5三峡库区云阳张飞庙滑坡监测与分析.doc

三峡库区云阳张飞庙滑坡监测与分析蒋洪波，陈 超，肖 勇，王 波，秦其明，袁蔚林，董 恒（北京大学 遥感与地理信息系统研究所，北京 100871；四川省地质工程勘察院，成都 610072）【摘 要】本文以重庆市云阳县张飞庙滑坡区域为例，探讨了综合多种滑坡监测技术的三峡库区重大滑坡的监测方法。该方法利用全球定位系统技术（GPS）获得监测网基准点坐标，利用测量机器人进行水平方向上的移动式监测，利用电子水准仪进行垂直位移监测。为跟踪滑坡体的动态位移信息，本文根据监测结果绘制的监测点时间序列曲线，详细反映各监测点随时间变化情况。另外，从本文还计算的监测点一阶、二阶监测差值分析发现，一阶监测差值能够详细的描述监测点的位移变化幅度，二阶监测差值则更好的反应了监测点位移频率的变化情况。云阳张飞庙的工程实际证明，本文所使用的滑坡监测及数据分析方法能够快速有效的应用于库区各种滑坡灾害的监测和治理。【关键词】三峡库区；滑坡监测；GPS；测量机器人；数据分析【中图分类号】 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）05- -Monitoring and analyzing of the YunYang ZhangFei temple landslideAbstract: In this paper, a comprehensive technique of landslide monitoring in the Three Gorges reservoir area was introduced by taking the Zhang Fei temple landslide, Yunyang County, as an example. This method employed the global positioning system (GPS) to obtain the reference point coordinates and used the georobot and electronic level to monitor the horizontal and vertical displacement, respectively. The time-series curves of the monitoring points were drawn. It can be reflected the changes over time of the monitoring sites in details. Furthermore, the first order and the second order difference of the monitoring points were also computed. The first order difference is sensitive to the degree of changes and the second order difference, correspondingly, was good at responding the changing frequency of the monitoring sites. The engineering practice of the Yunyang Temple landslide proved that the monitoring technique and the analysis method were effective to the landslide monitor.Key words: three gorges reservoir area; landslide monitoring; GPS; georobot; data analysisJIANG Hong-bo, CHEN Chao, XIAO Yong, WANG Bo, QIN Qi-ming, YUAN Wei-lin, DONG Heng(Remote Sensing and GIS Institute of Peking University, Beijing 100871, China;SiChuan Geological Engineering Investigation Institute, Chengdu 610072, China)1 引言随着三峡工程的基本完工，对于“后三峡时代”的三峡库区生态环境的治理与保护越来越受到政府乃至社会各界的重视和关注。由于库区地处中国地势的第二阶梯东缘，侏罗系砂泥岩互层、三叠系巴东组泥岩、泥灰岩、粉砂岩互层的层状碎屑岩在该区广泛分布，且沿砂泥岩界面常见泥化现象，外加该区域属亚热带季风气候区，气候温和湿润，空气湿度大，降雨充沛等特点，使得山体滑坡成为三峡库区主要地质灾害之一，也是我国山体滑坡最严重的地区之一1-4。对三峡库区滑坡地质灾害的有效监测、预报与治理展开系统深入的研究，对于最大化的减少因滑坡而带来的种种危害，具有重大的现实意义。对此，许多科研工程单位进行了大量科学研究工作，这些研究系统的分析了三峡库区滑坡发育分布规律、滑坡灾害与库区地质关系以及库区滑坡危害评价方法等问题，认为库区滑坡灾害与库区地质环境紧密联系，三峡水库蓄水诱发了库区地质环境的变化,滑坡活动将在库区形成一个新的高峰期5-8。与此同时，从滑坡监测手段上来说，全球定位系统技术、遥感技术、测量机器人技术等现代监测手段也在库区滑坡监测预报中得以有效利用，并取得了不错的监测效果9-12。但同时因为技术本身的局限性或者区域的条件状况，库区的滑坡监测依旧存在一些问题，比如GPS的高程监测精度问题还不能完全满足高精度监测需要，遥感技术对于实时性、小区域性滑坡监测来说也不能完全达到要求等13,14。基于上述思想，结合国家重点文物保护单位“重庆云阳张飞庙”的滑坡监测与防治工程，本文介绍了综合利用现代多种监测手段的滑坡监测方法，以期望能为我们正在和即将开展的各项库区滑坡地质灾害监测与防治工作提供思想及技术参考。2 监测设计与实施张飞庙园区自迁建使用以来，受园区本身地形地貌、坡体物质成分、水文地质等内部因素及降雨、人类工程活动等外部因素的综合影响，使得园区东侧多次出现不同程度的地表沉降及地面变形。特别是在2006年特大旱灾过后，沉降滑移变形继续累积，再加上连续的降雨影响，造成滑移变形进一步加剧，使得园区围墙多处坍塌，库岸防护工程不同程度隆起，护坡墙脚开裂及园区西侧移民安置房不同程度开裂等现象。由于其滑坡体土层由上至下为全新统，结构松散稍密、稍湿，并堆填约3年的人工填土（厚度0.0016.26m）以及全新统坡残积粉质粘土夹块石（厚度0.0036.92m，滑坡范围2030m），故一旦受库区蓄水及降雨影响等而进一步发展，将威胁文物古迹、长江库岸的安全，危及附近村民的生命财产安全。为实现在张飞庙滑坡区内建立较为完善的监测系统，以在监测期间内对滑坡体进行周期性、系统性的监测，从而全面了解滑坡变形情况、预测发展趋势，达到减少灾害造成损失或将损失降到最低水平的目的，并根据张飞庙实际地形条件及滑坡变形情况，滑坡监测工程监测等级按建筑变形测量规程(JGJT8-97)的三级变形监测精度施测。变形监测方案设计如下：1）监测阶段与监测周期设计。监测确定为两个阶段，应急监测阶段和长期监测阶段。长期监测阶段又分为应急治理施工阶段和施工后期监测阶段。在监测周期上，应急治理施工期间一天进行两次监测，如果滑坡速率大于10mm/d时，加密为两小时左右进行一次监测。应急治理工程结束后一个月，滑坡速率小于5mm/d时，监测周期为一天；以后滑坡速率小于2mm/d时，则每星期监测一次；半年后一月一次，监测截止时间为应急治理工程施工结束，强变形区稳定后的一个水文年。2）监测网设计。在监测网的布网上，采用变形监测绝对网的布网方法。水平位移监测基准点如图1a所示。在图1a中，点G3、G4位移长江北岸，点G1、G2、G5、G6位于长江南岸。监测点位的布设方面，根据实际情况，将张飞庙滑坡分为强、弱变形区及稳定区。因而，在强变形区内布置2条纵向监测剖面，每条监测剖面上布置3个位移监测点，在护坡工程及主要变形位置进行加密监测，共加密45个监测点；弱变形区内布置3条监测剖面，根据护坡及主要变形位置，每条剖面布置34个平面监测点；另外，在稳定区域布置5个监测点（图1b）。本监测网的水平位移观测点与垂直位移观测点位重合布点。因为所布设的6个平面监测基准点中最大边长小于1.5km，远小于三等三角网控制的平均5km边长，故精度按三等三角网控制，严密平差（见图1a），同时因滑坡后缘的一对边无法选出，故基准点坐标采用D级GPS网施测。水平位移监测采用Leica TCA-2003测量机器人进行移动式全自动化方式观测，方向观测时不配置度盘，闭合差不大于3，测角中误差不大于1；距离与垂直角观测采用往返测方式进行。垂直位移监测采用水准测量方法，按国家二等水准测量精度要求进行施测。水准基准由基岩标点BM1、BM2(图1b)及BM3组成，采用用拓普康电子水准仪从点BM1开始起测，经由点BM3、BM2，组成闭合水准路线，由于相对高差较大，故按测站数平差。a 水平位移监测基准点 b 稳定区域布置5个监测点图1 基准点及监测点点位示意图3 监测结果及差分分析方法从2007年6月3日到12月1日，一共进行了175期的监测（其中小部分日期因为天气原因而没有数据），通过平差计算后，本文抽取了其中部分监测点进行分析，所选取的点既包括了强变形区域内的监测点（JC01、JC06、JC09），也包括了弱变形区域内的监测点（JC18、JC19、JC20、JC23），同时也选取了变形区域外的一些监测点（JC24、JC25、JC27）。其中，强变形区内选取的三点位于同一监测剖面，弱变形区域选取的四点则囊括了该区域内的三条监测剖面（图1）。通过计算，抽取的监测点在该监测时间段内的累积位移情况如表1所示。表1 监测点累积位移情况表点号X(mm)Y(mm)Z(mm)JC011319.1 344.2 -317.1 JC06391.6 -62.4 -116.7 JC09341.0 -69.0 -73.1 JC1847.4 43.7 -12.4 JC19158.2 86.0 -77.5 JC20138.9 144.2 -25.4 JC23308.0 257.1 -133.9 JC24-16.4 69.6 -1.3 JC25-4.4 23.9 -8.4 JC271.0 0.5 27.2 在实际工作中，一般取监测点的3倍坐标中误差为限差标准。水平监测方向上，以测角精度0.25，最长边长1500m计，则有：mm；在垂直监测方向上，取3倍测距中误差(1mm)为限差标准，有：。也就是说，在t时间内，如果某点平面坐标位移大于2.3mm时或垂直位移大于3mm，则认为该点发生了位移15。根据上诉方法，从表1可以看出，从2007年6月3日到12月1日的时间内：除监测点JC27以外的各点都发生了不同程度的水平位移，其中，以位于强变形区域内的点JC01、点JC06、点JC09水平位移程度为大，位于弱变形区域内的点JC23、点JC20次之，相对稳定区域的监测点也存在不同程度的位移；在垂直位移方面，除点JC24以外，各点也都发生了不同程度的垂直方向上的位移，其中因变形区域的不同位移程度各异。从各点总体位移情况来看，基本与监测区域时间情况和变形区域等级划分吻合。这种设置限差分析测点位移情况的方法虽然能够详细地反应各监测点在t时间间隔内（这里反应的是从2007年6月3日到12月1日时间内）的位移情况，但是我们知道，各个监测点的位移运动并不是随时间进行同方向上的匀速运动，即在位移的不同时间间隔内，位移量的大小与时间的比值是不同的，位移的方向也是不完全相同的。而对于滑坡监测和治理工程，相比一定时间间隔的总的位移量来说，我们更为关心的是监测点随时间的位移情况，以便对滑坡的趋势性和治理的有效性进行论证和说明。这样，把一定时间间隔内的总的位移量作为笼统的说明其位移趋势就不合适了，而需要按不同时刻来考虑。为此，将以“天”为单位进行的各监测点的监测数据和监测时间在同一坐标平面上进行反应，就能直观定性的得到各监测点随最小时间间隔单位（这里是天）的位移情况。本文给出了具有典型代表性的强变形区的监测点JC01、弱变形区内的监测点JC20以及变形区域外的监测点JC27得位移曲线图（图2）。在图2中，水平轴为时间分量，垂直轴为位移分量，最左边的图为各点水平分量x随时间的位移情况，中间的图为水平分量y随时间的位移情况，最右侧的图为垂直分量z随时间的位移情况。从图2可以看出，随着滑坡工程治理的进行，监测点JC01以及监测点JC20每天的位移量有逐渐减小的趋势，即高阶拟合曲线的斜率逐渐变小。这种趋势从2007年10月16日开始在强变形区域的监测点JC01更为明显。但是对于监测点JC7，其在一直保持相对稳定的同时，于10月29日发生了垂直方向上的位移突变（方向向上），突变量达到40mm之多，而此后又在突变位置上保持相对稳定，根据现场勘查，是观测墩因为人为外力原因而产生的结果，并在以后保持了相对稳定，未对该点的监测产生破坏性影响。同时，从图2我们还可以看出，11月16日的监测值在多数监测点上都“漂移”到了离位移总体曲线较远的地方，成为一个“孤点”，在此我们可以认为该天的监测值为非系统误差所带来的错误的监测值，在进行分析时应该排除。图2 监测点位移曲线图 虽然各监测点的时间序列曲线较客观的反应了监测点随时间变化的非均匀运动情况，能够有效监测各点随治理工程实施而产生的位移反应，排除非系统误差引起的监测粗差。但是该时间序列曲线反应较小时间间隔位移大小和方向的能力还不足。为此，本文对各监测点的观测坐标以最小观测时间间隔（天）为步长进行一阶差值运算和二阶差值运算：这里，设监测点每期的观测值为，其中，n为观测期数，且n1，则监测点观测值的一阶差值和二阶差值可分别表示为： （1） （2）从公式（1）可以看出，监测点观测值的一阶差值为相邻两观测周期内的观测量之差，该值反应了最小监测时间间隔内该监测点各监测分量的位移大小变化情况，为了表述的方便，这里我们称之为“位移幅度”；而各监测点观测值的二阶差值公式（2），则反应了最小监测时间间隔内监测点各监测分量变化的方向和变化的快慢程度，本文称之为“位移频率”。这里本文抽取监测点JC24的水平位移幅度与水平位移频率，绘制了其水平位移幅度曲线和水平位移频率曲线图（图3）。从图3可以看出，监测点JC24水平两个分量的位移幅度和位移频率都较不稳定，表明其每天都还在进行滑移，且滑移方向不固定；但是，随着时间的推移，其位移幅度与位移频率都有逐渐减小的趋势，该趋势从9月23日开始更为明显。其它各监测点水平方向上的位移情况无论是从位移幅度还是从位移频率上来看，都较监测点JC24为好。在垂直位移方向上，本文给出了监测点JC01和监测点JC24的垂直位移幅度和垂直位移频率曲线图（图4）。从监测点JC01的垂直位移幅度曲线图可以看出，该点在垂直方向上工程开始时一直存在下沉情况，在2007年6月21日下沉量达到近8cm；从该点垂直位移频率曲线上看，该点的垂直位移不是很稳定，但是在趋势上主要分为四个时间段：2007年6月21日-7月19日为一时间段，该时间内其垂直位移逐渐减弱的趋势明显；第二个时间段为7月20日-8月1日，该时间段内几乎不存在垂直位移；第三个时间段为8月2日-11日，该时间内又出现了较微弱的垂直位移；从8月12日开始，下沉情况变得非常微弱，可视为在垂直方向上趋于稳定。监测点JC24分析方法一致，本文不在详述。图3 监测点JC24水平位移幅度与位移频率图4 监测点JC01、JC24垂直位移幅度与位移频率4 结束语综合利用全球定位系统（GPS）、测量机器人及电子经纬仪对三峡库区国家重点文物保护单位云阳张飞庙的滑坡监测工程表明，通过合理选择和综合利用各种现代变形监测手段，能够在提高监测精度的同时，快速有效的对诸如滑坡的地质灾害进行全面监测，为灾害的合理有效治理及使灾害的损失减到最小提高测绘监测技术及监测数据支持。在监测数据的处理分析上，相对于较长时间段的位移结果来说，最小监测周期内的位移变化情况更有利于对滑坡治理工程的评价以及继续提供数据支持。对于此，本文提出了基于最小监测周期的各监测点一阶、二阶差分方法。从数据差分分析结果可以看出，本文提出的一阶差值详细反应了各监测分量的位移幅度情况，而监测点的二阶差值，则详细反应了监测分量的位移频率情况，客观地描述了监测点随工程治理过程的变化信息。从工程实际也可以看出，监测设计所划分的强变形区域、弱变形区域以及相对稳定区域具有一定的代表性和可靠性：从总体上来看，强变形区域监测点的位移幅度最大，弱变形区域次之，相对稳定区域监测点位移情况最小。同时监测结果表明，在2007年6月3日到12月1日的时间范围内，随着张飞庙库区滑坡治理工程的实