地質災害監測中GNSS與多傳感器組合技術布點設計

作者簡介：張旭（1985-），男，水工環高級工程師。研究方向為水文地質工程地質環境地質。

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在地質災害監測中的布設方式與應用方法。研究區附近的山體存在滑坡風險，在監測區內布置若干個監測點，將測斜儀、雨量計、孔隙水壓力計等傳感器放置在監測點上采集位移、降雨量、孔隙水壓力等數據。最后利用計算機匯總數據并進行計算、分析，將最終結果直觀地呈現在終端屏幕上，讓工作人員遠程獲取監測區的各項信息，實現地質災害的實時監測。

關鍵詞：地質災害監測；GNSS；數據采集；傳感器；布設

中圖分類號：P694? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

某山區鄉村位于坡角處，山坡絕對高程1 271 m，地貌單元為構造剝蝕侵蝕低中山，山體成分主要為二疊系灰巖、奧陶系灰巖，最大坡度42°，存在一定數量的危巖體，有2處滑坡區。為保障鄉村居民的生命和財產安全，需要對滑坡體進行實時監測。在這一背景下，使用GNSS（全球衛星導航系統）和多傳感器組合技術，在監測區進行科學補點，對地表水平位移、土體深層位移、降水量進行了動態監測，實時獲取和綜合分析監測數據，為地質災害預警與防控工作的開展提供數據支持。

1? 監測區地表水平位移監測

1.1? 監測點的布設

在監測區域內布設5個監測點位：1#監測點位于村口橋梁附近的空地，2#監測點位于不穩定區域前緣的空地，3#監測點位于不穩定區域后緣的滑坡區，4#監測點位于不穩定區域已修建圍護墻的空地，5#監測點位于不穩定區域中部一處廠房的大院內，如圖1所示。

1.2? 監測儀器的選擇和控制網的布設

采用大地變形監測法，監測儀器選用GNSS雙頻接收機，支持連續觀測和定期觀測2種方式，垂直精度小于10 mm，水平精度小于5 mm。GNSS控制網內設置4個基準點，選擇要求如下：距離信號干擾物不少于200 m，與公路最短距離不少于10 m；在高度角20°范圍內沒有大面積的障礙物；穩固點埋入基巖的深度不低于20 cm。4個基準點均位于監測區對面穩定的山體上。其中，1#和2#基準點位于穩定基巖上，3#基準點位于山頂，4#基準點位于外側巖邊，每個基準點上各安裝1臺接收機。完成基準點的布設后，調試接收機。數據傳輸線的一端連接在GNSS接收機上，另一端連接在電池控制器上，將4個接收機調到同一個頻道上。

1.3? 水平位移監測頻率

結合監測區的氣候條件，在汛期（每年的6—8月）每周采集1次觀測數據，在非汛期2周采集1次觀測數據，如果遇到強降雨等極端天氣，可靈活提高觀測頻率。首次觀測時4臺儀器同時啟動，觀測時間不低于4 h；當達到觀測時間要求后，將其中2臺接收機移動至新的點位，儀器固定并調試完畢后，重復之前的操作步驟繼續進行觀測；達到觀測時數后將其余2臺接收機移動至新的點位，重復上述流程，直到觀測結束。

2? 監測區深層水平位移監測

2.1? 數據采集設備

在深層水平位移監測中，使用支持遠程控制、內置雙軸傳感器的YLZ-332測斜儀。測斜儀作為數據采集裝置，安裝方法如圖2所示。

圖2? 測斜儀安裝示意圖

在測量放樣的基礎上，找出標記好的深層水平位移監測點，使用鉆孔設備按照垂直于地面的方向進行鉆孔，完成鉆孔后清理孔內碎石并插入略小于孔徑的測斜管，起到保護探頭的作用。使用電纜線將探頭與數據采集儀連接起來，將探頭置于測斜管內緩慢放下。就位后，啟動系統運行2 h后，在系統穩定運行后開始記錄數據。YLZ-332測斜儀采用太陽能板和蓄電池組合供電，保證了野外數據采集的連續性；為了節約能耗，當需要采集數據時，由計算機遠程控制終端發出指令喚醒測斜儀，測量完畢后進入低功耗的休眠狀態。

2.2? 數據采集過程

2.2.1? 監測控制

工作人員利用安裝在計算機或者是移動設備上的客戶端發送數據采集的請求。服務器響應該請求后，根據工作人員的預設參數定時發送監測指令。該指令首先傳達到主機上，主機根據指令內容單點喚醒待機的測斜儀，開始采集數據。監測控制實現流程如圖3所示。

2.2.2? 數據傳輸

測斜儀接收到主機發送的指令后，內部的傳感器啟動運行并測量位移數據。利用光纖將采集到的數據再返回給主機。在數據發送出去后，傳感器進入休眠狀態，等待下一次指令被喚醒。主機接收數據后，將數據上傳至云服務器。在云服務器內，首先從原始數據中獲取設備編號，用于辨認當前數據是從哪一臺傳感器獲得的；其次利用數學模型對原始數據進行計算、分析，最終結果在客戶端上直觀呈現，方便工作人員在計算機或移動設備上了解深層水平位移情況。考慮到需要傳輸的數據量較大，因此采用光纖通信模式，在滿足即時通信需求的前提下，還能增強抗干擾能力，保證了信號強度和數據質量。數據傳輸流程如圖4所示。

2.3? 測點布設

在深層水平位移的監測中，共設置4個深孔采集數據，監測點的布設如圖1所示。在各個監測點上鉆孔時，要求保證鉆孔垂直、孔徑要超過測斜管連接套外徑至少20 mm。鉆孔時選擇空氣潛孔錘鉆工藝，可以使孔壁光滑，保證成孔質量。本次深部水平位移監測中，開孔直徑為130 mm，終孔直徑為90 mm，采用3層結構，最下層進入基巖的長度不小于5 m，如圖5所示。

圖5? 鉆孔結構圖

成孔后檢查成孔質量，要求孔斜不超過2°，鉆孔實際深度不超過設計深度的±30 mm；全孔下套管，可以起到支撐作用，避免在觀測期間出現塌孔問題。鉆孔時還可以取出巖芯并結合超聲波測井了解監測區內的地質情況，為滑坡的預防和治理提供參考資料。

2.4? 深層水平位移監測頻率

在測斜儀埋入監測孔后的前24 h，每間隔8 h采集1次數據，之后每天采集1次數據，一周后每3天采集1次數據。通過數據分析，可以判斷監測區域當前是處于“緩慢變形階段”還是“加速變形階段”。如果是緩慢變形，則將監測頻率調整為每周1次；如果是加速變形，則將監測頻率保持為3天一次或者是1天一次。

3? 監測區降雨量監測

3.1? 監測點的布設

監測區域屬于溫帶大陸性季風氣候，降水集中在每年的6—8月份。當出現短時強降雨時，滑坡區的土壤含水量迅速升高，土體的重力增加，穩定性變差，容易發生滑坡事故。因此，必須要在雨季做好降雨觀測，以便于及時采取工程措施防止山坡滑塌事故。雨量計可以實時監測降雨量，并將其轉化為數字信號輸出到微控制器中。鑒于降雨具有時空分布不均的特點，在監測中統計每小時的雨量，消除短時間內雨量的分布差異。監測儀器方面，采用JD-50B翻斗式雨量計，將雨量計布置在相應的監測點上（圖1）。在降雨期間，隨著降水量的增多翻斗會左右翻轉，每次翻轉傳感器都會產生一個電信號，并將該信號發送到記錄器中。最后統計翻轉次數即可得到累積降雨量。利用光纖將降雨量數據傳送至DATA-6211型微功耗測控終端，完成數據的存儲、轉換后在終端顯示當前雨量。為了保證雨量計的穩定性，將雨量計放在三角支架上進行固定，再將三角支架的腿部澆筑在水泥墩中，放置在監測點位上。微功耗測控終端連接蓄電池和太陽能電池板，由蓄電池為微功耗測控終端和雨量計供電，整體結構如圖6所示。

3.2? 監測周期

每次降雨時，啟動雨量計實時采集雨量，并統計每小時的累積余量上傳至測控終端。

4? 孔隙水壓力監測

4.1? 監測點的布設

監測區所在的鄉村沒有系統性的排水網絡，生活污水和生產污水等直接排放并滲透到地下，導致地下水位較高；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，抗剪強度變差。在多重因素的影響下，容易出現土體失穩、山坡滑塌事故。因此，要想預防滑坡，必須要借助于儀器設備測定孔隙水壓力，計算公式為

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，F表示孔隙水壓力計在壓力為0時的頻率，f表示孔隙水壓力計在測量時的頻率。根據孔隙水壓力可以推算出地下水位的深度，兩者之間的關系為

H=h-P/γ，

式中：H表示地下水位深度，h表示孔隙水壓力計的埋設深度，γ表示水的重度。在孔隙水壓力監測方面，選用了JM-300/310型孔隙水壓力計，現場共布置5個監測點（圖1），技術方法如下：

1）在安裝孔隙水壓力計前，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，使用孔隙水壓力計測量大氣壓力值和現場溫度。測量完畢后，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測精度。在電纜上打印編號，并保證電纜編號和測頭編號相同。

2）選用“干鉆法”進行鉆孔，孔徑為130 mm。為防止孔壁開裂導致孔內滲水，可以在鉆孔過程中向孔內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壁效果，并隨著鉆孔深度的增加隨時下放套管。實際鉆孔深度應超過測點高度20～30 cm。完成鉆孔后，使用“沖洗法”清孔。將導管插入鉆孔底部，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的吊耳，避免電纜受力出現崩斷的情況。將設備緩慢放入鉆孔內，達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，開始檢測孔隙水壓力。

4）測得的孔隙水壓力數據通過電纜傳輸至地面主機上，經過數據處理后再傳輸至客戶端，方便工作人員直觀地掌握監測區內孔隙水壓力的變化情況。

4.2? 孔隙水壓力監測頻率

通常情況下，在孔隙水壓力計放置后的24 h內，每間隔8 h采集1次數據，之后每天觀測1次，一周后變為每周觀測2次，統計數據并分析當前滑坡區屬于“緩慢變形階段”還是“快速變形階段”。如果屬于緩慢變形，則將觀測頻率調整為每周1次；如果屬于快速變形，則將觀測時間調整為每3天一次或者1天一次。

5? 結束語

基于GNSS與多傳感器組合技術的地質災害監測，通過在監測區內合理布設監測點，能夠實現全天候、實時性的監測，相比于傳統監測方法具有不受天氣影響、支持多測點同步測量、數據自動化處理等優勢。在應用該監測技術時，一方面要根據現場環境和監測需要合理布設監測點，另一方面還要發揮信息技術優勢提高監測數據的處理效率和分析深度，從而更加客觀、全面、及時地反映監測區域滑坡體的位移情況、降水情況，指導地質災害防控工作的開展，切實保障鄉村居民的生命和財產安全。

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