移監(jiān)測(cè)中，開孔直徑為130 mm，終孔直徑為90 mm，采用3層結(jié)構(gòu)，最下層進(jìn)入基巖的長(zhǎng)度不小于5 m，如圖5所示。

圖5? 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

成孔后檢查成孔質(zhì)量，要求孔斜不超過2°，鉆孔實(shí)際深度不超過設(shè)計(jì)深度的±30 mm；全孔下套管，可以起到支撐作用，避免在觀測(cè)期間出現(xiàn)塌孔問題。鉆孔時(shí)還可以取出巖芯并結(jié)合超聲波測(cè)井了解監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況，為滑坡的預(yù)防和治理提供參考資料。

2.4? 深層水平位移監(jiān)測(cè)頻率

在測(cè)斜儀埋入監(jiān)測(cè)孔后的前24 h，每間隔8 h采集1次數(shù)據(jù)，之后每天采集1次數(shù)據(jù)，一周后每3天采集1次數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析，可以判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)前是處于“緩慢變形階段”還是“加速變形階段”。如果是緩慢變形，則將監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整為每周1次；如果是加速變形，則將監(jiān)測(cè)頻率保持為3天一次或者是1天一次。

3? 監(jiān)測(cè)區(qū)降雨量監(jiān)測(cè)

3.1? 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降水集中在每年的6—8月份。當(dāng)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)，滑坡區(qū)的土壤含水量迅速升高，土體的重力增加，穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生滑坡事故。因此，必須要在雨季做好降雨觀測(cè)，以便于及時(shí)采取工程措施防止山坡滑塌事故。雨量計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出到微控制器中。鑒于降雨具有時(shí)空分布不均的特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)中統(tǒng)計(jì)每小時(shí)的雨量，消除短時(shí)間內(nèi)雨量的分布差異。監(jiān)測(cè)儀器方面，采用JD-50B翻斗式雨量計(jì)，將雨量計(jì)布置在相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上（圖1）。在降雨期間，隨著降水量的增多翻斗會(huì)左右翻轉(zhuǎn)，每次翻轉(zhuǎn)傳感器都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)送到記錄器中。最后統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)次數(shù)即可得到累積降雨量。利用光纖將降雨量數(shù)據(jù)傳送至DATA-6211型微功耗測(cè)控終端，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換后在終端顯示當(dāng)前雨量。為了保證雨量計(jì)的穩(wěn)定性，將雨量計(jì)放在三角支架上進(jìn)行固定，再將三角支架的腿部澆筑在水泥墩中，放置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上。微功耗測(cè)控終端連接蓄電池和太陽能電池板，由蓄電池為微功耗測(cè)控終端和雨量計(jì)供電，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2? 監(jiān)測(cè)周期

每次降雨時(shí)，啟動(dòng)雨量計(jì)實(shí)時(shí)采集雨量，并統(tǒng)計(jì)每小時(shí)的累積余量上傳至測(cè)控終端。

4? 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

4.1? 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

監(jiān)測(cè)區(qū)所在的鄉(xiāng)村沒有系統(tǒng)性的排水網(wǎng)絡(luò)，生活污水和生產(chǎn)污水等直接排放并滲透到地下，導(dǎo)致地下水位較高；在降雨后，由于山體植被較為稀疏，雨水直接沖刷坡面，土體自重增加，抗剪強(qiáng)度變差。在多重因素的影響下，容易出現(xiàn)土體失穩(wěn)、山坡滑塌事故。因此，要想預(yù)防滑坡，必須要借助于儀器設(shè)備測(cè)定孔隙水壓力，計(jì)算公式為

P=K×（F 2-f 2 ），

式中：P表示孔隙水壓力，K表示孔隙水壓力系數(shù)，F(xiàn)表示孔隙水壓力計(jì)在壓力為0時(shí)的頻率，f表示孔隙水壓力計(jì)在測(cè)量時(shí)的頻率。根據(jù)孔隙水壓力可以推算出地下水位的深度，兩者之間的關(guān)系為

H=h-P/γ，

式中：H表示地下水位深度，h表示孔隙水壓力計(jì)的埋設(shè)深度，γ表示水的重度。在孔隙水壓力監(jiān)測(cè)方面，選用了JM-300/310型孔隙水壓力計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1），技術(shù)方法如下：

1）在安裝孔隙水壓力計(jì)前，工作人員需要將儀器前端的透水石取下，置于清水中浸泡至少1 h。在透水石浸泡期間，使用孔隙水壓力計(jì)測(cè)量大氣壓力值和現(xiàn)場(chǎng)溫度。測(cè)量完畢后，用毛刷蘸取適量的凡士林或潤滑油，將其均勻涂抹到鋼膜片上，然后重新安裝透水石，提高儀器的密封效果和監(jiān)測(cè)精度。在電纜上打印編號(hào)，并保證電纜編號(hào)和測(cè)頭編號(hào)相同。

2）選用“干鉆法”進(jìn)行鉆孔，孔徑為130 mm。為防止孔壁開裂導(dǎo)致孔內(nèi)滲水，可以在鉆孔過程中向孔內(nèi)加入少量的水起到潤滑作用。鉆孔深度超過20 cm后，開始下入套管起到護(hù)壁效果，并隨著鉆孔深度的增加隨時(shí)下放套管。實(shí)際鉆孔深度應(yīng)超過測(cè)點(diǎn)高度20～30 cm。完成鉆孔后，使用“沖洗法”清孔。將導(dǎo)管插入鉆孔底部，使用高壓水泵注入清水將孔底泥漿翻出。

3）將鋼絲穿過孔隙水壓力計(jì)的吊耳，避免電纜受力出現(xiàn)崩斷的情況。將設(shè)備緩慢放入鉆孔內(nèi)，達(dá)到指定深度后將鋼絲的另一端綁扎在地面的混凝土塊上，固定孔隙水壓力計(jì)，開始檢測(cè)孔隙水壓力。

4）測(cè)得的孔隙水壓力數(shù)據(jù)通過電纜傳輸至地面主機(jī)上，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后再傳輸至客戶端，方便工作人員直觀地掌握監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)孔隙水壓力的變化情況。

4.2? 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)頻率

通常情況下，在孔隙水壓力計(jì)放置后的24 h內(nèi)，每間隔8 h采集1次數(shù)據(jù)，之后每天觀測(cè)1次，一周后變?yōu)槊恐苡^測(cè)2次，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并分析當(dāng)前滑坡區(qū)屬于“緩慢變形階段”還是“快速變形階段”。如果屬于緩慢變形，則將觀測(cè)頻率調(diào)整為每周1次；如果屬于快速變形，則將觀測(cè)時(shí)間調(diào)整為每3天一次或者1天一次。

5? 結(jié)束語

基于GNSS與多傳感器組合技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，通過在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)合理布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法具有不受天氣影響、支持多測(cè)點(diǎn)同步測(cè)量、數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理等優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用該監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，一方面要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和監(jiān)測(cè)需要合理布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，另一方面還要發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理效率和分析深度，從而更加客觀、全面、及時(shí)地反映監(jiān)測(cè)區(qū)域滑坡體的位移情況、降水情況，指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防控工作的開展，切實(shí)保障鄉(xiāng)村居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

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