物联网监测技术在广州边坡地质灾害防治中的应用

林兴立 胡辉

摘要：滑坡与崩塌是广州市较常见的地质灾害类型。实施边坡变形监测与预警能在较大程度上减小灾害损失。根据滑坡与崩塌地质灾害特点，分析了现有常规监测技术的局限性；以两个成功案例分析了广州地区滑坡、崩塌地质灾害的变形特点，总结了不同灾害类型边坡的监测剖面、监测参数及传感器类型确定原则与监测实施方法。监测效果表明，本文介绍的物联网监测系统功能齐全、性能稳定、部署灵活、兼容性强，能够较好地对危岩崩塌、滑坡实施在线监测与预警。

关键词：地质灾害；崩塌；滑坡；监测；物联网

广州存在北部及东北部低山丘陵、中西部广花盆地和南部低地平原三种典型地貌，区域内断层广布、珠江口西岸附近堆积深厚的软弱淤泥和粉细砂，地质条件复杂。由于复杂的自然、地理环境条件，加上城市大规模开发建设，导致地质灾害频繁发生。据不完全统计，2020年广州共有674处地质灾害隐患点，威胁人数1 589人，潜在经济损失52 379.7万元，其中边坡地质灾害占比最大。边坡地质灾害主要为滑坡、崩塌两种类型[1-3]，其特点为：①规模小、数量多、分布广、突发性强、危险性危害性大；②断裂与褶皱地质构造背景并存；③岩土层结构松散、破碎是崩塌滑坡的物质基础；④丰沛的降水与渗流是动力条件；⑤人类工程活动是主要致灾因子，也是最直接的承灾体。

根据《国家中长期科技发展规划纲要（2006—2020）》，“重大自然灾害监测与防御”是公共安全领域优先主题，其中，监测是防灾的首要工作，是灾害预报和防范的信息源头。专家学者也把建立边坡地质灾害监测系统作为城市地质灾害问题的重要防治对策[4-5]。

地质灾害监测具有多学科融合的专业特性，如何针对广州地区滑坡、崩塌地质灾害的变形特点，针对性地提出监测方案，是当前边坡地质灾害监测的重点。此外，常规监测手段在数据采集频率及预警时效性等方面难以满足边坡地质灾害变形监测的要求，监测手段及技术水平亟需提升。基于此，本文结合笔者近年来在物联网监测系统研发与边坡地质灾害监测实践的认识，论述了物联网在线监测系统的组成及监测剖面、监测参数及传感器類型确定原则与监测实施方法，为广州地区边坡地质灾害监测预警提供参考。

1    开展边坡地质灾害监测的意义

边坡地质灾害的防治主要有两种思路：“防”和“治”。“防”即通过地质调查、变形监测等手段，判断其稳定状态及变形发展趋势，预估灾害带来的后果并制定相关应急措施；“治”即对地质灾害隐患点进行工程加固治理，是避免地质灾害发生的最终手段。面对众多的边坡地质灾害隐患点，若全面实施治理，需要消耗大量自然及社会资源。除经济上不可行外，全面治理还存在较大的盲目性。当尚未有依据充分证明一个地质灾害隐患点不稳定便开展治理工作，一方面耗费财力，并且可能在治理过程中出现边治理、边破坏的负面效果，诱发本身尚处于基本稳定状态边坡的地质灾害发生。因此，现阶段对边坡地质灾害应坚持“预防为主，防治结合”的方针，优先开展变形监测。

对广州地区典型地质灾害隐患点实施变形监测有三方面的意义。首先，以较少的投资掌握边坡稳定状态及变形发展趋势，进入临灾阶段提供预警预报，最大限度地减少地质灾害造成的生命财产损失，具有巨大的社会及经济价值。其次，通过对变形监测成果分析，决定是否开展治理，并为治理决策提供依据，减少工程治理的盲目性。最后，边坡变形监测成果也是研究工程地质问题的第一手资料[6]，对研究岩土体变形破坏机理及完善地质模型极为重要[7]，对促进工程地质学科理论研究和工程应用意义重大。

2    边坡地质灾害监测技术应用现状

目前，边坡地质灾害常见的监测手段有人工变形监测、视频监控、降雨量预报等。人工变形监测主要采用全站仪、水准仪、测斜仪、测缝计、应力计等常规监测仪器，量测角度、距离、高程、倾斜、相对位移、应力等参数变化量。这种监测手段具有较好的灵活性，也适应于不同的地质体，在业界占主流。但人工变形监测存在外业工作量大、数据采集频率低、数据利用延后等缺点，且直接受天气、恶劣环境限制，尤其是在发生险情时，监测人员人身安全也受到风险威胁，导致紧急关头无法连续监测。

视频监控是指利用高清摄像头对准边坡地质灾害隐患点进行视频录制、变形动态识别并将地灾隐患点视频监控数据通过网络传输至监控室或指挥部。视频监控主要由前端网络摄像机、网络综合布线（光纤、网线、网络设备等）、服务器、客户端等设备组成；部分摄像机采用4G、网桥等无线方式传输数据。该方法的优点在于影相实时呈现及多路切换，便于专家在室内对灾害隐患进行会诊，提出相应的防治措施和预案[8]。但视频监控的缺点也是明显的，一方面，视频监控设备对网络条件、供电条件、部署环境、安装部位等要求较高，而边坡地质灾害大多数处于较偏远的山区，大多数不具备有线网络及市电接口，部分地区甚至没有4G移动网络信号，并且可能难以寻找满足监控摄像头通视要求的布置点；另一方面，视频监控仅能获得边坡表面直观信息，表面直观信息难以用于边坡地质灾害预警，应用价值非常有限。

基于降雨量的边坡地质灾害预报在世界范围内被广泛应用，多个国家和地区建立了多种基于降雨量的滑坡预警模型并在实践中取得较好的预警效果，其原理是根据地区历史降雨量数据与发生边坡地质灾害的事件建立概率模型，并在后续的降雨中预测滑坡可能发生的时间。然而这种方法仅适用于大范围区域性地质灾害风险预报，无法对具体地质灾害隐患点进行监测与预警。

综上，当前人工变形监测、视频监控、降雨量预报等监测手段在边坡地质灾害监测中存在较大的局限性，难以实现及时、精准的预警预报。

3    物联网监测技术介绍

物联网监测技术是近年发展起来的一种信息化监测手段，是将地质工程或岩土工程与传感器技术、网络通讯技术、软件技术、微电子技术及新能源技术深度融合而成的一项新技术。基于物联网在线监测系统可以实现多种参数无间断监测，并及时通过服务器后处理软件实现实时监测、实时分析、实时报表、实时报警，确保特殊情况下监测工作的连续性与信息传递的及时性。笔者已成功研发安全防灾物联网在线监测预警系统并取得相关专利及软件著作权，限于文章篇幅，此处仅简单介绍该系统实现的功能。

物联网监测系统主要由传感器及数据采集模块、通信模块（有线或无线）、数据管理与应用系统（远程服务器、云平台、监控中心、应用软件）等子系统或模块组成（见图1）。传感器及数据采集、通讯模块部署在监测现场，传感器包括测斜仪、位移计、水准仪、水位计、GNSS接收机等；采集模块采用低功耗元件并具闲时休眠功能，采用太阳能配合电池实现直流供电（采用市电必须有严格的防雷装置）；通信模块采用2/3/4/5G无线网络或有线网络等通信方式。安装在服务器中的数据管理与应用系统负责数据处理分析、自动生成各种专业图表、自动生成报表（简报）、自动报警（现场声光报警、电脑平台报警、手机短信报警）等功能。相关人员可通过客户端查询和管理监测系统，接收预警或报警信息。

物联网在线监测技术及基于该项技术形成的监测系统在采集频率、预警时效性、部署便利性、监测精度、预警空间分辨率、设备普适性等方面均优于常规监测手段，在边坡地质灾害监测中具有广泛的发展前景。

4    边坡监测方案制定

边坡地质灾害成因复杂，破坏模式多样，监测方法丰富多变，因此，边坡监测方案需要在掌握边坡产状要素的基础上，充分利用地质学与岩土工程学确定重点监测剖面、监测参数，运用电子技术、计算机科学、通讯技术确定监测方法及选用合适的传感器。

边坡地质灾害类型受边坡形态、地质构造、岩土体结构、渗流及应力状态等因素影响。监测方案制订过程中需要进行边坡测绘与地质调查、判断边坡失稳类型（滑坡与崩塌）、选定监测剖面与监测点位、明确监测参数与阈值、选取合适精度的传感器、确定监测点组网方案等。监测剖面的选择、监测点的定位、监测参数及监测设备的选取均直接影响监测工作的成败及监测系统的建设成本。

4.1 边坡测绘与地质调查

边坡产状要素对预判地质灾害类型非常重要。对于高度不大、坡度不陡、坡面比较平整的边坡，可以采用简单量测仪器实地测量，获得典型边坡剖面图等；对于高陡边坡，采用传统的测绘方法难以得到有关边坡产状的完整信息，甚至难以发现坡面上的孤石危岩等重要危险源。这样最好的测绘方法就是借助无人机倾斜摄影测量或三维激光扫描技术，完整清晰地获得边坡坡面产状信息与危险源。

地质调查主要内容是了解区域地质构造、岩土性质、岩体结构面发育程度及产状要素等重要信息。

4.2 预判边坡失稳类型与确定监测参数

广州地区边坡地质灾害较多表现为滑坡、崩塌两类。不同灾害表现形式的岩土体位移方式不同，制订监测方案时首先应判断边坡灾害类型。

从诱发滑坡的力学机理上看，滑坡包括牵引式滑坡、推移式滑坡；从边坡地质灾害的隐患形成、发展、灾害发生整个过程看，滑坡体的位移表现出连续性与深层性，采用合适的监测手段不难获得变形的全过程信息。对于滑坡地质灾害监测，最重要的是设置深层位移监测点（测斜）。滑坡类地质灾害监测可考虑深层位移监测（钻孔测斜）、坡面三维变形监测（GNSS监测）、相对位移监测（裂缝宽度监测或滑坡台阶表面位移监测），以及地质环境监测如降雨量监测、地下水位监测、孔隙水压力监测、土体含水率监测等。

崩塌地质灾害多表现为坠落、倾倒等形式，主要受坡度、岩土结构面产状的影响，具有明显的突发性特点，需要监测系统具有相对高频的信息采集功能。具有底部支撑、垂直构造面发育的岩质边坡，以及坡面孤石较多以倾倒或滚动形式失稳，采用高频监测技术监测岩体的倾角变化十分重要，也可以采用相对位移监测法、应力应变监测法等；无底部支撑、垂直构造面发育的岩质边坡，以及风化程度较高的风化岩、残积土陡坡的地质灾害则多表现为坠落，此时，快速精准监测岩土沉降非常重要。常见的有静力水准监测法、三维变形监测法、相对位移测量法等。崩塌地质灾害要求监测频率高，建议监测时间间隔不超过1 min；为便于剔除异常信息，建议对每5min内采集的数据进行统计分析，经分析后的数据作为监测原始数据上传至系统平台。

5    物联网边坡监测案例

5.1 滑坡监测

从化区吕田镇某村庄后山边坡，几年前形成了两级滑坡台阶，三维激光扫描获得了全面的坡面信息，其典型剖面图如图2所示，坡度约30°，相对高差约30 m，每级台阶后部存在15～20 cm的裂缝，滑坡体宽度约150 m，滑移体约5 000 m?。该边坡浅层为约10 m厚的残积或坡积土层（浅黄色含砾粘性土），下部為强风化、中风化花岗岩，经分析该滑坡主要是沿岩土交界面产生的顺层滑坡。为了解该边坡是否会出现滑坡复活，以最小的成本建立了如下在线监测系统。

考虑到浅层滑坡尤其是顺层滑坡，滑坡体的表面位移与内部位移存在较好的相关性，先以最经济的手段获得表面位移信息。选取滑坡体的中线建立监测剖面，沿监测剖面监测各级滑坡台阶相对于滑坡后沿，以及滑坡台阶之间的相对位移。在剖面上，于上一台阶与滑坡后沿、上下滑坡台阶之间设置拉线式位移传感器，以滑坡后沿作为基准点。同时，为了解滑坡与土壤含水量之间的关系，布置了土壤含水量监测传感器。临近的拉线式位移传感器、含水量传感器共同接入一个监测站（采集模块），监测站以太阳能辅助大容量电池供电。监测站对传感器采集频率设置为5 min/次，数据以无线方式发送至服务器平台。监测系统布置平面图如图3所示。

如图4为在监测系统截取的2019年4月1日—7月1日的监测成果。

根据监测系统查询得到，该边坡在4—7月期间出现两次较为明显的滑移，测点1在4月13—21日及6月11—14日两个时段内分别发生了5.9 mm及7.5 mm的位移，且与土壤含水量的变化存在较好的相关性。该监测系统自建立以来，运行稳定。

5.2 崩塌监测

某小区高层住宅后山边坡为70 m高的垂直陡坡，垂直陡坡之上的斜坡分布较多孤石（见图5）。2018年6月发生孤石崩塌地质灾害后的抢险中，笔者的团队接受委托后2天内建立了在线监测系统。监测系统对孤石每20 s采集一次状态信息，每5 min对该时段数据进行统计分析后将该时段的平均值上传至系统云平台。系统自2018年6月开始一直运行稳定，多次对强降雨、个别孤石的状态变化及崩塌均实现了及时报警。2021年5月，受监测的其中一个孤石再次发生崩塌，崩塌过程中系统成功预警。在线监测与预警为灾害治理施工提供了准确的信息化服务。如图5、图6所示。

6    结论

（1）广州地区边坡地质灾害具有规模小、数量多、分布广、突发性强等特点，现阶段边坡地質灾害防治应坚持以预防为主，优先开展变形监测，力求以较少的投资掌握边坡稳定状态及变形发展趋势，最大限度地减少地质灾害造成的生命财产损失。

（2）当前人工变形监测、视频监控、降雨量预报等监测手段在边坡地质灾害监测中存在较大的局限性，难以实现及时、精准预警预报；物联网在线监测技术及基于该项技术形成的监测系统在采集频率、预警时效性、部署便利性、监测精度、预警空间分辨率、设备适应性等方面均优于常规监测手段，在边坡地质灾害监测中具有广泛的发展前景。

（3）科学合理的地质灾害监测方案需要综合运用地质调查、地质测绘及岩土力学分析等技术手段，分析边坡失稳的机理，确定监测剖面与点位、明确监测参数与阈值、选取适宜的传感器形成监测点组网方案。边坡监测方案的优劣直接影响监测工作的成败及监测系统的建设成本。

（4）工程案例表明，滑坡、崩塌类地质灾害可以通过精心设计监测方案并基于物联网监测技术成功预警。

（5）精确的地质灾害监测预警理论及方法目前在学术界及工程界仍是一个难题，物联网监测技术虽然极大地提高了数据采集与分析处理效率，但受限于地质灾害监测预警理论及方法的发展，目前尚难以做到对各类地质灾害精确预警，本文所论述的物联网监测技术应用案例仅针对特定的边坡失稳模式成功预警，对于其他的边坡失稳模式的监测预警，仍需进一步的研究与实践，进一步完善不同灾变模式的预警方法，提升边坡地质灾害监测预警的可靠性与时效性。

参考文献

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[2] 倪研贤，刘会平，刘江龙，等.广州市主要坡面地质灾害成因与分布研究[A].中国地质学会工程地质专业委员会.中国地质学会工程地质专业委员会2006年学术年会暨“城市地质环境与工程”学术研讨会论文集[C].中国地质学会工程地质专业委员会：工程地质学报编辑部，2006：5.

[3] 刘会平，王艳丽，刘江龙，等.广州市主要地质灾害成灾机制与时空分布[J].自然灾害学报，2005，14（5）：149-153

[4] 李春生.珠江三角洲城市地质问题及对策[C]//中国地质学会工程地质专业委员会2006年学术年会暨“城市地质环境与工程”学术研讨会论文集.广州，2006：36-39.

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