基于自动化监测的北京高丽营地裂缝活动性分析

王海刚，杨 艳，刘明坤，贾三满，田 芳

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 北京市地质环境监测总站，北京 100195）

基于自动化监测的北京高丽营地裂缝活动性分析

王海刚1,2，杨 艳1,2，刘明坤1,2，贾三满1,2，田 芳1,2

（1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2. 北京市地质环境监测总站，北京 100195）

高丽营地裂缝是近年来北京地区发育最活跃地裂缝之一，造成了严重的房屋墙体及道路破坏。通过采用KLA-1型地表位移自动化遥测系统对地裂缝进行实时自动化监测，结果显示：该地裂缝具有三维活动特点，发育具有周期性，并受黄庄—高丽营断裂控制；同时也证实KLA-1型地表位移自动化遥测系统在地裂缝监测方面的实时和准确性，对地裂缝地质灾害监测与防治具有推广应用意义。

地质灾害；地裂缝；自动化监测

高丽营地裂缝是北京地区发育最强烈的地裂缝，造成大量建筑物损坏和道路破坏，已影响了人们的正常生产生活。已有研究表明，该地裂缝与黄庄—高丽营断裂有密切关系；探槽开挖揭示该断裂已错断全部第四纪地层，断裂面直达地表，地表断面与地裂缝位置相一致；地裂缝形成原因是断裂蠕滑变形与地面差异沉降共同作用的结果[1～3]。为查清该地裂缝的具体活动特征，对其进行监测显得尤为重要。

现代测控技术的应用是防治地质灾害及保障城市安全的重要途径[4]。目前国内外对地裂缝监测主要采用水准测量、裂缝计、GPS监测、InSAR监测等手段[5-9]。监测工作能够反映地裂缝活动特征和规律，通过数据分析，有助于对其成因、发育程度、发展变化趋势进行深入研究。

1 高丽营地裂缝概况

高丽营地裂缝最早发现于20世纪90年代。其由西王路，经唐自头村、京承高速，穿土沟村、北七家卫生院直至八仙别墅一线（图1），发育长度约6km，走向与黄庄-高丽营断裂一致；裂缝带宽度30～70m，两侧地形呈西北高、东南低态势。裂缝造成了房屋墙体和京承高速等道路严重破坏。从单点破坏特征来看，地裂缝带上住房墙体及墙基地坪开裂均表现为东南侧相对下降，西侧相对上升且有水平扭动，呈现右旋特征，与黄庄—高丽营断裂东南盘下降，西北盘上升，呈正断顺扭性质相一致。

2 地裂缝自动化监测技术

图1 高丽营地裂缝平面分布图Fig.1 The location of Gaoliying ground fissure

本次对高丽营地裂缝监测采用KLA-1型地表位移自动化遥测系统技术。该系统由中国科学院力学研究所自主研发，由位移传感装置、数据采集发射模块、数据接收处理终端三部分组成，可实时测量地表相对位移。

2.1 监测原理与方法

（1）位移传感装置

位移传感是一种双向位移测量装置（图2），利用不动点与监测点的相对位置变化，得到每一监测点的相对位移量。具体方法是在地表不动点及监测点处各建一高台，台上安装位移测量设备，用细钢丝将不动点设备与监测点相连；在不动点测量设备内部装有滑轮式角度传感器，钢丝绕过滑轮后与重锤相连；当两点发生相对位移时（靠近或远离不动点），在重锤的衡力作用下，角度传感器的角度将发生改变，通过角度变化量即可计算出两点间的位移量。第1个监测点上的测量设备与第2个监测点相连便可测量1、2点间的相对位移量，以此类推，用一个不动点就可测量一条轴线上各个监测点的位移。

图2 地裂缝位移监测工作原理Fig.2 The principle of automated monitoring system for surface displacement of ground fissure

（2）数据采集发射模块

该模块通过中国移动蜂窝网络实现各种模拟量、数字量及开关量的远程通讯，是现场数据采集技术、采集频率控制技术及GSM短信技术三者相结合的智能型报警模块。该模块全部选用超低功耗器件，适合野外数据采集。由于系统本身有1MB的数据存储能力，同时支持U盘数据功能，在没有手机信号的地区，采集发射模块可由内部自带的外存设备将数据存储起来，一般可存储5年的数据。

（3）数据接收处理终端

此终端由用于数据接收的硬件及用于数据检索、图表绘制的软件组成。硬件采用RJ45接口，使得处于同一局域网段内的所有计算机均可实时接收数据，实现一个硬件多人访问的功能。软件可实现时间段数据检索、地表位移-时间曲线图绘制、监测点管理、远程控制等功能，软件的数据曲线及远程控制截图如图3所示。

2.2 监测仪器布设

该实时遥测系统已在重庆、贵州等地的滑坡、泥石流、高陡边坡、危岩体的监测中得到成功应用[10～12]，并取得良好效果。但边坡、滑坡等的监测只是针对一维位移变化，而野外调查发现高丽营地裂缝具有三维活动特点，为此对该系统进行了改进和创新，设计了三维地裂缝监测系统。

监测仪器的设置，是在地裂缝下盘安装一个基准点，上盘分别安装三个位移传感装置，其中竖直位移传感装置1处、水平位移传感装置2处，监测设施具体布置如图4。

图3 自动化遥测数据处理系统Fig.3 The data processing software of automated monitoring system

图4 三维地裂缝监测系统布设示意Fig.4 The installation sketch of 3D automated monitoring system for ground fissure

将位移传感装置和数据采集发射模块安装在野外监测站探槽内，数据接收处理终端放置在办公室内，利用接收短信的形式进行远程数据自动采集与监测。采用相关软件对监测数据实行管理，并对原始数据进行计算，获得相应变形成果，并绘制有关数据曲线。

3 监测成果分析

3.1 测点位移解算

为更好地反映地裂缝三维活动规律，建立相对坐标系统，即沿地裂缝延展方向为X轴，表示水平扭动方向；垂直于地裂缝延展方向为Y轴，表示水平拉张方向；垂直于地表平面为Z轴，表示垂直差异沉降方向。

垂直差异沉降的变化，利用竖直位移传感装置直接测量取得；而水平拉张和水平扭动，则要通过二元距离交会法测得。

二元距离交会法，就是利用三条边（其中，两个已知点AB固定不变，而P为变化点），根据AP、BP边的距离实时变化，最后计算出P点的坐标变化情况（图5）。

图5 二元距离交会原理示意Fig.5 The principle sketch of binary distance intersection method

3.2 地裂缝活动性的三维变化特征

该自动化遥测系统自2009年8月建成运行，监测频率为1次/30分钟，截至2012年11月，已成功积累大量原始数据。监测结果显示，水平扭动量、水平拉张量、垂直差异沉降量，三者的变化值比例为1:2.5:4.6。其中，水平扭动方向的累计变形量达6.10mm、水平拉张方向的累计变形量达15.18mm、垂直差异沉降的累计量为28.35mm，反映出该地裂缝具有明显的三维活动特征。

在垂直方向上，地裂缝上盘呈相对下降趋势；而在水平方向上，具有明显的水平右旋和水平拉张特点。三维活动量中，垂直差异沉降量最大，水平拉张变化量次之，水平扭动变化量最小（图6）。高丽营地裂缝三维活动特点与黄庄—高丽营断裂活动特征相一致，充分证明该地裂缝受断裂控制的以往认识和判断结论。

图6 地裂缝活动的三维变化累计曲线Fig.6 The accumulative curves of 3D movement of ground fissure

从监测时段内的地裂缝变化过程可看出，其发展变化具有年度周期性规律。水平扭动方向基本上呈现一个摆动状态，每年1～4月份处于相对左旋状态，而每年5～12月份则处于相对右旋状态（图7a）；水平拉张方向也基本呈摆动状态，每年1～4月份处于相对紧缩状态，每年5～12月份则处相对拉张状态（图7b）；垂直方向上，每年4～6月为其活跃期，变化量很大，而7月至次年3月则属相对静止期，变化量很小（图7c）。这些动态变化特征，说明地裂缝的活动也受其它因素影响，并与其具有相关性。

图7 地裂缝活动年度变化对比曲线Fig.7 The Annual change comparison curves of 3D movement of ground fissure(a: horizontal twist; b: horizontal strain; c: vertical direction)

4 结语

地裂缝活动特性的准确把握有助于分析其变化特征、发展规律与制约影响因素，自动化监测系统是重要的技术手段，对地裂缝地质灾害的研究与防治具有促进作用。

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Analysis of the Activity of the Gaoliying Ground Fissure (Beijing), Based on Automatic Monitoring

WANG Hai-Gang1,2, YANG Yan1,2, LIU Ming-Kun1,2, JIA San-Man1,2, TIAN Fang1,2
(1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China;
2. Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100195, China)

The Gaoliying ground fissure is one of the most active ground fissures in the Beijing area, and has caused damage to infrastructure, including walls and roads. The KLA-1 surface displacement automatic telemetering system was used to conduct real-time automatic monitoring of the fissure. The results of the testing reveal that the Gaoliying ground fissure shows periodic activity in three dimensions, and that its activity is controlled by the Huangzhuang-Gaoliying Fault. The findings confirm that the KLA-1 telemetering system accurately monitors the ground fissure in real time, and that the system is helpful not only for monitoring activity but also for potentially preventing a disaster caused by ground fissure activity.

geological hazard; ground fissure; automated monitoring

P642.27

A

2095-1329(2013)02-0064-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.015

2013-03-26

2013-04-19

王海刚(1980-),男,硕士,主要从事地质工程与地质灾害研究.电子邮箱：whg_8232@163.com

联系电话：010-51560312

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006CB708405);中国地质调查局项目(1212010540902,121 2010814044,1212011220180)