崂山地质灾害远程监测预警系统构建＊

焦方晖，贾永刚＊＊，王治良，杨忠年，谭长伟

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；2.青岛市国土资源与房屋管理局崂山国土资源分局，山东青岛266061；3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266033）

崂山地质灾害远程监测预警系统构建＊

焦方晖1，贾永刚1＊＊，王治良2，杨忠年1，谭长伟3

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；2.青岛市国土资源与房屋管理局崂山国土资源分局，山东青岛266061；3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266033）

青岛市崂山区具有特殊的自然地理和地质环境条件，在内、外动力地质作用以及人类活动的影响下，引发了崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害。本文在详细调查区内地质灾害隐患点的基础上，现场布设以滑坡力、裂缝变形、危岩体位移等自动传感监测装置，监测数据通过采集发送装置无线传输到远程服务器，在地质灾害远程监测预警平台上分析处理后实时发布到网络，若监测数据达到或超出报警值则由平台对外及时进行预警，构建了1套综合的崂山地质灾害远程监测预警系统。

地质灾害；远程监测；预警；系统

崂山位于青岛东南黄海之滨，经济发达，是驰名中外的国家风景名胜区，由于其特殊的自然地理和地质环境条件，加上内外动力地质作用以及人类活动的影响，引发了崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害［1］，威胁着当地居民及游客的人身和财产安全。近年来，大平岚的2次崩塌灾害以及返岭前滑坡和河东村泥石流的发生，都给人民生命财产安全和当地经济造成了损失。崂山国土局、青岛地质工程勘察院针对已发生的灾害及隐患展开综合治理［2－3］，山东省地质环境监测站设计了崂山区地质灾害治理施工方案［4］。但是，崂山地质灾害的防治工作主要是灾后抢险，缺乏对重大灾害隐患点的动态变化的必要监控，无法实现防患于未然。

监测预警是有效预防灾害发生的重要途径之一［5］。在早期受技术条件限制，主要是根据人工观测地表变化特征、地下水以及周围动植物的异常来推断确定灾害发生的可能性。随着科技进步，特别是计算机技术、电子技术在地质及岩土工程中的广泛应用，既推动了监测仪器本身的进步，又使得监测内容扩大和预警水平提高，促进了地质灾害监测预警的实用性和可靠性［6］。相对于人工及常规仪器监测方法存在监测不连续、预警滞后等不足，远程实时监测预警通过网络实现对地质灾害的远程自动监控［7］，及时反映各灾害体的实时情况和发出预警，极大地降低地质灾害造成的危害［8－10］。基于此，本文在现场勘察的基础上，结合以往的地质调查资料，在现场布置以滑坡力、裂缝变形、危岩体位移为参数的自动监测装置，同时构建综合的地质灾害远程监测预警系统，实现了灾害实时监测预警及信息网络发布，使崂山地质灾害由被动抢险转为主动预防，将隐患消灭在萌芽状态，为当地的地质灾害防治工作提供科学依据。

1 崂山地质灾害发育特征

在内外动力地质作用及人类活动的共同影响下，崂山区旅游沿线地质灾害及隐患发育类型主要分为滑坡、崩塌及泥石流3种类型。据青岛市勘察测绘研究院在2009年6月的调查统计［11］，区内旅游沿线地质灾害及隐患点151处，包括滑坡18处，泥石流7处，崩塌126处。其中已发生灾害13处，包括滑坡3处，泥石流2处，崩塌8处。

表1 崂山区旅游沿线地质灾害类型及分布Table 1 Type and distribution of geological hazards

1.1 滑坡灾害发育特征

崂山区旅游沿线滑坡灾害及隐患共18处，其中9处为自然形成，9处为人类工程地质活动形成。

在9处自然形成滑坡中，物质组成以山前剥蚀斜坡堆积的坡洪积物为主，岩性为山前组漂石及漂石夹砂砾石、黏性土为主，地形坡度一般大于40（°），滑动面位于基岩强风化带与中等－微风化带界面之间，滑坡体周边存在小型断裂构造，加剧了基岩的风化、破碎程度，在连续降雨过程中，滑动带饱和，摩擦力减小，从而极易形成灾害性滑坡。在9处人类工程地质活动形成的滑坡中，有2处为基岩滑坡，分别为石老人滑坡和雨林谷滑坡；有3处为人工回填的路基沉降引起路面开裂，路堤侧墙变形较大，从而形成滑坡隐患，如巨峰索道口西蟾蜍南侧滑坡；有4处为道路开挖而形成的坡度大于60（°）的临空面，物质组成为山前坡洪积物，如北九水外六水南侧滑坡。

1.2 崩塌灾害发育特征

崂山区旅游沿线崩塌灾害及隐患共126处，其中自然形成62处，由人工开挖坡角形成64处。

在62处自然形成崩塌中，绝大部分为滑移式崩塌，山坡陡峭、坡度超过30（°）、坡面巨大滚石堆积，底部与山体接触不牢；部分属于岩体“X”节理裂隙发育，球状风化强烈，形成球状、蘑菇状孤石；少部分属于倾倒式崩塌，巨大的岩体后缘形成近似直立的张开裂隙，地形陡立，裂隙面倾向与坡面倾向一致，构成危岩体。在人为开挖坡角形成的不稳定斜坡上的崩塌中，有11处为坡残积物，结构松散，巨大砾石占20%～60%，在长期冲刷及浸泡作用下易失稳造成崩塌，另外53处均在旅游沿线劈山修路形成的陡立边坡上，大部分由于节理切割形成楔形体而产生滑塌，部分为坡顶形成的球状孤石，少部分为人为施工爆破遗留的分离体。

1.3 泥石流灾害发育特征

崂山区旅游沿线泥石流灾害及隐患共7处，其中已发生2处。

在已发生的2处泥石流中，灾害点均处于山前斜坡地带，存在小型“V”型冲沟，坡面坡残积物发育，覆盖层厚度0.5～2m，植被覆盖率较低，小块梯田较多，山坡坡度大于25（°），坡积物结构相对松散，在降雨强度大、坡积物浸润饱和的条件下，形成坡面型泥石流。沙子口西麦窑村村北泥石流隐患点，因人防洞室开挖，在“V”型沟谷中形成了废弃碎石堆，在暴雨季节极易形成弃渣泥石流。在太清宫东侧的土峰顶西坡和东北坡形成的4处泥石流中，地貌上为“V”型沟谷，山体坡度约50（°）～60（°），灾害主要发生在山谷出口处的扇地中下部，威胁道路及通讯设施，山谷及两侧均为白垩系莱阳群砂砾岩风化碎屑及崩塌块石，厚度0.5～1.0m，植被较发育，属沟谷型泥石流。

2 崂山地质灾害远程监测预警系统设计

根据崂山区旅游沿线地质灾害隐患点的类型、规模及危险性程度的不同，对规模大、危险性大的地质灾害隐患点采用自动监测的方式。重点滑坡监测方案：安装滑坡力传感器进行滑坡力监测、安装裂缝变形传感器进行变形监测，安装雨量计进行降雨量观测，另外还要对滑坡点进行定期巡查，随时调查滑坡体情况、动物或其他异常。重点崩塌监测方案：安装裂缝变形传感器进行变形监测、安装激光测距仪进行位移监测。重点泥石流监测方案：安装雨量计进行降雨量监测，另外还要泥石流分布点进行定期巡查，随时调查堆积物的变化，定期或不定期的进行清除。

参照监测方案，进行了崂山地质灾害远程监测预警系统设计。在灾害点布设自动传感监测装置、数据采集与发送以及供电装置，传感器监测到的数据先由采集装置采集，再由发送装置通过GPRS传输到远程服务器上，经过监测预警平台分析处理后实时发布到网络。系统的总体框架如图1所示。

图1 系统设计的总体框架Fig.1 System framework

3 现场自动监测装置布设

3.1 滑坡力自动监测

滑坡地质灾害发生之前，边坡岩土体内应力会连续发生变化，当滑动力大于岩土体的抗滑力后，会发生变形和滑动。滑坡力自动监测的工作原理为通过监测滑坡发生前岩土体内部力的连续变化来判断滑坡体的安全状况。滑坡力传感器是带有穿心孔的多钢弦压力传感器，直接安装在监控锚索外端部，完成滑动力感应任务。

3.1.1 钻探取样及孔内测试 首先在滑坡体上进行钻探打孔。钻孔深度为30m，直径为108mm。成孔后在孔内分别进行波速和高密度电阻率测试：声波测试数据显示，波速值位于1 600～3 200m／s之间，波速值整体上是随着深度增加呈上升趋势，结合取得的岩芯，上部地层为强分化到中风化松散岩层，厚度大约有22m，22m以下地层波速值较大，为微风化花岗岩；电阻率测试数据显示，电阻率值整体上也是随深度的增加而上升的，明显的变化界限也是出现在22m左右。岩芯的现场编录和孔内测试的结果，为准确判断滑动面提供参考依据。

3.1.2 安装锚索及滑坡力传感器 锚索材料是高强度、低松弛预应力钢绞线。采用从孔底到孔口返浆式注浆，如图2（A）。在锚索装好后，泥浆完全固结并达到要求强度时再进行安装滑坡力传感器。安装时，先将滑坡力传感器安装在锚固钢板上，锚索从滑坡力传感器中心孔穿过放置平稳（见图2B）。滑坡力传感器安装定位后应及时调零，读取初值。用张拉机进行预应力张拉，预应力张拉过程由滑坡力传感器进行监控。锚索张拉分预张拉、张拉、超张拉进行，施加好预应力后，记录滑坡力传感器测力值并进行锁定，滑坡力传感器即安装完成。为了保护传感器，在传感器外侧用混凝土进行密封，留有导线出口。将导线用PVC软管进行保护，挖槽顺延边坡引入数据采集箱内，再将导线槽用水泥封好。

图2 （A）锚索安装；（B）滑坡力传感器安装；（C）滑坡力传感器现场保护Fig.2 （A）Anchor installation；（B）Landslide force sensor installation；（C）Protection of Landslide force sensor on site

图3 危岩体自动监测Fig.3 Unstable rocks automatic monitoring

3.2 危岩体（崩塌）自动监测

崩塌活动是在各种动力作用下，岩土体发生变形崩落的现象。它的形成可分为3个阶段：第1阶段为不稳定因素积累阶段；第2阶段为重力崩坠阶段；第3阶段为平衡恢复阶段。监测重点放在第1阶段，此阶段岩土体在长期的地质营力作用下，产生节理、裂隙或断裂，完整性受到破坏，产生位移，为崩塌活动奠定了基础。危岩体（崩塌）监测系统通过监测危岩体的位移变化来分析危岩体的微小形变，判断危岩体是否移动。在现场将激光传感器放入保护盒内并固定在电线杆顶部，为了减小激光的损耗，提高测量精度，在被监测危岩体上粘贴反光膜，激光探头朝向反光膜（见图3）。

3.3 裂缝自动监测

裂缝变形测量系统是监测坡体开裂缝两侧相对张开、闭合、位错、下沉运动量及速率变化的直观可靠的必要手段，裂缝传感器对坡体进行相对位移监测，实际测量精度可达0.01mm。在坡面裂缝的一侧将钢管与法兰盘焊接，打入地下4m进行固定。仪器房构筑在支撑桩所在位置，采用铁笼结构，上部白铁皮封顶，防盗、防雨，采集箱放置在高约20cm的承台上，防止由雨水形成的径流损坏采集系统，房顶架设大功率太阳能电池板，为系统运行提供电源（见图4）。

图4 裂缝自动监测Fig.4 Cracks automatic monitoring

图5 雨量自动监测Fig.5 Rainfall automatic monitoring

3.4 降雨量自动监测

降雨是导致地质灾害的1个重要诱发因子。在久雨、暴雨山区、沟谷两侧及公路两侧山坡发生滑坡、崩塌、泥石流的总数和密度与降雨量大小密切相关。同时地质灾害的发生也与持续降雨时间密切相关，降雨引起的地质灾害一般发生在降雨中后期或滞后几天（一般3d内），滞后的时间不超过10d。降雨量自动监测通过安装自动雨量计来完成降雨过程的自动测量及数据采集。自动雨量计用螺栓将仪器底座固定在混凝土基柱上，承雨口应水平。雨量计导线长度应尽可能短，加套保护管后埋地布设。

3.5 数据采集发送及供电

数据采集装置包括采集模块、无线模块、电源模块。采集模块的作用是连接传感器并采集监测数据；无线模块是组建局域网，将多个传感器联接到一起，统一发送；电源模块由太阳能电池板和蓄电池组成，当光线不能保证太阳能电池板正常工作时，由蓄电池提供电源，并能利用太阳能电池板对蓄电池进行充电。数据发送装置包括无线模块、GPRS模块、电源模块。数据传输采用GPRS无线传输接入Internet。将数据采集与发送箱通过安装夹具固定于电线杆上端，同时将数据发射天线置于箱子顶部，保证数据信号畅通。将太阳能电池板固定于夹具内部，然后架设于电线杆顶端，调整电池板的朝向，确保电池板能接受尽可能多的太阳辐射，可以对仪器正常工作所需电源提供有效地保障。

4 监测预警信息网络平台实现

监测数据在现场采集后，传输至监测预警信息网络平台，平台建立在远程服务器上，采用ASP技术进行开发，通过基础信息库、监测数据库和预警数据库提供各类信息浏览和查询，主要功能有：向监测现场传感器发布数据采集控制指令并接收监测数据；对监测数据进行相应的转换计算，并将成果数据存储在数据库；以Web形式向Internet用户发布监测数据、曲线及预警信息。

监测数据发布是以曲线和数据表2种形式在网上实时发布、实时更新。预警信息发布是将监测数据输入到预警数据库中，经过与预警判据对比分析后再由平台发布。通过室内和现场试验，并对国内地质灾害预报预警理论进行分析［13－16］，初步确定出崂山各类地质灾害基于监测数据的预警判据。参照国土资源部关于地质灾害预报预警等级标准，崂山地质灾害共划分为5个等级：一级为灾害发生可能性很小（不发布）；二级为灾害发生可能性较小（不发布）；三级为灾害发生可能性较大（注意级）；四级为灾害发生可能性大（预警级）；五级为灾害发生可能性很大（警报级）。崂山地质灾害等级划分及预警判据如表2所示：

表2 地质灾害监测预警等级划分及预警判据Table 2 Grade partition and warning criterion for monitoring and early warning of geological hazards

图6 监测预警信息网络平台Fig.6 Releasing interface on internet about the monitoring and early warning information

最终，从地质灾害现场采集的监测数据以及经过分析处理后预警信息都通过平台对外发布，实现了地质灾害的远程监测预警。地质灾害监测预警信息网上发布界面如图6所示。

5 结语

本文根据崂山地质灾害防治工作的实际需要，通过在灾害现场布设自动监测装置，远程进行实时监控，并构建了地质灾害远程监测预警系统，实现了基于监测数据的预报预警。系统自2010年6月开始运行以来，经过了6个月的理论分析与实践检验，能较为及时、准确地反映当前监测点的实际情况，提高了相关部门的综合反应能力，对地质灾害防治信息化建设具有示范价值和现实意义。

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Construction of Remote Monitoring and Early Warning System in Laoshan Geological Hazards

JIAO Fang－Hui1，JIA Yong－Gang1，WANG Zhi－Liang2，YANG Zhong－Nian1，TAN Chang－Wei3
（1.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Bureau of Land and Resources of Laoshan District，Qingdao 266061，China；3.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266033，China）

Due to special geographical and geological conditions，Laoshan area suffered the following geological hazards：collapse，landslides，mud－rock flows which were induced by the inner and outer dynamic geological processes，as well as human activities.According to the comprehensive survey and investigation on all kinds of geological hazards in this region，we arrange automatic monitoring device on site included the landslide force，crack deformation and dangerous rock displacement.The data is acquired and transmitted to the remote server so as to be analyzed and published on the website.When the data is up to or over the warning value，the website publishes the early warning in time.At last，the remote monitoring and early warning system are designed and developed.

geological hazards；remote monitoring；early warning；system

X141

A

1672－5174（2012）1－2－049－05

青岛市崂山国土资源局“青岛市崂山区青山滑坡自动监测预警示范”项目资助

2011－01－07；

2011－03－04

焦方晖（1984－），女，硕士生。E－mall：fhwwt＠163.com。

＊＊通讯作者：E－mail：yonggang＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻