GNSS 監(jiān)測技術(shù)在黃土滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

龐浩 李駿

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620)

1 概述

山西省山地、丘陵面積占比大，受地形地貌、風(fēng)化凍融作用等因素的影響，地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積大，在各種地質(zhì)災(zāi)害中滑坡造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡不容小覷，僅2018年發(fā)生多次山體滑坡，如2018年4月30日呂梁市離石區(qū)棗林鄉(xiāng)彩家莊南溝發(fā)生土坡崩滑;2018年7月19日，山西省五臺山景區(qū)發(fā)生滑坡，景區(qū)交通干道完全被阻斷，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此對滑坡的監(jiān)測十分必要，但多年來對滑坡監(jiān)測手段主要是人工的目視巡查，以及貼條法、埋樁法等簡易的手段，監(jiān)測預(yù)警有著一定的局限性和滯后性。GNSS實(shí)時監(jiān)測技術(shù)能在無人值守的情況下進(jìn)行全天候24 h的監(jiān)測，能實(shí)時對坡體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，從而減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2 GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成、工作原理

GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，硬件系統(tǒng)以GNSS柜式監(jiān)測桿、監(jiān)測墩的形式設(shè)置在坡體變形監(jiān)測部位，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，部分監(jiān)測設(shè)備還具備有數(shù)據(jù)存儲功能［1］。GNSS監(jiān)測桿、監(jiān)測墩集成了GNSS接收機(jī)、GNSS天線、傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)及配件。GNSS接收機(jī)與服務(wù)器接入方式包括無線接入、有線接入。無線接入通過安裝物聯(lián)網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)測站點(diǎn)選址不受距離限制，但監(jiān)測站點(diǎn)應(yīng)選擇在通信信號穩(wěn)定的地段;有線接入需要對線路的搭建，優(yōu)點(diǎn)是傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不易受信號的影響。

軟件系統(tǒng)由GNSS數(shù)據(jù)采集、GNSS后處理解算及數(shù)據(jù)分析、在線監(jiān)測預(yù)警三部分軟組成。負(fù)責(zé)對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及預(yù)警信息的提示與發(fā)布。GNSS數(shù)據(jù)采集軟件接收采集的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存至服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析軟件即可實(shí)時解算并分析數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，若變形數(shù)據(jù)大于設(shè)定好的預(yù)警閥值便發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警的形式包括現(xiàn)場聲光報警、手機(jī)群發(fā)短信、電子郵件群發(fā)等多種形式。

3 GNSS技術(shù)在黃土滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 滑坡概況

晉城市某黃土滑坡地貌上屬侵蝕剝蝕中起伏低中山區(qū)與黃土丘陵區(qū)的交接部，構(gòu)造上位于晉獲斷裂帶東邊緣，受七佛山—游仙山向斜控制，滑坡位長約445 m，寬約237 m，坡高約90 m，巖性為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土為主，下伏基巖為二疊系砂巖、頁巖，坡度約35°，坡體的控制結(jié)構(gòu)面是土巖接觸面，由于黃土垂直節(jié)理極為發(fā)育和人工坡上加載等累進(jìn)性破壞造成抗剪強(qiáng)度降低，為推移式滑坡，受暴雨或久雨等因素的誘發(fā)產(chǎn)生的中型滑坡地質(zhì)災(zāi)害，坡體有多處地裂縫，可見深度最深達(dá)4 m，該村有村民54戶，常住人口210人，滑坡直接威脅著該地的村民人身安全和公路、居民建筑物等財(cái)產(chǎn)安全(見圖1)。

圖1 滑坡剖面示意圖

3.2 監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)

依現(xiàn)場踏勘情況，該滑坡體共布設(shè)監(jiān)測站6套，包括表面位移監(jiān)測站5套(基準(zhǔn)點(diǎn)1套、測量點(diǎn)4套)雨量站1套。監(jiān)測網(wǎng)根據(jù)滑坡體的地質(zhì)因素、通信信號件及施工要求，布設(shè)為梯型。

前緣(西)位移監(jiān)測點(diǎn)SKYDHZX-010位于西圪咀;前緣(東)位移監(jiān)測點(diǎn) SKYDHZX-011位于菜地;后緣位移監(jiān)測點(diǎn)SKYDHZX-009位于村大院地里;中部位移監(jiān)測點(diǎn)SKYDHZX-008位于梨園地內(nèi);位移基準(zhǔn)點(diǎn)SKYDHZX-007位于移動信號塔東側(cè)地里。以上各點(diǎn)均滿足基本安裝要求，即設(shè)備上方45°內(nèi)凈空，無遮擋無陰影;監(jiān)測站點(diǎn)周邊范圍內(nèi)無強(qiáng)電磁場或強(qiáng)振動源;無線公網(wǎng)通訊信號通暢穩(wěn)定;位移基準(zhǔn)站設(shè)立于滑坡體范圍外的穩(wěn)定基巖(見圖2)。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位置圖

3.3 滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)選取設(shè)備安裝調(diào)試完成后2個月的滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可根據(jù)旱季雨季等因素人為設(shè)定數(shù)據(jù)的傳輸頻率，當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)定每天傳輸一個變形監(jiān)測和雨量數(shù)據(jù)，由表1分析可知，上月變化量在X向上最大為SKYDHZX-08監(jiān)測點(diǎn)，為3.16 mm，最小為SKYDHZX-09監(jiān)測點(diǎn)，－0.79 mm;Y向最大為SKYDHZX-10監(jiān)測點(diǎn)，－2.54 mm，最小為 SKYDHZX-11 監(jiān)測點(diǎn)，0.02 mm;H 向最大為SKYDHZX-10監(jiān)測點(diǎn)，－10.4 mm，最小為SKYDHZX-11監(jiān)測點(diǎn)，－1.14 mm。本月變化量在X向上最大為SKYDHZX-08監(jiān)測點(diǎn)，為3.16 mm，最小為 SKYDHZX-09監(jiān)測點(diǎn)，－0.79 mm;Y 向最大為SKYDHZX-10監(jiān)測點(diǎn)，－2.54 mm，最小為SKYDHZX-11監(jiān)測點(diǎn)，0.02 mm;H 向最大為 SKYDHZX-10 監(jiān)測點(diǎn)，－10.4 mm，最小為SKYDHZX-11監(jiān)測點(diǎn)，－1.14 mm。總體趨勢上看，所有測點(diǎn)的變形量均在合理可控范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)變形增大趨勢。這說明在這兩個月的監(jiān)測時段內(nèi)，滑坡體總體趨于穩(wěn)定。

表1 GNSS站點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果表 mm

圖3 8號機(jī)GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

圖4 9號機(jī)GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

由圖3～圖6看出滑坡目前變形位移量較小，變形速率較低，坡體目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，值得注意的是在2月1日、2月11日前后邊坡位移尤其豎向位移波動較大，查詢雨量站數(shù)據(jù)(如圖7所示)可看出2月1日、2月10日監(jiān)測到降水的數(shù)據(jù)，推測降水對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利的影響，若出現(xiàn)滑坡后部加載、滑坡前部切坡、在無有效支擋條件下受暴雨、地震等情況，會使滑坡產(chǎn)生滑動變形。因此在降水條件下應(yīng)當(dāng)加密監(jiān)測頻率，并采用相應(yīng)的措施，防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

圖5 10號機(jī)GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

圖6 11號機(jī)GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

圖7 雨量站數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)語

本文以晉城市某黃土滑邊坡監(jiān)測為例，通過結(jié)合滑坡位移變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)對照分析，驗(yàn)證結(jié)果為GNSS實(shí)時變形監(jiān)測技術(shù)適用于黃土滑坡監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明:監(jiān)測站點(diǎn)的平面位移變化較小，未發(fā)現(xiàn)變形增大的趨勢，滑坡受降水影響位移量有一定的波動，滑坡目前處基本穩(wěn)定狀態(tài);GNSS技術(shù)應(yīng)用于黃土滑坡監(jiān)測的有效性、可行性得以驗(yàn)證，該技術(shù)值得在同類型滑坡監(jiān)測中推廣。