GNSS技術在地震災區滑邊坡變形監測中的應用

寧德懷，董 燕*，柳志云，劉 艷

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2.中國水利顧問集團 昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650093)

GNSS技術在地震災區滑邊坡變形監測中的應用

寧德懷1，董 燕1*，柳志云2，劉 艷1

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2.中國水利顧問集團 昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650093)

地震會導致大量的滑坡出現，滑坡邊坡失穩會導致重大的次生災害發生。利用GNSS技術在魯甸地震災區紅石巖段滑坡右岸表面建立自動化監測系統，布設6套監測點，通過對數據的采集處理，對數據的坐標變形量及精度進行解算，提取出監測點的三維坐標變形量，作累計位移統計，繪制位移變化過程線，分析滑坡體表面的垂直位移和水平位移變化規律，并結合人工測縫和自動測縫實測資料以及滑坡變形監測技術要求，對滑坡體表面進行監測和分析，得出該滑坡山體穩定、沒有明顯趨向性變形的結論。

滑坡監測； GNSS； 位移統計； 變形分析

在我國，每逢地震發生，都會伴隨大量的山體滑坡發生。滑坡體在自身重力及雨水產生的水壓力等內、外因素作用下，會使土體向某個方向發生變形并向下滑動。滑坡被認為是僅次于地震的第二大地質災害[1]，造成的經濟損失往往不可估量，嚴重威脅人們的生命財產安全。滑坡與其他自然災害一樣，有其特殊的分布和演化規律[2]。因此，如何對滑坡區域進行科學有效、準確及時的分析與預測就變得相當重要，也具有非常重要的研究價值。

1 研究背景

2014年8月，魯甸發生6.5級強震。災區地處云南高山區域，地殼活動活躍，地質結構復雜，特殊的地理環境導致該區域地震頻發。此次地震伴隨大量降雨，在地震力及強降雨滲透等因素的共同作用下，牛欄江干流紅石巖河段兩岸土體的摩擦力減小，抗剪強度降低，加之重力的作用，造成滑坡體失穩，導致大量山體滑坡、泥石流等自然災害的發生。在了解災區地形地貌、地質結構條件及附近相關水利設施工程布置地點后，通過現場踏勘得知，右岸滑坡多以碎石塊為主，主要為弱風化灰巖。據統計，兩岸滑坡總方量約1 200萬m3。強震后通常會伴隨余震，加之右岸滑坡碎石塊較粗，塊徑30 cm以上的約占45%，如果發生次生災害，后果不堪設想。為了避免重大次生災害事故的發生，以免牛欄江干流堰塞湖潰壩威脅救援人員的生命安全，特采用GNSS自動化監測系統實時動態地監測滑坡區域的三維空間位置變化。

2 滑坡變形監測的方法

滑坡變形監測主要采用簡易觀測法、設站觀測法、儀表觀測法和遠程監測法等[3]。其中，屬于遠程監測法的GNSS技術在災后變形監測領域應用廣泛。GNSS技術是全球導航定位系統的簡稱，主要指中國的北斗導航定位系統(BDS)、美國的GPS、俄羅斯的GLONSSS和歐洲的Galileo[4]。GNSS技術可直接獲得監測點的三維坐標變形量和同一滑坡面上兩點間的基線數據，能更準確全面地統計位移變形值。各種滑坡變形監測方法的優缺點詳見表1。

3 GNSS技術在本案例監測中的技術要求

應用GNSS技術監測滑坡體的三維變形量，通常包括布設監測網、數據采集、數據處理和分析等3個階段。在本次監測工作中，由于已滑區域極度不穩定，所以將基準點和工作點埋設在滑坡區域以外的顯著特征點上。為了便于分析和研究滑坡走勢，特將Y軸方向與滑坡總體位移方向基本保持一致。同時，GNSS監測點在貫通性裂縫與山崖線間均勻布設觀測墩，避開樹林茂密區，具有良好的天空觀測環境。

表1 滑坡變形監測方法的優缺點比較

3.1 監測項目的范圍和內容

震區地質災害破壞嚴重，范圍較廣，只能先對重點部位，即紅石巖滑坡段左右岸邊坡和庫區的珍珠泉滑坡區域進行監測。魯甸縣地處高山區，監測區域地勢陡峭，坡度在70°～90°[5]，某些地方還有倒懸的土石體，是一個非常危險的落石地段，利用常規的全站儀是不可能布設儀器監測的，本研究主要利用右岸布設的6個GNSS測點(圖1)。此外，在有代表性的裂縫處布設12支自動測縫計，用以統計分析裂縫的發展趨勢。

圖1 滑坡體表面監測點的布置

3.2 儀器的選擇和實施措施

地震后常會產生余震和強降雨，滑坡區域本身就處于不穩定狀態，不穩定因素很強。為了保證相關儀器設備的安全，儀器的選擇應盡可能輕量化、自動化、一體化，以便有危險發生時能快速撤離作業現場。作業現場巖體松散，交通不便，危險系數大；為了保證施測人員的安全，所有人必須穿戴安全防護裝備，并設專門的安全員瞭望。

3.3 監測頻次

監測過程中，自動測縫計采集數據周期固定為1 h。GNSS變形監測采集頻次為1 Hz，實采實發，測值解算時間根據現場情況采用2、4、6、24 h間隔測值。

3.4 精度要求

依據《工程測量規范》《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》等相應的標準、規范和規程，滑坡監測點的精度要求如下：剛性巖質，水平位移點中誤差不超過6 mm，垂直沉降高程中誤差不超過3 mm，地表面裂縫觀測中誤差不超過0.5 mm；松軟土質，水平位移點中誤差不超過12 mm，垂直沉降高程中誤差不超過10 mm，地表面裂縫觀測中誤差不超過5 mm。

4 滑坡變形監測數據的應用分析

4.1 測縫計縫寬變形統計分析

鑒于訂購儀器未能及時運達現場，在正式監測前，為了盡快取得第一手現勢性數據，特于右岸布設9組簡易測縫標志，實行人工測縫，結果如圖2所示。如圖3所示，自動測縫所對應Ⅰ期數據為2014年11月28日累計縫寬值，Ⅱ期數據為2014年12月5日累計縫寬值，累計縫寬精確至0.1 mm。

圖2 人工測縫寬度統計結果

圖3 自動測縫寬度統計結果

由圖2可知，自2014年8月24日至9月15日，在近20 d的時間里，右岸最具代表性的貫通性裂縫累計變化量幾乎為0。這說明裂縫沒有出現明顯開合，裂縫兩邊相對比較穩定。

由圖3分析可得，自2014年11月28日至12月5日的一周時間內，12組裂縫寬度的周變化量均小于1 mm。累計縫寬較大的是JL- 01號測點和JL- 03號測點，累計縫寬值分別為5.34和2.82 mm。JL- 05號測點和JL- 06號測點分別減小2.15和2.09 mm。由此可見，自開始監測到12月5日，裂縫開合度變化很小，沒有明顯變化趨勢，裂縫兩邊相對穩定。

4.2 GNSS滑坡監測點變形分析

采用HGO軟件，引用10 d的數據進行解算，HSYR- 06的坐標變形量和精度見表2。測點累計位移統計見表3。其中，X軸以牛欄江上游為正，從HSYR- 01號點指向HSYR- 06號點方向。為了便于分析滑坡走向趨勢，特將Y軸方向指向對岸左岸為正，H軸垂直于X、Y軸組成的平面，為豎向。

表2 HSYR- 06坐標變形量和精度

表3 GNSS測點累計位移統計結果

由表3分析可知，周變化量在X向上最大為HSYR- 05測點，3.8 mm，最小為HSYR- 01測點，-1.3 mm；Y向最大為HSYR- 01測點，8.4 mm，最小為HSYR- 04測點，-3.3 mm；H向最大為HSYR- 05測點，17.0 mm，最小為HSYR- 01測點，0.5 mm。在周變化速率方面：水平位移變形最快的是HSYR- 01測點，達1.2 mm·d-1；垂直方向變化速率最快的是HSYR- 05測點，達2.4 mm·d-1。但從總體趨勢上看，所有測點的變化速率均在可控范圍內，看不出較大的變形趨勢。這說明在監測時段內，滑坡區域邊坡趨于穩定。

結合表2～3分析得知，滑坡區域右岸邊坡GNSS測點未出現異常變形。值得一提的是，GNSS技術在豎直位移分量上采集的數據精度一般較低，要比X、Y分量的精度低1倍左右；所以，如果考慮這個因素，那么對于測點HSYR- 05和HSYR- 06，其豎直方向的沉降值完全在穩定范圍內，認為地面沉降沒有明顯變形，滑坡邊坡區域穩定。

HSYR- 01和HSYR- 06的三維位移變化過程線見圖4～5，其中豎向的變形值可取一半左右作為參考。先將每天所采集的數據在三維分量上分別求平均值，然后再繪制GNSS監測點三維方向的“時間—位移”變形過程線。也就是說，將每個測點所采集的數據統計為一天一個三維坐標變形值，再繪制變形曲線圖。

由圖4及數據統計分析可知，自2014年9月始至監測期結束期間，GNSS監測點HSYR- 01在X向的最大變形值為22.61 mm，最終累計變形值為-16.45 mm，在Y向的最大變形值為14.24 mm，最終累計變形值為6.5 mm，在H向的最大變形值為31.6 mm，最終累計變形值為8 mm。這說明，HSYR- 01測點在連續8個月的監測過程中，變形值雖稍大，但監測點沒有明顯變形趨勢，HSYR- 01號測點在觀測時段內趨于穩定。

圖4 HSYR- 01位移變化過程線

圖5 HSYR- 06位移變化過程線

由圖5及數據統計分析可知，GNSS監測點HSYR- 02、HSYR- 03、HSYR- 04、HSYR- 05、HSYR- 06均未出現異常變形，除HSYR- 05和HSYR- 06在豎向上有所偏大，三維方向上的其他最終累計變形值均在10 mm以內，GNSS測點的平面位移較小，沒有明顯的變形趨勢，滑坡表面在觀測時段內穩定。

5 小結

通過魯甸地震災區滑邊坡監測的實例，驗證了GNSS技術完全適用于在地形條件復雜的山區做滑坡變形監測。監測結果表明：GNSS監測點的平面位移變化較小，沒有明顯的變形趨勢，滑坡區域表面穩定；GNSS監測的水平位移精度與常規大地測量相當，完全滿足高山區域滑坡變形監測的精度要求；由于地球表面各種復雜因素的影響，GNSS在高程測量方面存在局限，高程測量精度可取水平位移分量1倍左右作為參考；GNSS技術能獲取較高精度的數據，具有自動化晝夜連續監測的能力，適合應用于地震災區滑、邊坡應急監測領域，具有很好的應用前景。

[1] 張勤.李家權.GPS測量原理及應用[M].北京：科學出版社,2005:232- 233.

[2] 姚艷麗, 蔣勝平, 王紅平,等. 基于地面三維激光掃描技術的滑坡模型監測與預測[J]. 測繪科學, 2014, 39(11):42- 46.

[3] 湯運濤. GNSS技術在滑坡應急變形監測中的應用[J]. 黃金, 2016, 37(5):70- 75.

[4] 周建鄭.工程測量[M].2版.鄭州：黃河水利出版社,2010:384.

[5] 王濤, 李向新, 柳志云. GPS在阿海水電站庫區新建滑坡體監測中的應用[J]. 河南科學, 2013, 31(10):1659- 1663.

(責任編輯：高 峻)

2016- 10- 19

寧德懷(1987—)，男，云南宣威人，助理工程師，碩士，研究方向為地理信息技術與開發應用，E- mail:584059501@qq.com。

董 燕(1974—)，女，云南石屏人，副教授，碩士，研究方向為GIS開發與應用，E- mail:dongyanchina@sina.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170347

P228.4

B

0528- 9017(2017)03- 0514- 04

文獻著錄格式：寧德懷，董燕，柳志云，等. GNSS技術在地震災區滑邊坡變形監測中的應用[J].浙江農業科學，2017，58(3)：514- 517.