基于GNSS的綜合監(jiān)測(cè)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用
——以105國(guó)道湖光山莊段為例

蘇麗薇

前言

105國(guó)道是國(guó)家級(jí)南北主干道，起點(diǎn)為北京，經(jīng)過天津市、河北省、廣東省等9個(gè)省(市/特別行政區(qū))，終點(diǎn)為澳門特別行政區(qū)，全程2717km。

其中一段經(jīng)過廣州市從化區(qū)良口鎮(zhèn)南山村（湖光山莊北側(cè)），該處原為一老滑坡，1989年曾發(fā)生過滑移。2004年4月中旬，因105國(guó)道改造，坡腳開挖，造成滑坡產(chǎn)生新的變形，同年5月下旬，因連降暴雨，滑坡變形加速，并造成湖光山莊網(wǎng)球場(chǎng)邊水泥路面產(chǎn)生多條裂縫，暫停使用。隨后對(duì)滑坡體進(jìn)行過卸載及增設(shè)抗滑樁治理。多次邊坡變形，雖未造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，但由于該處滑坡位于重要交通要道，仍存在對(duì)湖光山莊、105國(guó)道及國(guó)道北西側(cè)的村莊的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡變形情況，于2014年開始采用基于GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的綜合專業(yè)監(jiān)測(cè)手段對(duì)湖光山莊段實(shí)施滑坡地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)。

環(huán)境背景概況

湖光山莊滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于廣東省從化區(qū)良口鎮(zhèn)105國(guó)道南面，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°47′05″、北緯23°44′45″。監(jiān)測(cè)點(diǎn)北側(cè)附近為橫截流溪河干流的流溪河水庫(kù)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)地貌總體為中山，地形坡度一般在35°～50°之間，主要為修路建房的人工邊坡。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆孔揭露，監(jiān)測(cè)點(diǎn)地層巖性表層為第四系坡殘積黏性土層（厚4.5～20.5m）和人工填土層（厚2.1～10.0m），基底為晚侏羅世中粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖（圖1）。監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水，水量均較貧乏，大氣降水是監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水的主要補(bǔ)給來源，地下水向低洼處徑流，排泄于流溪河中。

綜合監(jiān)測(cè)布置情況

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，布置該處的專業(yè)監(jiān)測(cè)須從地形地貌、降雨量、巖土及水文地質(zhì)條件、滑坡特征等多方面進(jìn)行綜合考慮。因此，湖光山莊滑坡邊坡采用了雨量監(jiān)測(cè)儀、地表位移監(jiān)測(cè)儀、深部位移監(jiān)測(cè)儀3種儀器進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。其中雨量監(jiān)測(cè)儀1套、地表位移監(jiān)測(cè)儀4套、深部位移監(jiān)測(cè)儀2套（圖2），分別用于監(jiān)測(cè)降雨量、滑坡表面位移和內(nèi)部位移，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)即時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

（一）雨量監(jiān)測(cè)儀

雨量監(jiān)測(cè)儀與地表位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站一起安裝在滑坡體外圍一幢辦公樓樓頂（圖3），距滑坡體距離約260m。降雨量采用DJ05型翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)。雨量計(jì)為降水量測(cè)量一次儀表，由承雨口、濾網(wǎng)、一體化支架、引水漏斗、一體化上翻斗組件、翻斗、翻斗支承、傾角調(diào)節(jié)裝置、水平調(diào)節(jié)裝置、恒磁鋼、干簧管、信號(hào)輸出端子、排水漏斗、底座、不銹鋼筒身、底座支承腳等組成，具有自滌灰塵、容易清洗的功能，其性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《翻斗式雨量計(jì)》（GB/T 11832—2002）相關(guān)要求。與其他的雙翻斗式雨量計(jì)不同，本型翻斗式雨量計(jì)的下翻斗上增加了一個(gè)活動(dòng)分水板和兩個(gè)用于改變活動(dòng)分水板回轉(zhuǎn)方向的限位柱，在翻斗翻水過程中，本儀器的活動(dòng)分水板頂端分水刃口能自動(dòng)地回轉(zhuǎn)到降水泄流水柱的邊緣臨界點(diǎn)位置，當(dāng)翻斗水滿開始翻水時(shí)，分水刃口即會(huì)立即跨越泄流水柱完成兩個(gè)承水斗之間的降水切換任務(wù)，由此縮短了降水切換時(shí)間，減小了儀器測(cè)量誤差。

圖1 湖光山莊監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)圖

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器分布圖

圖3 雨量監(jiān)測(cè)儀與地表位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站

1.雨量計(jì)安裝

（1）定做雨量計(jì)鋼架，尺寸為1000mm（為提高觀測(cè)資料的連續(xù)性和可比性，安裝沿用南方地區(qū)通用的1.0m高度），在半徑為R116mm的圓周上，等間距鉆出3個(gè)?12mm的圓孔，圓孔內(nèi)放入M8×100mm膨脹螺栓。然后把鋼架固定于樓頂。

（2）把雨量計(jì)安置于鋼架中，接好排水管、供電電纜、信號(hào)輸出電纜等，調(diào)整調(diào)平螺母，使圓水泡居中（表示計(jì)量組件處于水平狀態(tài)），然后用螺釘鎖緊。用手輕輕撥轉(zhuǎn)翻斗部件，檢查接受部分的信號(hào)是否正常。套上筒身，用三個(gè)螺釘鎖緊。至此，雨量計(jì)安裝完畢。

2.雨量計(jì)調(diào)試

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)使用量杯進(jìn)行3次人工注水試驗(yàn)(每次注水10mm，5至10min內(nèi)均勻注完水量)，并觀測(cè)儀器記數(shù)是否與所注入水量一致。測(cè)試允許誤差為±0.2mm/10mm，超過誤差進(jìn)行調(diào)整。

（二）地表位移監(jiān)測(cè)儀

地表位移監(jiān)測(cè)儀由地表位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站（GPS0）和地表監(jiān)測(cè)站組成，地表監(jiān)測(cè)站設(shè)置3處，位于滑坡坡面。地表位移監(jiān)測(cè)儀和深部監(jiān)測(cè)儀布設(shè)剖面圖見圖4。

1. GNSS設(shè)備安裝

地表位移監(jiān)測(cè)儀器采用南方GNSS監(jiān)測(cè)機(jī)SM02，參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SM02主機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目共設(shè)置3套GNSS監(jiān)測(cè)站和1套GNSS基準(zhǔn)站。

2.選址

圖4 地表位移監(jiān)測(cè)儀和深部監(jiān)測(cè)儀布設(shè)剖面圖

GNSS觀測(cè)站選址的流程主要包括踏勘和分析兩個(gè)階段。踏勘工作主要是在擬選位置實(shí)地察看觀測(cè)條件，是否具有良好的衛(wèi)星跟蹤條件，測(cè)站視場(chǎng)是否開闊，高度角10°以上有無障礙物等。分析工作主要包括進(jìn)行高度角10°以上成功跟蹤衛(wèi)星數(shù)據(jù)百分比測(cè)試、數(shù)據(jù)完整性測(cè)試、周跳測(cè)試、監(jiān)測(cè)站時(shí)鐘測(cè)試、多路徑測(cè)試等工作。其中，基準(zhǔn)站（GPS0）選在遠(yuǎn)離邊坡變形區(qū)域，點(diǎn)位穩(wěn)固的滑坡體外圍一幢辦公樓樓頂；監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（GPS1、GPS2、GPS3）選在邊坡坡面位置。

3. GNSS天線安裝

觀測(cè)墩頂上安裝的強(qiáng)制對(duì)中器頂端加工有5/8英制螺旋以固定GNSS天線，天線柱下端通過螺栓與GNSS天線底座牢固連接，以確保整個(gè)天線安裝裝置與觀測(cè)墩形成一個(gè)整體。

4. GNSS監(jiān)測(cè)站安裝

將GNSS天線與監(jiān)測(cè)站連接好之后，連接PWR接口接通電源，需立即查看GNSS監(jiān)測(cè)站各狀態(tài)信號(hào)指示燈情況，檢查GNSS天線與監(jiān)測(cè)站的連接情況。

5.調(diào)試

通過專用軟件對(duì)GNSS監(jiān)測(cè)站的各項(xiàng)參數(shù)如采集頻率、位移基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)端口等進(jìn)行設(shè)置。

（三）深部位移監(jiān)測(cè)儀

深部位移監(jiān)測(cè)采用GN-1B測(cè)斜儀（見表2）對(duì)滑坡體內(nèi)部變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表2 GN-1B測(cè)斜儀相關(guān)參數(shù)

本項(xiàng)目共布置2個(gè)測(cè)斜孔（CX1、CX2），每個(gè)測(cè)斜孔位安裝3臺(tái)測(cè)斜儀，測(cè)斜儀布設(shè)于GPS1和GPS2附近的土體中。

1.測(cè)斜管安裝

先將測(cè)斜管裝上管底蓋，用螺釘或膠固定。測(cè)斜管與測(cè)斜管之間用管接頭連接，測(cè)斜管與管接頭之間用螺釘固定后涂膠填縫密封。

測(cè)斜管在安裝中應(yīng)注意導(dǎo)槽的方向，導(dǎo)槽方向必須與滑坡主滑的方向一致。安裝時(shí)將裝好接頭的測(cè)斜管依次逐節(jié)放入鉆孔中，直至連接到設(shè)計(jì)深度的孔底。

當(dāng)確認(rèn)測(cè)斜管安裝完好后即可進(jìn)行回填，回填一般用膨潤(rùn)土球或原土砂。回填時(shí)每填至3～5m時(shí)要進(jìn)行一次注水，注水是為了使膨潤(rùn)土球或原土砂遇水后與孔壁結(jié)合得牢固，以此方法直至孔口。露在地表上的測(cè)斜管應(yīng)注意做好保護(hù)，蓋上管蓋防止物體落入。測(cè)斜管地表管口段應(yīng)澆注混凝土，做成混凝土墩臺(tái)以保護(hù)管口及其轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定性。墩臺(tái)上應(yīng)設(shè)置測(cè)繪標(biāo)點(diǎn)。

安裝完成后的測(cè)斜管應(yīng)先用模擬測(cè)斜儀試放，試放時(shí)測(cè)斜管互成90°的兩個(gè)導(dǎo)向槽都應(yīng)從下到上試放到，保證模擬測(cè)斜儀在測(cè)斜管導(dǎo)槽內(nèi)能從上到下或從下到上均平穩(wěn)順暢通過，以此作為測(cè)斜管安裝完好的標(biāo)志。

2.儀器安裝

固定測(cè)斜儀從生產(chǎn)廠家出廠時(shí)為散件包裝，安裝前首先應(yīng)檢查測(cè)斜儀的導(dǎo)向輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，扭簧是否有力。檢查測(cè)斜儀部件是否工作正常（以鉛垂線為基準(zhǔn)傾向高端導(dǎo)向輪一側(cè)讀數(shù)增大，傾向另一側(cè)讀數(shù)減小），按設(shè)計(jì)高程截取連接鋼絲繩（設(shè)計(jì)高程加25cm），并將固定測(cè)斜儀用鋼絲繩首尾相連，按設(shè)計(jì)圖紙要求的數(shù)量組裝成一個(gè)個(gè)測(cè)量單元。吊裝是按一個(gè)個(gè)測(cè)量單元的順序放入測(cè)斜管內(nèi)（圖5），每個(gè)測(cè)量單元之間用鋼絲繩連接，連接務(wù)必牢靠，各個(gè)測(cè)量單元的所有導(dǎo)向輪方向必須一致。

如在測(cè)孔內(nèi)只安裝一套儀器，只需把固定測(cè)斜儀頭部與鋼絲繩連接即可。在安裝時(shí)要根據(jù)被測(cè)體需要觀測(cè)的位移方向，先將測(cè)桿導(dǎo)輪的正方向(高輪方向)對(duì)準(zhǔn)測(cè)斜管的測(cè)量平面的主方向，緩緩滑入測(cè)管內(nèi)，理順儀器電纜，每放一段深度用自鎖扎帶把電纜同吊裝鋼絲繩纏在一起，不要扎在固定測(cè)斜儀的部件上。當(dāng)放到設(shè)計(jì)高程后把最后吊裝鋼絲繩固定在孔口裝置的橫軸上用鎖扣鎖緊，將電纜按設(shè)計(jì)走向埋設(shè)。

圖5 安裝測(cè)斜儀器

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

需要注意的是每套固定測(cè)斜儀要按順序作好編號(hào)記錄，所有電纜要松弛不能拉緊。下放完成后應(yīng)核查儀器高程是否準(zhǔn)確，并拉動(dòng)吊裝鋼絲繩用讀數(shù)儀檢查每支測(cè)斜儀的工作是否正常，隨后記錄穩(wěn)定的初始讀數(shù)。

（四）供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)需根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況及為以后推廣此監(jiān)測(cè)方式考慮（許多地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)難以提供市電）。本次在監(jiān)控中心采用市電供電方式，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備用太陽(yáng)能供電方式，通過調(diào)整太陽(yáng)板功率和蓄電池容量，來保證陰雨天氣下的不間斷供電時(shí)間。按照100W太陽(yáng)板和100Ah蓄電池，保證陰雨天氣下可滿足所供設(shè)備工作8天。

（五）通信系統(tǒng)

基于監(jiān)測(cè)區(qū)域復(fù)雜的地形環(huán)境，同時(shí)盡量不對(duì)現(xiàn)有景區(qū)建設(shè)造成破壞，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸宜采用GPRS無線通信技術(shù)。利用無線通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，具有安裝方便、移動(dòng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器組、現(xiàn)場(chǎng)主控單元和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心三級(jí)組成（圖6）。

（一）傳感器組

傳感器組布設(shè)于滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)各類參數(shù)的測(cè)量，并將數(shù)據(jù)傳送給現(xiàn)場(chǎng)主控單元。傳感器組是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要測(cè)量單元，包括深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地表位移計(jì)、土壤含水率等監(jiān)測(cè)儀器。

（二）現(xiàn)場(chǎng)主控單元

現(xiàn)場(chǎng)主控單元也布設(shè)于滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，包括數(shù)據(jù)采集傳輸單元、電源管理單元和防雷單元，是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器的管理中心，控制各傳感器的工作模式和工作狀態(tài)，對(duì)傳感器組上傳的各類參數(shù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)，并通過GPRS或短信實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互。

（三）數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和控制中心，控制整個(gè)系統(tǒng)的工作模式和工作狀態(tài)，接收現(xiàn)場(chǎng)主控單元上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、處理、分析、預(yù)警管理、顯示輸出和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；是系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，接收用戶的控制指令，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)主控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備工作方式的控制。

結(jié)語(yǔ)

105國(guó)道湖光山莊段地處非地震易發(fā)區(qū)，大氣降水是產(chǎn)生或加劇邊坡變形的主要因素，因此，該段滑坡專業(yè)監(jiān)測(cè)加入了雨量監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合地表位移監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)多角度全方位監(jiān)測(cè)，達(dá)到災(zāi)害鏈綜合監(jiān)測(cè)的目的。同時(shí)，全時(shí)監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)了從人工觀測(cè)到現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，有利于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別的專業(yè)化。此外，綜合監(jiān)測(cè)手段運(yùn)用GNSS技術(shù)從地表的“幾何形態(tài)和形變”方面揭示災(zāi)害體的形態(tài)與位移變化特征，結(jié)合地面觀測(cè)和物理模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、處理、分析，設(shè)置預(yù)警域值能實(shí)現(xiàn)通過GPRS或短信向指定系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警信息，大大提高了監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

災(zāi)害鏈綜合監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別和預(yù)報(bào)預(yù)警能力是地質(zhì)災(zāi)害隱患專業(yè)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵所在，105國(guó)道湖光山莊段滑坡采用基于GNSS的綜合專業(yè)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測(cè)是滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)新嘗試，效果良好，對(duì)同類地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)控具有一定的參考意義。