滑坡监测的方法简述

1 滑坡监测方法简述及新进展滑坡监测方法简述及新进展 缪静芳缪静芳 摘要 摘要 介绍了滑坡监测的内容 以及一些常用的滑坡监测技术方法 本文着重介绍了近些年不断 发展的 GPS 监测系统 分布式光纤传感器 TDP 测试技术 无线传感器在滑坡形监测中的 应用 并且指出了不同滑坡监测方法的适用范围和相应的优缺点 关键词 关键词 滑坡 滑坡监测 GPS 系统 TDR 监测 分布式光纤传感器 无线传感器 1 1 引言引言 滑坡是指斜坡上的土体或岩体 受河流冲刷 地下水活动 地震及人工切坡等因 素的影响 致使部分或全部土体 或岩体 在重力作用下 沿着地面软弱面 或软弱 带 整体地或分散地顺坡向下滑动的地质现象 我国是地质灾害多发国家之一 尤以滑坡灾害的影响最为严重 据不完全统计 中国有 70 多座城市和 460 多个县市受到滑坡灾害的威胁及危害 平均每年至少造成 15 23 亿元的经济损失 如果能够对滑坡进行监测 实现滑坡危害的早期预报 就可以 最大限度地减少和防止滑坡所造成的损失 因此 监测既是滑坡调查 研究和防治工 程的重要组成部分 又是崩塌滑坡灾害预测预报信息获取的一种有效手段 2 2 滑坡监测的内容滑坡监测的内容 滑坡动态监测的内容包括滑坡变形监测 建筑物变形监测 地下水动态监测和滑 坡推力实测 目前 国内外滑坡动态监测的技术方法已经发展到一个较高水平 已由 过去的人工监测逐渐过渡到仪器检测 并正向高精度的自动化遥测系统发展 监测仪 器也在不断更新 随着计算机技术和测量技术的不断发展 激光测距仪和高精度电子 经纬仪等先进设备 正在逐步成为滑坡动态监测的新手段 3 3 滑坡监测的方法滑坡监测的方法 从滑坡的监测内容来看 滑坡监测应该是由多种监测方法相结合的 对于不同的 监测目的 不同的滑坡发育阶段及不同的滑坡类型所选择的滑坡监测方法也不同 目 前滑坡动态监测中使用的技术大致可归纳为宏观简易地质检测法 大地精密测量法 设站观测法 仪器仪表监测法和综合自动遥测法 3 13 1 宏观简易地质检测法宏观简易地质检测法 这种方法主要是对滑坡发育过程中的各种迹象 如地裂隙 房屋 泉水动态等进 行定期监测 记录 掌握滑坡的动态变化和发展趋势 其中 最常用的是对地表裂隙 建筑物变形的监测 在裂隙处设置简易监测标志 定期测量裂隙长度 宽度 深度的 变化 以及裂隙的形态和开裂延伸方向等 由于滑坡体在滑动过程中各部位受力性质 和大小不同 滑速也不同 因而不同部位产生不同力学性质的裂隙 有滑坡后部的拉 张裂隙 滑坡体中前部两侧的剪切裂隙 滑体前缘的鼓张裂隙和滑坡舌部的扇形裂隙 除此之外 还有一些滑坡标志 如封闭洼地 滑坡鼓丘 滑坡泉 马刀树 醉汉林等 该方法的特点是获取的信息直观可靠 简单经济 实用性较强 适应于对正在发生病 害的边坡进行观测 但也存在内容单一 精度低和劳动强度大等缺点 3 23 2 大地精密测量法大地精密测量法 该方法即采用高精度光学和光电测量仪器 如精密水准仪 全站仪等仪器 通过 测角和测距来完成监测任务 监测边坡的二维 X Y 方向 水平位移常用前方交会法 距离交会法 监测水平单向位移常用视准线法 小角法 测距法 监测边坡的垂直位 移常用几何水准测量法 精密三角高程测量法 大地精密测量法长期以来受到滑坡工程监测人员的高度重视 是由于具有如下优 点 能确定边坡地表变形范围 量程不受限制 能观测到边坡体的绝对位移量 精度 2 高 通过三维测量能提供点位坐标和高程 测量数字化 和计算机技术结合形成系统 实时性强 一机多测点 效率高 适用于不同变形阶段的位移监测 但是这种方法的 缺点是受到地形条件和气象条件的限制 工作量大 周期长 连续观测能力差 3 33 3 仪器仪表监测法仪器仪表监测法 滑坡稳定性的监测涉及到一系列的影响滑坡特定的因素及其随时间的变化量 如 降雨量 土壤潮湿度 地下水位及移动特征 其中最重要的是两个因素是移动特征和 地下水位 滑坡的移动特征则由滑动面的深度 方向 移动量和移动速度等指标来表 示 通过监测这些指标中得一项或者多项就能达到监测滑坡的目的 其常用的仪器如 表 1 所示 表表 1 1 监测常用仪器 测量指标 适用范围和特点监测常用仪器 测量指标 适用范围和特点 3 43 4 综合自动遥测法综合自动遥测法 综合自动遥测法采用自动化程度高的远距离遥控监测系统或空间技术卫星遥测 自 动采集 存储 打印和显示滑坡变形监测数据 并绘制出各种变化曲线 图表 该方法 的优点是 监测内容丰富 自动化程度高 可全天候观测 并远距离传输 省时省力的 特点 缺点是受外界因素干扰 传感器 仪器易出故障 长期稳定性差 适用于滑坡变 形处于速变及临滑状态时的中 短期监测及防治施工期安全监测 由于传感器仪器的质 量不过关 国内用的不多 公开报道的应用实例是该法曾经用于重庆市万县豆芽棚滑坡 治理效果检验监测 3 53 5 发展的新方法发展的新方法 3 5 13 5 1 GPSGPS 滑坡监测系统滑坡监测系统 GPS 作为现代大地测量的一种技术手段 可以实现三维大地测量 作业简单方便 具有测站间无需通视 能同时测定点的三维位移 不受气候条件的限制 易于实现全系 统的自动化 可消除或削弱系统误差的影响和可直接用大地高进行垂直形变测量等优点 特别是在滑坡监测中 主要关注两期监测中所求得监测点的坐标之间的差异 而不是监 测点本身的坐标 这样两期监测中所含的共同系统误差虽然会分别影响两期的坐标值 但却不会影响所求得的变形量 因此 GPS 技术在变形监测中迅速得到了推广 成为一 种新的很有前途的滑坡监测方法 2 GPS 滑坡变形监测的方法 a 周期性模式 当滑坡的变形速率相当缓慢 在局部时间域和空间域内可 以认为稳定不动时 用几台GPS 接收机 人工定期逐点采集数据 通过后处理获 得各期之间的变形 测量仪器测量指标技术实用范围测量精度特点 精密测尺 距离 30m0 5mm 30m人工 精度低 引张线仪 距离 10 80m0 3mm 30m自动化 远程化 裂缝探测仪 距离 5m5mm 水准仪 H不限制0 2 1mm km人工 经纬仪 角度不限制5 倾斜仪 高度角10 度左右5 10mm 1 2ppm自动化 远程化 测距仪 距离1 14km1 5mm 1 5ppm 全站仪 角度 距离2 5 2 5mm人工 地面摄影仪 E N H距离 100m20 100m人工 航空摄影仪 高度角高度 500m100m 全自动全站仪 角度 距离 1000m2 5mm GPS 技术 X Y Z 一般在 20km 以内5 10mm 5ppm自动化 远程化 3 b 连续性模式 连续运行GPS 监测技术主要利用GPS 高精度 自动化 全 天候以及测点之间无须通视等优点 已广泛应用地壳形变监测等领域 根据数据 处理方式的不同 连续运行GPS 监测技术被分为实时动态监测和固定连续运行参 考站 实时动态监测主要用来监测目标的动态变形 数据采集密度高 实时计算 出每个历元的位置 3 GPS天线阵列监测系统 对于 GPS 自动化监测系统 在实际应用中 精密的测量型 GPS 接收机价格非常高 导致系统的建设成本很大 因此 高成本大大制约了其在滑坡监测中得应用 而 GPS 天 线阵 列监测技术就是在监测点上安置一个 GPS 天线 通过一个天线电缆与接收机连接 系统能够按照串口的设置 自动连接获取各个天线的卫星接收信号 因此在增加监测点 数时 不要增加 GPS 接收机 只需要增加接收天线和与之连接的天线电缆 从而硬件 成本大幅降低 另外一个区域只有一台 GPS 接收机 减少系统的通讯成本和数据处理 复杂度 而 GPS 天线阵列的数据处理方式与连续运行监测技术的数据处理方式一样 使 得获取监测点精度也比较高 3 5 23 5 2 TDRTDR监测技术监测技术 时域反射法 Time Domain Reflectometry TDR 是一种远程遥感测试技术 产生 于20 世纪30 年代 现在 在滑坡监测的应用方面也取得了很大的成效 1 TDR 基本原理 同轴电缆中TDR 与雷达技术的工作原理基本相同 其区别在于传播介质不同 在同 轴电缆TDR测试过程中 采用同轴电缆作为传输具有一定能量的瞬时脉冲的传播介质 电 脉冲信号在同轴电缆中传播的同时 能够反映同轴电缆的阻抗特性 当电缆发生变形时 它的特性阻抗将发生变化 当测试脉冲遇到电缆的特性阻抗变化时 就会产生反射波 对反射波信号的传播时间进行测量 就可以确定其传播时间和速度 由此可以推断出同 轴电缆特性阻抗发生变化的位置 通过对反射信号振幅的分析 就可进一步推算电缆的 状态等 因此 同轴电缆的TDR技术又称之为 闭路雷达 2 TDR滑坡监测 TDR 滑坡稳定性监测系统的组成及埋设如图1所示 首先 在待监测的岩体或土体中 钻孔 将同轴电缆放置于钻孔中 顶端与TDR 测试仪相连 并以砂浆填充电缆与钻孔之 间的空隙 以保证同轴电缆与岩体或土体的同步变形 岩体或土体的位移和变形使埋置 于其中的同轴电缆产生剪切 拉伸变形 从而导致其局部特性阻抗的变化 电磁波将在 这些阻抗变化区域发生反射和透射 并反映于TDR 波形之中 通过对波形的分析 结合 室内标定试验建立起的剪切和拉伸与TDR 波形的量化关系 便可掌握岩体或土体的变形 和位移状况 4 图图 1 1 TDRTDR 滑坡稳定性监测系统的组成及埋设滑坡稳定性监测系统的组成及埋设 与传统的测斜仪相比 TDR 测试技术具有以下优点 1 信号可信度高 测试过程快速方便 耗电量低 且一套TDR 设备可同时监 测几百个测点 2 将TDR 技术与GIS 技术相结合 可利用通讯网络远距离传输监测数据及信号 3 技术人员只需在室内便可对各个测点进行远程监控 监测工作安全性大大提高 3 5 3 5 3 3 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术 1 分布式光纤传感技术原理 光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些参数 如强度 相位 频率 偏振态等 变 化的测量 实现对环境参数的测量 分布式光纤传感技术以其可复用 分布式 长距离传 输的优点成为光纤传感技术中最具前途的技术之一 是光纤传感监测技术的发展趋势 其 中 光纤布拉格光栅传感技术 FBG 与布里渊光时域反射传感技术 BOTDR 是 最具代表性的两种分布式光纤传感技术 2 光纤传感滑坡监测方法 在滑坡监测中 光纤的选择更为重要 因为滑坡体的应变往往都比较大 恰当的光纤 选择能使监测寿命提高 目前常用于监测的光纤有裸纤和紧套型光纤两种 裸纤虽然测量 灵敏度很高 但量程小 易于折断 施工难度大 适应于小应变测量 紧套型光纤由纤芯 包层 涂敷层和护套组成 具有耐腐蚀性强 防水性能好的优点 比裸纤更能抵抗应力作 用 量程略大 并且不易断点 有利于施工 选用紧套型光纤可提高监测寿命 因此滑坡 监测用光纤常选择紧套型光纤 光纤网络布置一般有两种形式 一维网络形式 光纤连续 地沿灾害体自下而上作蛇形布置 这种方式适合于监测一个方向的位移变化情况 二维网 络形式 光纤首先连续地沿灾害体自下而上布置 然后 连续地沿水平方向从左至右或从 右至左作蛇形布置 这种方式适合于监测两个方向的位移变化情况 在铺设光纤时 应根 据典型工作区滑坡体的特点 确定具体的光纤网络的布置方式 在监测实际工程应用中 光纤铺设基本有两种方法 全面接触式铺设和定点接触式铺设 全面接触式铺设的特点是 可以全面监测地质灾害体的变形情况 监测对象为整个滑坡体 定点接触式铺设的特点是 重点监测变形缝 应力集中区等潜在变形处的变形情况 监测对象为滑坡变形缝等潜在变 形处 FBG与BOTDR两种光纤传感技术各有优缺点 FBG传感器灵敏度高 能够非常准确地 测量应变 虽多个FBG串联组成的FBG传感网络能实现准分布测量 但其用于响应外部被测 量的敏感单元是预先设置的传感阵列 因此需对这些离散分布的传感点进行测量 灵活性 较低 BOTDR传感元件为光纤 可实现分布式 长距离 不间断测量 受其技术本身的限制 测量的空间分辨率最高只能达到1 m 如果将FBG与BOTDR技术联合起来监测滑坡 在整个滑 坡体上铺设监测光纤 利用BOTDR技术可获得整个滑坡体的概要信息 在滑坡体变形的关 键部位 变形缝安装FBG传感器 利用其监测灵敏度高的特点 获得滑坡某些关键部位的 应变值 这样 将FBG与BOTDR两种技术结合起来监测滑坡 既克服了BOTDR监测分辨率不高 的缺点 又弥补了FBG只能实现离散点测量的不足 从而可实现由点到线再到面的滑坡监测 获得滑坡体较完整的应变信息 3 5 43 5 4基于无线传感器网络的滑坡监测基于无线传感器网络的滑坡监测 1 监测预警系统的总体结构 在大范围监控 预警的基础上 以局域网为研究平台 主要致力于数据采集和发送的 有效性及处理上的精确性 监测预警系统的总体结构如图2所示 可分为2个部分 上层的监 控中心和下层的监控基站 监控基站和监控中心通过以太网连接起来 此外管理人员也可 5 以通过自定义网络访问监控基站 监控基站和众多的无线传感器节点一起组成无线传感器 网络 无线传感器网络具有很好的扩展性 随意地增减节点 对网络的拓扑结构和组网模 式无太大影响 因而可以方便地根据实际情况增加或减少监控节点的数量 图图2 2 系统结构图系统结构图 2 适用于滑坡监测的无线传感器网络设计 这种无线传感器网络由众多具有感知和路由功能的无线传感器节点组成 能够协作实 时监测 感知并采集各种环境对象的信息 将其通过多跳转发传送回主机进行分析 处理 以这些工作节点为依托 通过无线通信组成网络拓扑结构 系统中大部分的节点为子节点 从组网通信上看 他们只是其功能的一个子集 称为RFD 精简功能设备 这种设备不具 有路由功能 另外还有一些节点负责与控制子节点通信 汇集数据和发布控制 或起到通 信路由的作用 称为FFD 全功能设备或协调器 如图3所示为一个典型的远程数据采集 并返回到计算机终端的应用 每个节点由一个MCU作为主控设备 通过倾角传感器可以监测 滑坡的运动状况 通过液位传感器监测地下水位深度 数据采集间隔也可以由中心服务器 灵活控制 在旱季可以调整为每24 h采集并传递1次数据 从而节省能量并避免大量的冗余 数据 而在雨季危险期 其采集间隔可以密集到5 min 次 从而保证实时监测预警功能 每个信号采集节点通过ADC从模拟传感器得到实时数据 按照ZigBee 协议把数据打包 并 通过射频芯片及前端天线发送给簇内的RFD 经过RFD预处理之后 再由RFD路由转发到远端 计算机 结合地貌特点 滑坡的分布特点 多个水流量检测点之间的相互关系等多种地质 学 水流动力学等方面的知识进行数据的融合和处理 在每个节点的外部可外接相应的PIO 芯片和其他外围电路进行交互 图图3 3 无线传感器网络拓扑结构示意图无线传感器网络拓扑结构示意图 在整个硬件平台的设计中 节能是一个重要因素 它决定着传感器网络的寿命 当节 点目前没有传感任务并且不需要为其他节点转发数据时 关闭节点的无线通信模块 数据 6 采集模块等以节省能耗 即让其置于睡眠状态 为控制子节点选择合适的地点 提供较充 足的能源 以便延长节点使用寿命 提高监测预警系统有效性 在软件设计上 通过动态电 源管理 Dy2namic Power Management DPM 技术使系统各个部分都运行在节能模式 在关 闭空闲模块状态下 传感器节点或其他部分将被关闭或者处于低功耗状态 直到有 感兴 趣 的事件发生 4 4 结束语结束语 随着科学技术的不断发展 我们的监测技术已经越来越多 技术的发展也越来越完善 随着遥感卫星科技的不断进步 我们利用高科技手段作为监测工具的趋势已经日趋明显 我们需要从日新月异的科技发展中找到适合我们专业的方法 目前的滑坡监测不仅仅是单 个监测方法就能完成的 需要我们综合运用各种监测手段 将他们有效的结合在一起 每 个监测方法都有自己的优点和缺点 几个方法综合使用就能互补 更好地为滑坡监测服务 从而减少滑坡带来的危害与损失 参考文献参考文献 1 分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用 史彦新1 2 张青2 孟宪玮2 1 中国地质大学地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室 北京100083 2 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 河北保定071051 2 滑坡变形监测技术的最新进展 冯春1 张军2 李世海1 许利凯1 1中国科学院力学研究所 北京100190 2 重庆市地质环境监测总站 重庆400015 3 一种基于无线传感器网络的滑坡监测系