基于姿态传感器的大型滑坡灾害监测的初步研究

肖进, 屈永平

(四川建筑职业技术学院，德阳 618000)

基于姿态传感器的大型滑坡灾害监测的初步研究

肖进, 屈永平

(四川建筑职业技术学院，德阳 618000)

滑坡的监测主要是基于滑坡体的空间几何形态的变化特征，由于滑坡的变形不均匀、运动周期长、应变量小等特征，导致滑坡的监测难度大、监测周期长。为此，基于姿态传感器的小体积、高速数据传输、低功耗、稳定启动时间、全角度无盲区等监测特征，本文选取姿态传感器为滑坡形变监测仪器，姿态传感器通过位移和角度的转换得到滑坡体姿态变化值，通过白什乡典型滑坡的全站仪监测和姿态传感器监测结果对比可知，姿态传感器能更准确及时的反应了滑坡体内部的变形结果，为有效地监测滑坡提供了一定的参考价值。

地质灾害；滑坡；发展趋势；监测；姿态传感器

滑坡监测作为滑坡地质灾害风险减缓和预防的重要措施之一已经普受重视[1]，其中滑坡的诱因主要为地震、降雨以及人类干扰等因素[2]，而滑坡的监测可以分为位移监测、地震监测和降雨监测等[3]。前人根据不同地区滑坡与降雨条件、地震加速度等建立了一系列的滑坡预测模型[4]。由于滑坡监测过程中的监测方法、监测仪器精度和监测仪器适用条件等限制，导致滑坡的监测结果分歧较大。为此，滑坡的监测系统中急需具有小体积、高敏感性、高传输性能、不受监测孔质量影响的传感器。本文选择基于微机电系统的姿态传感器,以白什乡滑坡为为研究对象，通过全站仪监测数据和姿态传感器监测数据的对比，姿态传感器能有效的弥补滑坡体内的变形监测，为滑坡监测的研究提供一定参考价值。

1 研究区概况

白什乡滑坡位于四川省绵阳市北川县城以西，滑坡的前缘存在多处崩塌灾害点，滑坡体表面分布着大量的张拉裂缝[5]。滑坡的平面形态呈“三角形”，其中滑坡的分布特征如图1所示。滑坡的后壁最高点为1 860 m，滑坡后缘为1 826 m，即滑坡后缘陡坎的落差为34 m。滑坡体的平均长度为300 m，平均宽度为260 m，平均厚度为26 m，滑坡的面积约为8×104m2，滑坡的体积约为200×104m3。由于白什乡滑坡的规模大，所处的地形陡峭，且滑坡前缘距河谷底部的高差≥500 m，给坡脚的白什乡老街居民和小学带来了严重的生命和财产威胁。

图1 白什乡滑坡平面分布影像图

2 姿态传感器原理

滑坡体深部变形监测的仪器目前主要有钻孔倾斜仪、钻孔多点位移计等。此类监测设备因为其工作路径长，受监测孔的成孔质量以及监测孔后期变形等条件限制。滑坡体内部的不均匀形变，常常造成监测孔发生弯曲变形，更有甚者出现塌孔埋孔等现象，导致监测仪器的灵敏性受影响，进而直接影响监测结果，根据其监测数据对滑坡发展过程分析容易形成误判。

对于三维空间的坐标体系，任何坐标的取向，都能以欧拉方程来呈现，即刚体的坐标系随刚体的旋转而旋转。姿态传感器的坐标旋转如图2所示，其中S、S’、S”、T分别代表了姿态传感器在立体空间系统内的不同位置。根据三轴坐标的变换理论，当传感器在位置T的坐标可由S经过一系列的旋转、位移和伸缩变换得到。其中三轴坐标的变换理论可由下式表示[6]：

图2 姿态传感器坐标旋转过程[7]

(1)

式中，[XYZ]T、[XYZ]S分别代表三轴空间内的任意一固定点的坐标值；k是传感器的特征参数；[ΔXΔYΔZ]则表示该坐标点经过一系列的姿态变化的的姿态变化因子，其中姿态与坐标旋转的关系如下式所示：

(2)

式中，θ、φ分别代表三轴坐标系统中坐标变换过程中x轴和y轴转动的角度。根据传感器角度值的关系[7]得到角度变化特征，其中转化公式如下式所示：

cosθ=(1-sin2α-sin2β)1/2

(3)

sinθ=(sin2α+sin2β)1/2

(4)

(5)

(6)

式中，α、β分别代表某特定姿态下的角度值。

根据上述姿态传感器工作原理可知，姿态传感器根据其角度变化值反映其姿态的变化情况，即滑坡在变形过程中，其单位体积的岩土体的坡度为实时动态变化。为了有效的反映滑坡体的坡度、位移变化等特征，姿态传感器安装在节点下的深孔中，传感器a用于测量地表处的倾斜角，传感器b用于测量滑坡体深部倾斜角[8]。当滑坡运动时，监测点的角度和位移关系如下图3所示。

图3 滑坡体姿态变化特征示意图[9]

在滑坡体微小应变形变过程中，忽略滑坡体内部因不均匀变形而导致拉线位移计的拉线弯曲变形，假设滑坡的坡度为β，其中如8号监测点初始位置B，BO的深度为H。当滑坡变形运动至C时，CO’为滑坡变形后的位移，姿态传感器的初始角度为θ，拉线位移计初值长度为AB。滑坡发生变形后，姿态传感器测得的沿坡面水平倾斜角为α，变形后的拉线位移计的长度为AC，其中8号监测位置的空间几何变化特征如下所示：

L=(AC-AB)cosβ=ΔScosβ

(7)

L1=Hsinα

(8)

L2=L-L1

(9)

式中，L1为姿态传感器发生倾斜时沿坡面方向的水平位移分量；L2为姿态传感器为发生倾斜时沿坡面方向的水平位移分量；L为滑坡变形后的水平总位移；ΔS是拉线式位移计的位移值变化。

3 滑坡监测结果分析

经过野外初步判定，白什乡滑坡的变形速率存在差异，为了有效准确的研究该滑坡的变形特征，初步将该滑坡分为Ⅰ号和Ⅱ号两个区域，能有效的监测白什乡滑坡的发展趋势。在滑坡体上分布了17个监测器(即TP1～TP17)，分别分布于滑坡的两个区域，以监测滑坡的位移变化值，其中滑坡监测仪器分布位置如下图4所示。

根据白什乡滑坡17个监测点在2007年1月7日至2007年7月28日时间段的监测数据分析可知，整体上Ⅰ号滑坡区域的变形速率相对于Ⅱ号滑坡区域的变形速率快，其中Ⅱ号滑坡区域的平均变形速率为58.01 mm/d，而Ⅰ号滑坡区域的平均变形速率为62.85 mm/d，即Ⅰ号滑坡区域的变形速率比Ⅱ号区域快4.84 mm/d。其中白什乡滑坡17个监测点数据如下表1所示。

表1 滑坡匀速变形阶段各监测点变形特征

为了有效的监测滑坡的变形规律，文中选取白什乡滑坡典型监测点的监测数据(TP2监测点，TP6监测点)，监测数据如图5所示。监测数据记录了白什乡滑坡在监测时间段为2007年1月7日至2007年7月28日的变形速率，由监测数据可知，前期滑坡的变形缓慢，在2007年4月1日开始滑坡的变形量增加，在2007年7月11日后期滑坡的变形呈几何指数增加。

根据白什乡滑坡典型点监测数据可知，白什乡滑坡的变形初步可以分为3个阶段，主要包括初始等速变形阶段、加速变形阶段和临滑阶段等[11]，其中白什乡滑坡的变形阶段如下表2所示。

表2 白什乡滑坡变形阶段

根据现场观察值可知，滑坡变形初期，滑坡变形速率相对于监测值较小，而到了滑坡变化后期，现场观测值大于监测值，即现场滑坡地表观测值与滑坡内部监测值存在相当差值，其中差值范围为-27.2～103.9，监测值和观测值如表3所示。

对比数据可知，滑坡前期监测值大于现场地表观测值，在滑坡运动中期监测值和观测值相近，在滑坡运动后期监测值小于观测值。

图4 白什乡滑坡监测孔分布位置[10]

表3 白什乡滑坡监测值和地表观测值累积位移对比

监测设备的精度条件直接决定了监测数据的可靠性和误差值，直接的反映了监测结果的准确性，其中实例设计的姿态传感器参数如表4所示。

表4 姿态传感器参数表

4 结论

汶川地震后，震区内存在大量的潜在滑坡体，导致滑坡地质灾害的爆发频率成几何增长，而滑坡具有预测难度大、治理成本高、危害性强等特征，因此滑坡的监测也是震后主要研究方向之一。本文在前人研究基础上，基于滑坡运动过程中的姿态变化特征，采用姿态传感器对滑坡体进行有效的监测，初步得到了以下主要结论：

(1) 姿态传感器的体积小、数据传输快、功低耗、启动时间稳定、全角度等监测特征，使得姿态传感器在未来滑坡监测系统有着广泛的运用前景。姿态传感器主要基于滑坡体内部的角度和相对位移的变化特征，通过姿态传感器的三维坐标空间转换，直观的体现滑坡内部的变形过程。

图5 白什乡滑坡典型监测点变形特征

(2) 根据白什乡滑坡的监测结果可知，滑坡的变形过程可以分为初始等速变形阶段、加速变形阶段和临滑阶段等3个阶段,其中滑坡监测的平均变形速率为58.01 mm/d。

(3) 通过对比姿态传感器与全站仪监测发现，在监测前期姿态传感器能更有效的反映滑坡体内部变形特征；在滑坡等速运动时期姿态传感器与现场监测值误差较小，即姿态传感器的监测数据与滑坡真实的变形相符；在滑坡变形后期，滑坡体内部姿态传感器监测数据相对于全站仪监测数据较大，其完全符合滑坡变形迹象。

综上所述，对比姿态传感器监测数据和野外现场监测数据发现，姿态传感器的监测数据能准确及时的反映滑坡体内部的变形过程。

[1] 李长江,麻土华.反思舟曲灾难事件:如何最大限度减少人员伤亡?[J].地质论评,2011,57(5):687-699.

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[3] 唐亚明,张茂省,薛强,等.滑坡监测预警国内外研究现状及评述[J].地质论评,2012,58(3):533-541．

[4] Crozier M, Eyles R. Assessing the probability of rapid mass movement[J].1980：2．

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[7] 胡国文.角度传感器在边坡监测中的应用研究[D].重庆大学,2014.

[8] 许社教.三维图形系统中两种坐标系之间的坐标变换[J].西安电子科技大学学报，1996，23(3):429-432.

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[10] 胡国文.角度传感器在边坡监测中的应用研究[D].重庆大学,2014.

[11] 肖进.重大滑坡灾害应急处置理论与实践[D].成都理工大学,2009.

PRELIMINARYRESEARCHONLARGELANDSLIDEDISASTERMONITORINGBASEDONATTITUDETRANSDUCER

XIAO jin,QU Yong-ping

(Department of Engineering Management,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang 618000,China)

Landslide monitoring is mainly based on the variation characteristics of spatial geometry of landslides, due to the characteristics of uneven deformation, long motion period, small strain, all which resulting in the difficult to monitor, long monitoring period. Therefore, due to the characteristics of attitude transducer such as the small volume, high-speed data transmission, low power dissipation, stable starting time, no blind area, so the attitude sensor selected for landslide monitoring, the attitude attitude change value of landslide got through the conversion of change value of displacement and angle, according to the Contrast value of total station monitoring and attitude sensor monitoring results of the typical landslide of Bai Shi Xiang, attitude sensor can be more accurate and timely response to the internal deformation results of landslide, all which can provide the value reference for effectively landslide monitoring.

geological disaster； landslide； development trend； monitoring； attitude transducer

1006-4362(2017)03-0025-05

2017-05-03改回日期2017-07-14

德阳重点科学技术研究项目：基于姿态芯片技术的大型滑坡灾害监测系统设计与研发(2015zz035)

P642.22；X43

A

肖进(1969- )，男，四川达县人，博士，高级工程师，主要从事地质工程方面的工作。 E-mail: 85257902@ 163.com