“普查分级+重点监测”的滑坡监测方案研究

潘成瑜

(广西宁铁测绘科技有限公司，南宁 530001)

1 概述

斜坡岩土体沿着剪切破坏面在重力作用下发生地质滑移运动的现象，称为滑坡[1]。我国幅员辽阔且地形地貌特征较为复杂，部分地区滑坡体灾害运动剧烈。大规模资源开发、工程兴建和气候气象变化等因素，已逐渐成为滑坡灾害频繁发生的主要诱因。如图1所示，贵州水城受连续强降雨影响，发生特大山体滑坡灾害，滑坡面积约40万m2，区域内78%的房屋被埋。

图1 贵州六盘水水城县滑坡灾害

据中国地质调查局公布的《全国地质灾害通报(2019年)》，仅在2019年，全国滑坡灾害就发生4 220起，共造成299人伤亡或失踪，直接经济损失27.7亿元。尽管投入大量的人力和资金进行滑坡灾害的监测预警和灾后治理，但由于隐患点普查难度大、监测资源有限、监测方案不完善等因素，成功预报的地质灾害仅占15.3%。尤其在铁路建设工程中，受路堑、隧道开挖等施工影响，线路周边滑坡灾害发生的数量和危险性都在不断增长。

针对滑坡灾害的监测、预测，许多相关解决方案被相继提出[2]。王庆国将三维激光点云与航空影像相结合，通过数据融合去噪、重建地表模型、剖面采样分析等手段，对滑坡变形规律进行了研究[3]；赵宝强将两种时序InSAR技术综合应用于青海省高家湾滑坡变形监测中，获得了地表缓慢的相对变形数据[4]；由于InSAR卫星运行路径固定、滑坡体结构变化复杂多样，导致检测结果与真实形变之间存在较大误差；白正伟将自研的千元级北斗/GNSS滑坡监测传感器以及监测云平台应用于黑方台滑坡监测，获得了较好的应用效果[5]；YU BING等提出蠕变破坏理论概念，认为各因素之间的关系和实际值预测值拟合度可用于推断地质灾害滑坡体概率，但其预测预报精度不高，且存在不确定性[6]。

滑坡监测的目的是实时掌握灾害体形变信息，超前做出预测预警，为灾害的防控和治理提供可靠的基础信息资料[7]。工作开展的基础是对滑坡灾害隐患区域开展全面的隐患点普查。然而，勘察区域地形复杂、面积过大且辨识难度高，通过人工及传统监测手段进行全方面的隐患点普查难度非常大，需要耗费大量的人力物力。此外，现有的滑坡监测方案大多仅采用单种监测设备，不仅对于滑坡体影响因子参数采集较为单一，无法为其状态分析和预警判断提供可靠的数据支持，还存在着监测资源利用率低下、高危区域监测数据不足等现象，从而导致滑坡体发育变形预测误差较大，无法做到精准有效的监测和预报。

为此，提出了“普查分级+重点监测”的滑坡监测方案，使监测工作做到“不重不漏、重点监测”，可有效提升监测的准确性和预警响应效率，降低监测成本投入。

2 灾害隐患区域普查与分级

2.1 “InSAR+无人机”遥感技术大范围灾害普查

InSAR技术是近年来新兴的区域地表变形监测技术，利用覆盖同一区域的两幅SAR影像数据，通过微波干涉原理和激光测距原理可探测地表mm级的微小形变和高程差异。其获取的数据具有高精度、高分辨率、覆盖范围广[8]、快速便捷和成本低廉等优点。无人机遥感技术系统集成了遥感观测技术、无人飞行器技术、GNSS定位技术等众多先进技术，可快速获取检测区域内的各种专题信息[9]，自动化和智能化程度较高。相较于航天卫星遥感技术，无人机遥感技术可以避免气象条件和时空条件的制约，灵活性和适应性较强。

大多数滑坡灾害隐患区域位于地层结构松散的山体斜坡，这些区域地形陡峭险峻且多被茂密的植被覆盖，人类难以涉足。通过人工进行隐患区域普查不仅面临着巨大的工作难度和风险，还容易造成漏查，埋下安全隐患。因此，采用INSAR技术定期获取滑坡灾害隐患区域的SAR卫星影像，通过数据预处理、主影像选择、干涉相位计算、地形相位去除等步骤[10]，分析得到目标区域mm级精度的地表形变速度场，结合无人机影像解译，经过分析评估探测得到地质灾害隐患周边区域不均匀沉降及沉降漏斗，识别潜在滑坡灾害风险区域(滑坡、危岩落石区等)。如图2所示，对某公路边坡区域的InSAR卫星影像进行处理得到地表三维形变速度场(左1)，根据形变量大小采用“绿-黄-红”色阶进行分层渲染，再利用无人机对高风险区域(左2红色区域)航飞拍摄遥感影像，综合译判滑坡的范围(右1)。如唐尧等利用InSAR和国产高分影像在茂县滑坡灾情后成功判译了灾区周边隐患区域，为当地政府的灾后应急监测提供了数据支持[10]。

图2 InSAR+无人机遥感技术判译滑坡隐患区域

2.2 灾害分级

滑坡灾害分级是指将滑坡隐患区域按照其发生概率和危险性进行综合评估和等级划分。对整个灾害隐患区域内的滑坡体进行分级后，可以得知目前危险性较高的潜在滑坡区域，有针对性地将有限的监测资源配置向高风险滑坡体倾斜，以最大程度提高滑坡预测效率。

滑坡分级需要选取合适的评价指标，其中包括地形地貌、岩层特性、水文气候、地质构造、人类工程活动、坡体结构特征等诸多条件，这些评价指标在滑坡危险性分级评价中已得到广泛的应用[11-13]。其中，地形地貌、岩层特性、地质构造、水文气候等因素在一般大范围区域内具有一致性，无法反映该区域范围内不同滑坡体的个性差异，而往往滑坡多发区中人类工程活动、坡体结构特征等因素才是控制滑坡体发育的关键因素。因此，分别选取滑坡坡度、高差和滑坡长宽比作为滑坡分级评价的指标。

在滑坡发育的过程中，坡度具有显著的影响作用，直接决定滑移面剪应力的分布及滑坡结构的稳定性，坡度越陡越容易诱发滑坡和崩塌等灾害。滑坡高差是指滑坡前缘与后缘的相对高差，不仅决定了滑坡发育的坡度，还制约着滑坡的运动特征。滑坡长宽比决定了滑坡的形状特征，滑坡的形状特征是影响坡体应力分布的主要因素。当长宽比较小，坡体呈横向发育时，坡脚剪应力较小，滑坡体稳定性较高；长宽比较大，坡体呈长条形发育时，抗滑段长度显著增加，可有效维持滑坡体的稳定。樊晓一根据三峡库区万州滑坡监测预警资料，选择符合滑坡地质特点并且容易获取的坡度、高差和长宽比作为评价因子，并认为Lognormal模型可以较好拟合全部评价因子的分布特征，将各评价因子不同区段对应的拟合曲线值作为评价值，建立区域滑坡地质调查危险性分级评价指标(见表1)[14]。

表1 滑坡分段评价值

利用InSAR影像和无人机遥感影像数据经数据处理后，可得到每个滑坡体的坡度、高差、长宽比；再分别按照表1统计其累计综合评分，对照表2中的5级标准等级进行分级。

3 重点区域的自动化监测

利用“InSAR+无人机”遥感技术进行普查分级后的滑坡体被赋予相应的危险性等级属性，结合相关地质资料和无人机拍摄的现场高清影像，对滑坡体基本特征、成因模式、当前变形阶段、关键影响因素进行分析归纳。对不同类型滑坡体采用不同的监测手段，重点监测可反映滑坡稳定性和变形阶段关键指标以及导致滑坡失稳的关键因素。通过布设北斗/GNSS系统、钻孔测斜仪、雨量计等多种自动化监测设备，连续获取地表及滑坡体内部的相对和绝对位移变化量以及降雨量等观测值，来实现对重点区域具有针对性的强化监测(见图3)。再通过计算机技术、数据通讯技术及数据处理分析技术将自动化监测设备进行集成，可实现从数据获取、通讯传输、管理存储到分析预报的全自动化[15]。

图3 重点区域自动化监测系统

3.1 北斗/GNSS技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)作为滑坡监测预警的重要手段之一，不仅具有连续高精度、全天候的监测能力，还可以直接获取滑坡体表面形变的三维矢量数据。其中，北斗卫星导航系统在亚太区域具有卫星数量多、可视卫星高度角大等特点，是复杂区域滑坡高精度监测的首选系统[16-19]。使用北斗/GNSS位移监测仪(见图4)，结合无线/有线数据通讯技术及高精度GNSS静态解算系统，可使定位精度达到mm级(水平：2.5 mm，垂直：5 mm)，进而实现对地质灾害滑坡体的全天候、实时监测，准确计算滑坡体的滑动变化曲线，实现对灾害隐患点发生滑坡前的预警预报。

图4 北斗/GNSS监测设备

3.2 土体深层水平位移监测

钻孔测斜仪是测量岩土体内部滑动面位置及其滑移量、准确判定滑动面分布和变化趋势的关键测量设备(见图5、图6)[20]。第一次观测获取岩土体深层水平位移初始值后，通过定期观测可计算得到滑动面的深度、偏移方向、偏移值和偏移速率等参数。根据定期获取的观测数据可以构建出岩土体滑动预测模型，反映滑坡的变形机理和趋势，为滑坡险情预警提供参考资料。

图5 钻孔式固定式测斜仪

图6 钻孔测斜仪工作原理

3.3 雨量计

在促使边坡失稳产生滑动的众多诱发因素中，降雨量是最活跃、变动性和不确定性最大和影响最为广泛的主导因素[21]。我国绝大多数的滑坡都是受到强降雨影响，引发地下水分布变化、造成滑坡体和滑带介质的物理力学性质发生突变而造成的。林和信统计了福建建瓯地区在1998年“6.22”洪灾中降雨量与地质灾害的相关情况，仅在6月8日～24日期间，受强降雨而发生的滑坡地质灾害就高达113起，占总灾害比70.63%。因此，对滑坡灾害隐患重点区域安装雨量计(如图7、图8)，实时获取降雨量，有助于对滑坡发生环境条件的认识，估计滑坡发生的降雨量阈值，预测滑坡发生的可能性和危险性。

图7 翻斗式雨量计

图8 滑坡监测雨量计监测点布设

4 滑坡预警

预警是指在滑坡体即将发生突发性灾害前一定时间通过各种通讯方式和途径(警报、广播、电话等)，及时向可能受灾害威胁的民众以及负责应急抢险的相关人员发送警告信息，以便于及时启动相关的疏散抢险预案。其主要分为区域性气象预警和单体预警两大类。区域性气象预警作为范围性和提示性预警，是基于降雨量建立的经验预警模型。其主要作用是指导地质灾害群防群策工作，并不具备准确的疏散应急预警指令。单体预警是通过专业监测设备对现场数据进行实时处理分析后，在滑坡灾害发生前一定时间发出的具有明确疏散撤离指令的警示信息。对于单体滑坡，国际上常用的是“阈值预警法”(见表3)，通过统计分析滑坡现场实际情况确定一个阈值(临界值)，当监测数据超过阈值时，立即通过各种通讯渠道发出警示信息。

表3 三级警戒状态判定

5 结论

监测预警作为降低滑坡地质灾害损失的重要举措之一，愈来愈受到人们的重视。提出“普查分级+重点监测”的滑坡监测方案，针对铁路工程等大范围滑坡隐患区域开展普查分级、确定重点监测区，并对重点监测区滑坡体进行全方位、立体化的监测预警，在监测资源的合理分配和提高预警准确性方面具有一定指导意义。