一种新的滑坡监测系统的设计和应用

2015-03-01张新宇高帅

地质灾害与环境保护 2015年1期

张新宇，高帅

（陕西省地质环境监测总站，西安 710054）

随着经济建设的蓬勃发展，交通、城建及资源开发利用等工程项目的大量实施对自然环境产生了严重的影响，使地质灾害造成的伤亡数量呈增加趋势，同时经济损失巨大。据统计，仅2010年，全国共发生地质灾害30 670起，造成2246人死亡、669人失踪、534人受伤，直接经济损失63.9亿元［1]。其中滑坡22 329起，占全部地质灾害数量的72.8%。由此可见，滑坡具有不可忽视的严重危害。

从滑坡的诱发因素、形成机理、发生规模和频率、时间和地点及成灾后危害等方面来看，滑坡虽然具有不确定性，但多年实践经验表明，通过监测可以掌握其活动情况、破坏机理及影响范围，预测可能发生的破坏，从而为防灾减灾提供依据，实现滑坡预警预报［2]。

至2014年10月，陕西省目前在册地质灾害隐患一万余处，滑坡占七成以上。绝大多数滑坡监测是依靠群众采用目测、埋桩法、喷漆法等传统观测方法监控灾害体的变形迹象，当出现险情时，立即组织受威胁的人撤离至安全区域。这种监测方法监测数据质量差，报送不及时。

地质灾害主管部门及相关科研院所针对地质灾害特别是滑坡研发了深部测斜仪、GPS监测系统、insar监测系统等大量监测预警设备和方法，避免人员伤亡和经济损失，取得了良好的社会效益和经济效益［3]。但实际投入后发现，使用的设备昂贵、对操作人员技能要求高、运行维护困难等弊端，一定程度上限制了此类设备在基层地质灾害防治工作的推广。

鉴于此，亟需一套便于基层，特别是山区滑坡隐患点使用，具有廉价、易操作维护、传送及时等特点的监测设备。

专业技术人员依托已较为成熟的激光测距、GPRS数据网络等新技术，设计了镇安县群测群防监测系统，具有高精度、低成本、实时化等优点。

目前，关于此类技术在国内地质灾害防治领域内的文献报导还不多，在滑坡群测群防监测中的应用尚处于探索阶段。

1 监测系统工作原理和构成

监测系统主要是由数据采集模块、传输模块、管理模块组成。

1.1 采集模块

采集模块由监测桩和靶标桩组成。为准确反映滑坡的变化情况，需要确保系统跨越滑坡边界，在跨越边界两端布设一组激光测距监测装置。通过固定在监测桩上的激光测距仪测量滑坡坡体与滑坡体外靶标桩之间的距离变化，得出滑坡的滑动位移数据，从而判断滑坡的变化程度和发展趋势。

1.2 传输模块

传输模块基于开发的手机APP软件，监测员使用手机客户端通过GPRS网络与至县级地质灾害服务器通信，实现实时报送。为确保监测员应尽的责任义务，利用手机自带AGPS功能进行定位，数据发送地点必须位于滑坡坐标范围1 k m内，否则手机将自动报警提醒，见图1。

图1 手机APP客户端

1.3 管理模块

管理模块由县级地质灾害服务器和开发的管理软件组成，可实现数据发送、接收、分析、报警和管理等多项功能。

2 监测系统建设

为验证该套系统的有效性，技术人员在镇安县开展群测群防实验区建设。实验区内采用镇安县群测群防监测系统为主，规范群测群防监测工作的操作方法，架设县级地质灾害服务器，并要求群测群防员的手机安装群测群防手机客户端。

2.1 采集模块建设

采集模块的桩体均采用农村极易见到的建筑用PVC管道，内部加有螺纹钢筋以提高强度，放置在40 cm×40 cm×40 cm的基坑内，灌注混凝土固定。将建筑用激光测距仪通过万向节固定在滑坡上的桩体，设为监测桩。在滑坡区域外设置喷有靶标的反射板的靶标桩（图2）。通过不断测量监测桩和靶标桩之间的绝对距离，获取滑坡的地表位移变化量，从而反馈坡体的滑动情况。所选取的激光测距仪精确度可达到0.02 mm，足以满足群测群防监测的需求。

图2 数据采集模块结构图

2.2 传输模块建设

开通监测员的手机GPRS功能，并安装专用信息客户端，并调试其与服务器的通讯，保证信息可以及时有效传送至服务器。

2.3 管理模块建设

架设县级地质灾害服务器，录入各监测点的原始属性和监测员信息。

2.4 对照系统建设

为获得更多对照数据，每个点位同时采用埋桩法、裂缝伸缩仪、裂缝报警器、雨量计和宏观巡查的常规监测方法。监测系统为主，传统方法为辅，新旧结合，便于对照参考。

2.5 监测系统运行流程

监测员定期使用采集模块开展监测工作，并将采集到监测数据通过GPRS网络将所在上所属的监测点监测数据（位移、雨量等）直接上报至地质灾害服务器，服务器将自动启动统计分析功能，当变化量大于基于经验值所设置的阈值时，将启动自动报警，以尽快撤离受威胁人员。同时短信通知专业技术人员赶赴现场，开展地质灾害应急排险。专业技术人员也可通过服务器发送信息至监测员的手机客户端，与监测员互动，实现信息双向互通。同时服务器可呈现实验区内所有监测点的属性和变化情况，便于地质灾害主管部门开展管理。

3 监测实例

以实验区内的镇安县二中滑坡监测点所发回的数据分析为例。

3.1 监测点建设概况

镇安县二中滑坡监测系统于2012年9月7日安装完成，共安装6处监测点，分别为3组监测桩、2处传统埋桩法观测点和1处简易雨量观测点。点位布置（图3）。图中JG为激光测距监测点，DL为传统埋桩法监测点，YL为雨量计监测点。

该处地质灾害隐患点所设置的监测点位中，JG01点位在2013年5月因修建设施遭到破坏，其他监测点均运行正常。汛期（5月～10月）平均每月观测4次，其他月份平均每月观测1次，可满足监测频次要求。

图3 监测仪器布置图

3.2 监测数据分析

图4为各监测点累计位移与时间的过程曲线。

图4 各监测点累计位移与时间过程曲线图

2013年6月～7月期间，滑坡体前缘激光测距仪JG02测值发生了突变，位移量达25.816 mm，超过系统所设置的20 mm阈值。接到数据后，服务器自动触发报警，技术人员立即赶赴现场，发布撤离警告，同时密切关注其他监测点。发现各监测点测值也发生了不同程度的位移突变，但突变量大小不一。结合监测点上所设置的简易雨量计数据分析，原因为这期间降雨量较大，其中2013年5月31日当日降雨量达200 mm，分析其原因为雨水一方面润滑滑动面，另一方面静水压力作为滑动推力，加速滑坡的变形［5]。此后JG02号测点在2013年7月位移量发生了缩小往复，这可能与秦巴山区膨胀土特性有关。JG04号监测点位于滑坡后缘，该测点的位移量较小，累计位移量为9.574 mm，分析认为该滑坡为牵引式，后缘变化量不明显，因此变化量较其他部位较小［5]。DL03和DL05的变形量也较大，同时期裂缝拉裂宽度同步加大，与激光测距监测系统变化一致。但其他月份均出现不同程度的往复，可能是监测时的人为误差造成，导致曲线出现波动。

根据监测数据，镇安县二中滑坡位移量与降雨量有密切的关系，该滑坡在强降雨期最大位移量可以达到3 mm／d左右，参考以往同类型滑坡的经验数值，符合本地区滑坡变化的诱因和规律。各监测点在2013年6月～10月波动大，其时间段符合汛期强降雨造成的雨水入渗诱发地质灾害蠕动的规律。