“普查分級+重點監測”的滑坡監測方案研究

潘成瑜

(廣西寧鐵測繪科技有限公司，南寧 530001)

1 概述

斜坡巖土體沿著剪切破壞面在重力作用下發生地質滑移運動的現象，稱為滑坡[1]。我國幅員遼闊且地形地貌特征較為復雜，部分地區滑坡體災害運動劇烈。大規模資源開發、工程興建和氣候氣象變化等因素，已逐漸成為滑坡災害頻繁發生的主要誘因。如圖1所示，貴州水城受連續強降雨影響，發生特大山體滑坡災害，滑坡面積約40萬m2，區域內78%的房屋被埋。

圖1 貴州六盤水水城縣滑坡災害

據中國地質調查局公布的《全國地質災害通報(2019年)》，僅在2019年，全國滑坡災害就發生4 220起，共造成299人傷亡或失蹤，直接經濟損失27.7億元。盡管投入大量的人力和資金進行滑坡災害的監測預警和災后治理，但由于隱患點普查難度大、監測資源有限、監測方案不完善等因素，成功預報的地質災害僅占15.3%。尤其在鐵路建設工程中，受路塹、隧道開挖等施工影響，線路周邊滑坡災害發生的數量和危險性都在不斷增長。

針對滑坡災害的監測、預測，許多相關解決方案被相繼提出[2]。王慶國將三維激光點云與航空影像相結合，通過數據融合去噪、重建地表模型、剖面采樣分析等手段，對滑坡變形規律進行了研究[3]；趙寶強將兩種時序InSAR技術綜合應用于青海省高家灣滑坡變形監測中，獲得了地表緩慢的相對變形數據[4]；由于InSAR衛星運行路徑固定、滑坡體結構變化復雜多樣，導致檢測結果與真實形變之間存在較大誤差；白正偉將自研的千元級北斗/GNSS滑坡監測傳感器以及監測云平臺應用于黑方臺滑坡監測，獲得了較好的應用效果[5]；YU BING等提出蠕變破壞理論概念，認為各因素之間的關系和實際值預測值擬合度可用于推斷地質災害滑坡體概率，但其預測預報精度不高，且存在不確定性[6]。

滑坡監測的目的是實時掌握災害體形變信息，超前做出預測預警，為災害的防控和治理提供可靠的基礎信息資料[7]。工作開展的基礎是對滑坡災害隱患區域開展全面的隱患點普查。然而，勘察區域地形復雜、面積過大且辨識難度高，通過人工及傳統監測手段進行全方面的隱患點普查難度非常大，需要耗費大量的人力物力。此外，現有的滑坡監測方案大多僅采用單種監測設備，不僅對于滑坡體影響因子參數采集較為單一，無法為其狀態分析和預警判斷提供可靠的數據支持，還存在著監測資源利用率低下、高危區域監測數據不足等現象，從而導致滑坡體發育變形預測誤差較大，無法做到精準有效的監測和預報。

為此，提出了“普查分級+重點監測”的滑坡監測方案，使監測工作做到“不重不漏、重點監測”，可有效提升監測的準確性和預警響應效率，降低監測成本投入。

2 災害隱患區域普查與分級

2.1 “InSAR+無人機”遙感技術大范圍災害普查

InSAR技術是近年來新興的區域地表變形監測技術，利用覆蓋同一區域的兩幅SAR影像數據，通過微波干涉原理和激光測距原理可探測地表mm級的微小形變和高程差異。其獲取的數據具有高精度、高分辨率、覆蓋范圍廣[8]、快速便捷和成本低廉等優點。無人機遙感技術系統集成了遙感觀測技術、無人飛行器技術、GNSS定位技術等眾多先進技術，可快速獲取檢測區域內的各種專題信息[9]，自動化和智能化程度較高。相較于航天衛星遙感技術，無人機遙感技術可以避免氣象條件和時空條件的制約，靈活性和適應性較強。

大多數滑坡災害隱患區域位于地層結構松散的山體斜坡，這些區域地形陡峭險峻且多被茂密的植被覆蓋，人類難以涉足。通過人工進行隱患區域普查不僅面臨著巨大的工作難度和風險，還容易造成漏查，埋下安全隱患。因此，采用INSAR技術定期獲取滑坡災害隱患區域的SAR衛星影像，通過數據預處理、主影像選擇、干涉相位計算、地形相位去除等步驟[10]，分析得到目標區域mm級精度的地表形變速度場，結合無人機影像解譯，經過分析評估探測得到地質災害隱患周邊區域不均勻沉降及沉降漏斗，識別潛在滑坡災害風險區域(滑坡、危巖落石區等)。如圖2所示，對某公路邊坡區域的InSAR衛星影像進行處理得到地表三維形變速度場(左1)，根據形變量大小采用“綠-黃-紅”色階進行分層渲染，再利用無人機對高風險區域(左2紅色區域)航飛拍攝遙感影像，綜合譯判滑坡的范圍(右1)。如唐堯等利用InSAR和國產高分影像在茂縣滑坡災情后成功判譯了災區周邊隱患區域，為當地政府的災后應急監測提供了數據支持[10]。

圖2 InSAR+無人機遙感技術判譯滑坡隱患區域

2.2 災害分級

滑坡災害分級是指將滑坡隱患區域按照其發生概率和危險性進行綜合評估和等級劃分。對整個災害隱患區域內的滑坡體進行分級后，可以得知目前危險性較高的潛在滑坡區域，有針對性地將有限的監測資源配置向高風險滑坡體傾斜，以最大程度提高滑坡預測效率。

滑坡分級需要選取合適的評價指標，其中包括地形地貌、巖層特性、水文氣候、地質構造、人類工程活動、坡體結構特征等諸多條件，這些評價指標在滑坡危險性分級評價中已得到廣泛的應用[11-13]。其中，地形地貌、巖層特性、地質構造、水文氣候等因素在一般大范圍區域內具有一致性，無法反映該區域范圍內不同滑坡體的個性差異，而往往滑坡多發區中人類工程活動、坡體結構特征等因素才是控制滑坡體發育的關鍵因素。因此，分別選取滑坡坡度、高差和滑坡長寬比作為滑坡分級評價的指標。

在滑坡發育的過程中，坡度具有顯著的影響作用，直接決定滑移面剪應力的分布及滑坡結構的穩定性，坡度越陡越容易誘發滑坡和崩塌等災害。滑坡高差是指滑坡前緣與后緣的相對高差，不僅決定了滑坡發育的坡度，還制約著滑坡的運動特征。滑坡長寬比決定了滑坡的形狀特征，滑坡的形狀特征是影響坡體應力分布的主要因素。當長寬比較小，坡體呈橫向發育時，坡腳剪應力較小，滑坡體穩定性較高；長寬比較大，坡體呈長條形發育時，抗滑段長度顯著增加，可有效維持滑坡體的穩定。樊曉一根據三峽庫區萬州滑坡監測預警資料，選擇符合滑坡地質特點并且容易獲取的坡度、高差和長寬比作為評價因子，并認為Lognormal模型可以較好擬合全部評價因子的分布特征，將各評價因子不同區段對應的擬合曲線值作為評價值，建立區域滑坡地質調查危險性分級評價指標(見表1)[14]。

表1 滑坡分段評價值

利用InSAR影像和無人機遙感影像數據經數據處理后，可得到每個滑坡體的坡度、高差、長寬比；再分別按照表1統計其累計綜合評分，對照表2中的5級標準等級進行分級。

3 重點區域的自動化監測

利用“InSAR+無人機”遙感技術進行普查分級后的滑坡體被賦予相應的危險性等級屬性，結合相關地質資料和無人機拍攝的現場高清影像，對滑坡體基本特征、成因模式、當前變形階段、關鍵影響因素進行分析歸納。對不同類型滑坡體采用不同的監測手段，重點監測可反映滑坡穩定性和變形階段關鍵指標以及導致滑坡失穩的關鍵因素。通過布設北斗/GNSS系統、鉆孔測斜儀、雨量計等多種自動化監測設備，連續獲取地表及滑坡體內部的相對和絕對位移變化量以及降雨量等觀測值，來實現對重點區域具有針對性的強化監測(見圖3)。再通過計算機技術、數據通訊技術及數據處理分析技術將自動化監測設備進行集成，可實現從數據獲取、通訊傳輸、管理存儲到分析預報的全自動化[15]。

圖3 重點區域自動化監測系統

3.1 北斗/GNSS技術

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)作為滑坡監測預警的重要手段之一，不僅具有連續高精度、全天候的監測能力，還可以直接獲取滑坡體表面形變的三維矢量數據。其中，北斗衛星導航系統在亞太區域具有衛星數量多、可視衛星高度角大等特點，是復雜區域滑坡高精度監測的首選系統[16-19]。使用北斗/GNSS位移監測儀(見圖4)，結合無線/有線數據通訊技術及高精度GNSS靜態解算系統，可使定位精度達到mm級(水平：2.5 mm，垂直：5 mm)，進而實現對地質災害滑坡體的全天候、實時監測，準確計算滑坡體的滑動變化曲線，實現對災害隱患點發生滑坡前的預警預報。

圖4 北斗/GNSS監測設備

3.2 土體深層水平位移監測

鉆孔測斜儀是測量巖土體內部滑動面位置及其滑移量、準確判定滑動面分布和變化趨勢的關鍵測量設備(見圖5、圖6)[20]。第一次觀測獲取巖土體深層水平位移初始值后，通過定期觀測可計算得到滑動面的深度、偏移方向、偏移值和偏移速率等參數。根據定期獲取的觀測數據可以構建出巖土體滑動預測模型，反映滑坡的變形機理和趨勢，為滑坡險情預警提供參考資料。

圖5 鉆孔式固定式測斜儀

圖6 鉆孔測斜儀工作原理

3.3 雨量計

在促使邊坡失穩產生滑動的眾多誘發因素中，降雨量是最活躍、變動性和不確定性最大和影響最為廣泛的主導因素[21]。我國絕大多數的滑坡都是受到強降雨影響，引發地下水分布變化、造成滑坡體和滑帶介質的物理力學性質發生突變而造成的。林和信統計了福建建甌地區在1998年“6.22”洪災中降雨量與地質災害的相關情況，僅在6月8日～24日期間，受強降雨而發生的滑坡地質災害就高達113起，占總災害比70.63%。因此，對滑坡災害隱患重點區域安裝雨量計(如圖7、圖8)，實時獲取降雨量，有助于對滑坡發生環境條件的認識，估計滑坡發生的降雨量閾值，預測滑坡發生的可能性和危險性。

圖7 翻斗式雨量計

圖8 滑坡監測雨量計監測點布設

4 滑坡預警

預警是指在滑坡體即將發生突發性災害前一定時間通過各種通訊方式和途徑(警報、廣播、電話等)，及時向可能受災害威脅的民眾以及負責應急搶險的相關人員發送警告信息，以便于及時啟動相關的疏散搶險預案。其主要分為區域性氣象預警和單體預警兩大類。區域性氣象預警作為范圍性和提示性預警，是基于降雨量建立的經驗預警模型。其主要作用是指導地質災害群防群策工作，并不具備準確的疏散應急預警指令。單體預警是通過專業監測設備對現場數據進行實時處理分析后，在滑坡災害發生前一定時間發出的具有明確疏散撤離指令的警示信息。對于單體滑坡，國際上常用的是“閾值預警法”(見表3)，通過統計分析滑坡現場實際情況確定一個閾值(臨界值)，當監測數據超過閾值時，立即通過各種通訊渠道發出警示信息。

表3 三級警戒狀態判定

5 結論

監測預警作為降低滑坡地質災害損失的重要舉措之一，愈來愈受到人們的重視。提出“普查分級+重點監測”的滑坡監測方案，針對鐵路工程等大范圍滑坡隱患區域開展普查分級、確定重點監測區，并對重點監測區滑坡體進行全方位、立體化的監測預警，在監測資源的合理分配和提高預警準確性方面具有一定指導意義。