滑坡監(jiān)測的方法簡述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)滑坡監(jiān)測方法簡述及新進展繆靜芳摘要：介紹了滑坡監(jiān)測的內(nèi)容，以及一些常用的滑坡監(jiān)測技術(shù)方法。本文著重介紹了近些年不斷發(fā)展的GPS監(jiān)測系統(tǒng)、分布式光纖傳感器、TDP測試技術(shù)、無線傳感器在滑坡形監(jiān)測中的應(yīng)用。并且指出了不同滑坡監(jiān)測方法的適用范圍和相應(yīng)的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：滑坡；滑坡監(jiān)測；GPS系統(tǒng)； TDR監(jiān)測；分布式光纖傳感器；無線傳感器；1 引言滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動、地震及人工切坡等因素的影響，致使部分或全部土體（或巖體）在重力作用下，沿著地面軟

2、弱面（或軟弱帶）整體地或分散地順坡向下滑動的地質(zhì)現(xiàn)象。我國是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家之一，尤以滑坡災(zāi)害的影響最為嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國有70多座城市和460多個縣市受到滑坡災(zāi)害的威脅及危害，平均每年至少造成15-23億元的經(jīng)濟損失。如果能夠?qū)逻M行監(jiān)測, 實現(xiàn)滑坡危害的早期預(yù)報, 就可以最大限度地減少和防止滑坡所造成的損失。因此, 監(jiān)測既是滑坡調(diào)查、研究和防治工程的重要組成部分，又是崩塌滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報信息獲取的一種有效手段。 2 滑坡監(jiān)測的內(nèi)容滑坡動態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容包括滑坡變形監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測、地下水動態(tài)監(jiān)測和滑坡推力實測。目前，國內(nèi)外滑坡動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)方法已經(jīng)發(fā)展到一個較高水平，已由過去的人工

3、監(jiān)測逐漸過渡到儀器檢測，并正向高精度的自動化遙測系統(tǒng)發(fā)展。監(jiān)測儀器也在不斷更新，隨著計算機技術(shù)和測量技術(shù)的不斷發(fā)展，激光測距儀和高精度電子經(jīng)緯儀等先進設(shè)備，正在逐步成為滑坡動態(tài)監(jiān)測的新手段。3 滑坡監(jiān)測的方法從滑坡的監(jiān)測內(nèi)容來看，滑坡監(jiān)測應(yīng)該是由多種監(jiān)測方法相結(jié)合的。對于不同的監(jiān)測目的、不同的滑坡發(fā)育階段及不同的滑坡類型所選擇的滑坡監(jiān)測方法也不同。目前滑坡動態(tài)監(jiān)測中使用的技術(shù)大致可歸納為宏觀簡易地質(zhì)檢測法、大地精密測量法、設(shè)站觀測法、儀器儀表監(jiān)測法和綜合自動遙測法。3.1 宏觀簡易地質(zhì)檢測法這種方法主要是對滑坡發(fā)育過程中的各種跡象，如地裂隙、房屋、泉水動態(tài)等進行定期監(jiān)測、記錄，掌握滑坡的動態(tài)變

4、化和發(fā)展趨勢。其中，最常用的是對地表裂隙、建筑物變形的監(jiān)測。在裂隙處設(shè)置簡易監(jiān)測標志，定期測量裂隙長度、寬度、深度的變化，以及裂隙的形態(tài)和開裂延伸方向等。由于滑坡體在滑動過程中各部位受力性質(zhì)和大小不同，滑速也不同，因而不同部位產(chǎn)生不同力學(xué)性質(zhì)的裂隙，有滑坡后部的拉張裂隙、滑坡體中前部兩側(cè)的剪切裂隙、滑體前緣的鼓張裂隙和滑坡舌部的扇形裂隙。除此之外，還有一些滑坡標志，如封閉洼地、滑坡鼓丘、滑坡泉、馬刀樹、醉漢林等。該方法的特點是獲取的信息直觀可靠，簡單經(jīng)濟，實用性較強，適應(yīng)于對正在發(fā)生病害的邊坡進行觀測。但也存在內(nèi)容單一、精度低和勞動強度大等缺點。3.2大地精密測量法該方法即采用高精度光學(xué)和光電

5、測量儀器，如精密水準儀、全站儀等儀器，通過測角和測距來完成監(jiān)測任務(wù)。監(jiān)測邊坡的二維( X、Y 方向)水平位移常用前方交會法、距離交會法：監(jiān)測水平單向位移常用視準線法、小角法、測距法：監(jiān)測邊坡的垂直位移常用幾何水準測量法、精密三角高程測量法。大地精密測量法長期以來受到滑坡工程監(jiān)測人員的高度重視，是由于具有如下優(yōu)點：能確定邊坡地表變形范圍；量程不受限制；能觀測到邊坡體的絕對位移量；精度高；通過三維測量能提供點位坐標和高程；測量數(shù)字化，和計算機技術(shù)結(jié)合形成系統(tǒng)，實時性強；一機多測點，效率高。適用于不同變形階段的位移監(jiān)測。但是這種方法的缺點是受到地形條件和氣象條件的限制，工作量大，周期長，連續(xù)觀測能力

6、差。3.3 儀器儀表監(jiān)測法滑坡穩(wěn)定性的監(jiān)測涉及到一系列的影響滑坡特定的因素及其隨時間的變化量，如降雨量、土壤潮濕度、地下水位及移動特征，其中最重要的是兩個因素是移動特征和地下水位。滑坡的移動特征則由滑動面的深度、方向、移動量和移動速度等指標來表示，通過監(jiān)測這些指標中得一項或者多項就能達到監(jiān)測滑坡的目的。其常用的儀器如表1所示。測量儀器測量指標技術(shù)實用范圍測量精度特點精密測尺距離30m0.5mm/30m人工、精度低引張線儀距離1080m0.3mm/30m自動化、遠程化裂縫探測儀距離5m5mm水準儀H不限制0.21mm/km人工經(jīng)緯儀角度不限制5”傾斜儀高度角10度左右510mm+12ppm自動化

7、、遠程化測距儀距離114km15mm+15ppm全站儀角度，距離2”5”；25mm人工地面攝影儀E，N，H距離100m20100m人工航空攝影儀高度角高度500m100m全自動全站儀角度，距離1000m25mmGPS技術(shù)X,Y,Z一般在20km以內(nèi)510mm+5ppm自動化、遠程化表1 監(jiān)測常用儀器、測量指標、適用范圍和特點3.4綜合自動遙測法綜合自動遙測法采用自動化程度高的遠距離遙控監(jiān)測系統(tǒng)或空間技術(shù)衛(wèi)星遙測，自動采集、存儲、打印和顯示滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，并繪制出各種變化曲線、圖表。該方法的優(yōu)點是：監(jiān)測內(nèi)容豐富，自動化程度高，可全天候觀測，并遠距離傳輸，省時省力的特點。缺點是受外界因素干擾，傳

8、感器、儀器易出故障，長期穩(wěn)定性差。適用于滑坡變形處于速變及臨滑狀態(tài)時的中、短期監(jiān)測及防治施工期安全監(jiān)測。由于傳感器儀器的質(zhì)量不過關(guān)，國內(nèi)用的不多，公開報道的應(yīng)用實例是該法曾經(jīng)用于重慶市萬縣豆芽棚滑坡治理效果檢驗監(jiān)測。3.5 發(fā)展的新方法3.5.1 GPS滑坡監(jiān)測系統(tǒng)GPS 作為現(xiàn)代大地測量的一種技術(shù)手段，可以實現(xiàn)三維大地測量，作業(yè)簡單方便，具有測站間無需通視、能同時測定點的三維位移、不受氣候條件的限制、易于實現(xiàn)全系統(tǒng)的自動化、可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響和可直接用大地高進行垂直形變測量等優(yōu)點。特別是在滑坡監(jiān)測中，主要關(guān)注兩期監(jiān)測中所求得監(jiān)測點的坐標之間的差異，而不是監(jiān)測點本身的坐標。這樣兩期監(jiān)測

9、中所含的共同系統(tǒng)誤差雖然會分別影響兩期的坐標值，但卻不會影響所求得的變形量，因此，GPS 技術(shù)在變形監(jiān)測中迅速得到了推廣，成為一種新的很有前途的滑坡監(jiān)測方法。2）GPS 滑坡變形監(jiān)測的方法周期性模式。當滑坡的變形速率相當緩慢，在局部時間域和空間域內(nèi)可以認為穩(wěn)定不動時，用幾臺GPS 接收機，人工定期逐點采集數(shù)據(jù)，通過后處理獲得各期之間的變形。連續(xù)性模式。連續(xù)運行GPS 監(jiān)測技術(shù)主要利用GPS 高精度、自動化、全天候以及測點之間無須通視等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用地殼形變監(jiān)測等領(lǐng)域。根據(jù)數(shù)據(jù)處理方式的不同，連續(xù)運行GPS 監(jiān)測技術(shù)被分為實時動態(tài)監(jiān)測和固定連續(xù)運行參考站。實時動態(tài)監(jiān)測主要用來監(jiān)測目標的動態(tài)變形

10、，數(shù)據(jù)采集密度高，實時計算出每個歷元的位置。3）GPS天線陣列監(jiān)測系統(tǒng)對于GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中，精密的測量型GPS接收機價格非常高，導(dǎo)致系統(tǒng)的建設(shè)成本很大。因此，高成本大大制約了其在滑坡監(jiān)測中得應(yīng)用。而GPS天線陣 列監(jiān)測技術(shù)就是在監(jiān)測點上安置一個GPS天線，通過一個天線電纜與接收機連接，系統(tǒng)能夠按照串口的設(shè)置，自動連接獲取各個天線的衛(wèi)星接收信號。因此在增加監(jiān)測點數(shù)時，不要增加GPS 接收機，只需要增加接收天線和與之連接的天線電纜，從而硬件成本大幅降低。另外一個區(qū)域只有一臺GPS 接收機，減少系統(tǒng)的通訊成本和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，而GPS天線陣列的數(shù)據(jù)處理方式與連續(xù)運行監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)處

11、理方式一樣，使得獲取監(jiān)測點精度也比較高。3.5.2 TDR監(jiān)測技術(shù)時域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR）是一種遠程遙感測試技術(shù)，產(chǎn)生于20 世紀30 年代，現(xiàn)在，在滑坡監(jiān)測的應(yīng)用方面也取得了很大的成效。1）TDR 基本原理同軸電纜中TDR 與雷達技術(shù)的工作原理基本相同，其區(qū)別在于傳播介質(zhì)不同。在同軸電纜TDR測試過程中，采用同軸電纜作為傳輸具有一定能量的瞬時脈沖的傳播介質(zhì)，電脈沖信號在同軸電纜中傳播的同時，能夠反映同軸電纜的阻抗特性。當電纜發(fā)生變形時, 它的特性阻抗將發(fā)生變化。當測試脈沖遇到電纜的特性阻抗變化時，就會產(chǎn)生反射波。對反射波信號的傳播時間進行測量,

12、 就可以確定其傳播時間和速度, 由此可以推斷出同軸電纜特性阻抗發(fā)生變化的位置；通過對反射信號振幅的分析, 就可進一步推算電纜的狀態(tài)等。因此，同軸電纜的TDR技術(shù)又稱之為“閉路雷達”。2）TDR滑坡監(jiān)測TDR 滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的組成及埋設(shè)如圖1所示。首先，在待監(jiān)測的巖體或土體中鉆孔，將同軸電纜放置于鉆孔中，頂端與TDR 測試儀相連，并以砂漿填充電纜與鉆孔之間的空隙，以保證同軸電纜與巖體或土體的同步變形。巖體或土體的位移和變形使埋置于其中的同軸電纜產(chǎn)生剪切、拉伸變形，從而導(dǎo)致其局部特性阻抗的變化，電磁波將在這些阻抗變化區(qū)域發(fā)生反射和透射，并反映于TDR 波形之中。通過對波形的分析，結(jié)合室內(nèi)標定試

13、驗建立起的剪切和拉伸與TDR 波形的量化關(guān)系，便可掌握巖體或土體的變形和位移狀況。圖1 TDR滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的組成及埋設(shè)與傳統(tǒng)的測斜儀相比，TDR 測試技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）信號可信度高、測試過程快速方便、耗電量低，且一套TDR 設(shè)備可同時監(jiān)測幾百個測點。（2）將TDR 技術(shù)與GIS 技術(shù)相結(jié)合，可利用通訊網(wǎng)絡(luò)遠距離傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)及信號。（3）技術(shù)人員只需在室內(nèi)便可對各個測點進行遠程監(jiān)控，監(jiān)測工作安全性大大提高。3.5.3分布式光纖傳感技術(shù) 1）分布式光纖傳感技術(shù)原理光纖傳感技術(shù)是通過對光纖內(nèi)傳輸光某些參數(shù)( 如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等) 變化的測量, 實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的測量。分布式光纖傳

14、感技術(shù)以其可復(fù)用、分布式、長距離傳輸?shù)膬?yōu)點成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一，是光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。其中，光纖布拉格光柵傳感技術(shù)（FBG）與布里淵光時域反射傳感技術(shù)(BOTDR)是最具代表性的兩種分布式光纖傳感技術(shù)。2）光纖傳感滑坡監(jiān)測方法在滑坡監(jiān)測中，光纖的選擇更為重要。因為滑坡體的應(yīng)變往往都比較大，恰當?shù)墓饫w選擇能使監(jiān)測壽命提高。目前常用于監(jiān)測的光纖有裸纖和緊套型光纖兩種。裸纖雖然測量靈敏度很高，但量程小，易于折斷，施工難度大，適應(yīng)于小應(yīng)變測量；緊套型光纖由纖芯、包層、涂敷層和護套組成，具有耐腐蝕性強、防水性能好的優(yōu)點，比裸纖更能抵抗應(yīng)力作用，量程略大，并且不易斷點，有利于施工。

15、選用緊套型光纖可提高監(jiān)測壽命， 因此滑坡監(jiān)測用光纖常選擇緊套型光纖。光纖網(wǎng)絡(luò)布置一般有兩種形式：一維網(wǎng)絡(luò)形式，光纖連續(xù)地沿災(zāi)害體自下而上作蛇形布置, 這種方式適合于監(jiān)測一個方向的位移變化情況；二維網(wǎng)絡(luò)形式，光纖首先連續(xù)地沿災(zāi)害體自下而上布置，然后，連續(xù)地沿水平方向從左至右或從右至左作蛇形布置，這種方式適合于監(jiān)測兩個方向的位移變化情況。在鋪設(shè)光纖時，應(yīng)根據(jù)典型工作區(qū)滑坡體的特點，確定具體的光纖網(wǎng)絡(luò)的布置方式。在監(jiān)測實際工程應(yīng)用中，光纖鋪設(shè)基本有兩種方法，全面接觸式鋪設(shè)和定點接觸式鋪設(shè)，全面接觸式鋪設(shè)的特點是可以全面監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害體的變形情況，監(jiān)測對象為整個滑坡體。定點接觸式鋪設(shè)的特點是重點監(jiān)測變形

16、縫、應(yīng)力集中區(qū)等潛在變形處的變形情況，監(jiān)測對象為滑坡變形縫等潛在變形處。 FBG與BOTDR兩種光纖傳感技術(shù)各有優(yōu)缺點: FBG傳感器靈敏度高，能夠非常準確地測量應(yīng)變，雖多個FBG串聯(lián)組成的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)準分布測量，但其用于響應(yīng)外部被測量的敏感單元是預(yù)先設(shè)置的傳感陣列， 因此需對這些離散分布的傳感點進行測量，靈活性較低；BOTDR傳感元件為光纖，可實現(xiàn)分布式、長距離、不間斷測量, 受其技術(shù)本身的限制，測量的空間分辨率最高只能達到1 m。如果將FBG與BOTDR技術(shù)聯(lián)合起來監(jiān)測滑坡，在整個滑坡體上鋪設(shè)監(jiān)測光纖，利用BOTDR技術(shù)可獲得整個滑坡體的概要信息； 在滑坡體變形的關(guān)鍵部位變形縫安裝

17、FBG傳感器，利用其監(jiān)測靈敏度高的特點，獲得滑坡某些關(guān)鍵部位的應(yīng)變值。這樣，將FBG與BOTDR兩種技術(shù)結(jié)合起來監(jiān)測滑坡，既克服了BOTDR監(jiān)測分辨率不高的缺點，又彌補了FBG只能實現(xiàn)離散點測量的不足，從而可實現(xiàn)由點到線再到面的滑坡監(jiān)測，獲得滑坡體較完整的應(yīng)變信息。3.5.4基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測1）監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)在大范圍監(jiān)控、預(yù)警的基礎(chǔ)上，以局域網(wǎng)為研究平臺，主要致力于數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的有效性及處理上的精確性，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，可分為2個部分:上層的監(jiān)控中心和下層的監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)連接起來，此外管理人員也可以通過自定義網(wǎng)絡(luò)訪問監(jiān)控基站。監(jiān)控基

18、站和眾多的無線傳感器節(jié)點一起組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴展性，隨意地增減節(jié)點，對網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無太大影響，因而可以方便地根據(jù)實際情況增加或減少監(jiān)控節(jié)點的數(shù)量。圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2）適用于滑坡監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由眾多具有感知和路由功能的無線傳感器節(jié)點組成，能夠協(xié)作實時監(jiān)測，感知并采集各種環(huán)境對象的信息，將其通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送回主機進行分析、處理。以這些工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上看，他們只是其功能的一個子集，稱為RFD（精簡功能設(shè)備），這種設(shè)備不具有路由功能；另外還有一些節(jié)點負責與控制子節(jié)點

19、通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD (全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器) 。如圖3所示為一個典型的遠程數(shù)據(jù)采集并返回到計算機終端的應(yīng)用。每個節(jié)點由一個MCU作為主控設(shè)備。通過傾角傳感器可以監(jiān)測滑坡的運動狀況，通過液位傳感器監(jiān)測地下水位深度，數(shù)據(jù)采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制，在旱季可以調(diào)整為每24 h采集并傳遞1次數(shù)據(jù)，從而節(jié)省能量并避免大量的冗余數(shù)據(jù)。而在雨季危險期,其采集間隔可以密集到5 min/ 次，從而保證實時監(jiān)測預(yù)警功能。每個信號采集節(jié)點通過ADC從模擬傳感器得到實時數(shù)據(jù)，按照ZigBee 協(xié)議把數(shù)據(jù)打包，并通過射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD；經(jīng)過RFD預(yù)處理之后

20、，再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到遠端計算機；結(jié)合地貌特點、滑坡的分布特點，多個水流量檢測點之間的相互關(guān)系等多種地質(zhì)學(xué)、水流動力學(xué)等方面的知識進行數(shù)據(jù)的融合和處理。在每個節(jié)點的外部可外接相應(yīng)的PIO 芯片和其他外圍電路進行交互。圖3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖在整個硬件平臺的設(shè)計中，節(jié)能是一個重要因素，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。當節(jié)點目前沒有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，關(guān)閉節(jié)點的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等以節(jié)省能耗，即讓其置于睡眠狀態(tài)。為控制子節(jié)點選擇合適的地點，提供較充足的能源，以便延長節(jié)點使用壽命，提高監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)有效性。在軟件設(shè)計上,通過動態(tài)電源管理(Dy2namic Power Ma

21、nagement ,DPM) 技術(shù)使系統(tǒng)各個部分都運行在節(jié)能模式。在關(guān)閉空閑模塊狀態(tài)下，傳感器節(jié)點或其他部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有“感興趣”的事件發(fā)生。4 結(jié)束語隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)越來越多，技術(shù)的發(fā)展也越來越完善。隨著遙感衛(wèi)星科技的不斷進步，我們利用高科技手段作為監(jiān)測工具的趨勢已經(jīng)日趨明顯。我們需要從日新月異的科技發(fā)展中找到適合我們專業(yè)的方法。目前的滑坡監(jiān)測不僅僅是單個監(jiān)測方法就能完成的，需要我們綜合運用各種監(jiān)測手段，將他們有效的結(jié)合在一起。每個監(jiān)測方法都有自己的優(yōu)點和缺點，幾個方法綜合使用就能互補，更好地為滑坡監(jiān)測服務(wù)。從而減少滑坡帶來的危害與損失。參考文獻1 分布式光纖傳感技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用史彥新1, 2 , 張青2 , 孟憲瑋21. 中國地質(zhì)大學(xué)地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點實驗室, 北京2. 中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心, 河北保定2 滑坡變形監(jiān)測技術(shù)的最新進展馮春1 ，張軍2 ，李世海1 ，許利凱11中國科學(xué)院力學(xué)研究所