拉线式滑坡地表位移实时监测系统应用实例

第27卷第1期中国地质灾害与防治学报Vol.27No.12008年1月TheChineseJournalofGeologicalHazardandControlJan.，2008收稿日期：2010–07–09；修回日期：2011–04–06基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2010CB731503)作者简介：刘洋(1985–)，男，2007年毕业于北京科技大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事渗流应力耦合作用的数值计算方面的研究工作。E-mail：[e-mail]拉线式滑坡地表位移实时监测系统应用实例刘洋，李世海，刘晓宇(中国科学院力学研究所，北京海淀100190)摘要：拉线式滑坡地表位移实时监测系统是测量地表相对位移的监测仪器，在很多滑坡中已得到实际应用。该系统的特点是将传统的拉线式测量原理与现代通讯技术有机结合，由数据采集系统，数据处理中心和客户端这三大部分组成。当测点发生位移时，所连接的钢丝线将随之移动发生变化，这一信息由角位移传感器记录并转化为相应的电信号，数据采集系统将电信号转换成数字信号，并利用现有的移动通信网络将信号传输到数据处理中心。最后利用编制的软件进行数据分析，给出被测点的位移随时间变化的规律。同时，数据处理中心可以根据现场情况，对现场的数据采集频率进行更改。通过对凉水井滑坡实时监测数据的分析和对比，对该滑坡的危险性等级进行了评估和险情预警，证明该系统不受地理环境、气候等因素的限制，并说明了此种监测方法运用于滑坡实时监测具有很高的实用价值。但是该系统还需要作进一步改进，以克服自身存在的一些缺陷。关键词：实时监测；地表位移；拉线式原理中图分类号：O319.56文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)01–0001–03APPLICATIONOFGUYED-TYPELANDSLIDESURFACEDISPLACEMENTREAL-TIMEMONITORINGSYSTEMLIUYang，LIShihai，LIUXiaoyu(InstituteofMechanics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)Abstract：Theguyed-typelandslidesurfacedisplacementreal-timemonitoringsystemisanapparatustomeasuretherelativedisplacementofthesurface,whichhasbeenputintooperationinmanylandslides.Itscharacteristicisthecombinationoftraditionalguyed-typeprincipalwithmoderncommunicationtechnology,andthesystemconsistsofthreemajorcomponents,namelydataacquisitionsystem,dataprocessingcentreandusergroup.Whenmonitoringpointmoves,theconnectedwirewouldbedrawnalongthetravellingdirection.Theinformationisrecordedbyangulardisplacementsensorandconvertedintocorrespondingelectricaldata.Dataacquisitionsystemcouldtranslatereceivedelectricaldataintodigitalsignals,andthedigitalsignalsthenarelaunchedbyexistingmobilecommunicationnetworktodataprocessingcentre.Finally,thedataareanalyzedandgraphsofdisplacementversustimearegiven.Atthesametime,processingcentrecouldadjustthedataacquisitionfrequencyaccordingtoactualsituation.ThroughthedataanalysisandcomparisonofLiangshuijinglandslide,thewarninglevelofthislandslideisevaluated.Itisindicatedthatthissystemwouldnotberestrictedbyfactorssuchasgeographicalenvironmentorclimate,andtheapplicationofthissystemtolandslidereal-timemonitoringhashighpracticalvalue.However,thissystemstillneedstobeimprovedinordertoovercomeitsowndefects.Keywords：real-timemonitoring；surfacedisplacement；guyed-typeprincipal1引言降雨和库水涨落往往能在非常短的时间内诱发或者加剧滑坡灾害。在这种情况下，外部可测物理量(如降雨量、孔隙压力或者滑坡地表位移)的实时监测对于分析滑坡的稳定性或者了解其渐进破坏•2•中国地质灾害与防治学报2008年过程是非常有必要的。目前，有很多种地表位移实时监测技术，如全自动全站仪法[1]~[3]、GPS技术[4][5]、基于面阵CCD与CPLD的位移监测方法[6][7]、时域反射法(TDR法)[8][9]、基于Asp.Net的滑坡实时监测技术[10]和激光位移实时监测系统等[11][12]，其中用的比较多的是全自动全站仪法和GPS技术。全自动全站仪(俗称测量机器人)由传统全站仪集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而形成的。利用测量机器人进行滑坡地表变形的测量已在多个滑坡实地应用，施测时只需第一次进行学习测量，以后可根据学习记录自动定位对焦到预设测点[13]。GPS技术在滑坡监测中得到了越来越广泛的应用，监测精度理论上能达到毫米量级，但是价格比较昂贵，野外作业时需要的维护成本较大。本文着重介绍拉线式滑坡地表位移实时监测系统，全面阐述其监测方法和系统结构。以三峡库区凉水井滑坡为例，客观地评价该系统在实际应用中的优缺点。2监测方法拉线式原理如图1(a)所示，在固定点和测点之间连接一条钢丝线，钢丝一端固定在测点上，另一端绕过滑轮与一重锤(衡力)相连，滑轮处安装有角位移传感器。当测点发生位移时，所连接的钢丝线将随之移动。这个变化反映在图1(b)中就是固定点和测点1的相对位移。同理，测点1上的测量设备与测点2相连便可测量点1，2间的相对位移量，以此类推，用一个不动点就可测量滑坡体一条轴线上各个监测点的位移，如图1(b)所示。这种拉线式原理不仅可以测量地表位移，还可以测量地表裂缝的变化。(a)(b)图1地表位移监测原理Fig.1Theprincipleofsurfacedisplacementmonitoring3系统结构滑坡地表位移实时监测系统的特点是将传统的拉线式测量原理与现代通讯技术有机结合，从而形成了一种新型滑坡实时监测系统。如图2所示，监测系统由三大部分组成，分别为数据采集系统，数据处理中心和客户端。在三大系统中数据采集系统的任务是：如何把位移信息转化为电信号，并解决如何传输电信号的问题；如何自动地传输、存储信号。数据处理中心的任务是：如何接收信号，并把电信号转化为数字信息；控制数据采集系统的采集频率；利用数据对滑坡进行预测预报。当测点发生位移时，所连接的钢丝线将随之移动发生变化，这个变化值在滑轮上表现为滑轮转过相应的角度，体现在角位移传感器上为电压值发生改变，GPRS/GSM数据采集与发射系统将电信号进行A/D转换，转换成数字信号。同时利用现有的移动通信网络(使用GSM或GPRS方式)，将信号传输到数据处理中心的接收装置。最后利用编制的软件固定点测点滑动方向钢丝线重锤角位移传感器固定点裂隙测点1测点2钢丝线滑坡地表第28卷第1期刘洋等.拉线式滑坡地表位移实时监测系统应用实例•3•进行数据分析与显示，给出被测点的位移随时间变化的规律。同时，数据处理中心可以根据现场情况，对现场的数据采集频率进行更改。客户端的用户可以通过网络来访问数据处理中心，随时随地都可以查看所关心的监测信息，没有时间和地域的限制。图2地表位移实时监测系统结构Fig.2Structureofsurfacedisplacementreal-timemonitoringsystem4监测实例4.1滑坡简介凉水井滑坡(图3)位于重庆以东300km的云阳县，长江右岸斜坡地段。到目前为止，滑坡前缘高程约100m，后缘高程约319.5m，相对高差约221.5m，平面纵向长度约434m，横向宽358m，面积约11.82×104m2，滑体平均厚度约34.5m，总体积约407.79×104m3。水面以上区域属构造剥蚀丘陵地貌和河流阶地地貌。在2008年滑坡发生时，滑坡整体平面形态呈“U”形，后部地形呈近似圈椅状，南高北低，中后部地形较陡，前部地形较缓，自然坡度30°～35°。滑坡东西两部均有一冲沟，走向分别为342°和351°，长分别为250m和220m，纵向坡度40～60°，截面大多为“V”形，处于冲沟发育阶段的第一期，为自然形成，仅雨季有流水，水量直接受降雨影响。4.2监测数据分析滑坡安装了多种自动化监测设备，主要包括深部位移、地表位移、地裂缝、GPS监测、雨量计、测量机器人和滑坡推力计等；也采用了无人飞机对滑坡进行地表位移监测，周期为1次/月。其中地表位移和地表裂缝采用了这种拉线式实时监测系统，其分布如图3所示。本文着重介绍这种方法在该滑坡监测中的应用，同时也详细讨论该方法与其它实时监测方法(GPS监测和测量机器人)和非实时监测方法(人工校核和无人飞机监测)的对比。图3自动化监测系统布置图(比例1:5000)Fig.3Distributionoftheautomaticmonitoringsystems根据主滑方向，结构特征和地形地貌，选择了三条剖面展开地表位移监测，共计26个监测点(23个测点和3个固定点)，如图3所示。根据各点位置的不同，它们被划分为9个部分：主前部(DBK1-11,DBK1-10,DBK1-9)，主中部(DBK1-8,DBK1-7,DBK1-6)，主后部(DBK1-5,DBK1-4,DBK1-3,DBK1-2)；右前部(DBK2-8,DBK2-7,DBK2-6)，右中部(DBK2-5,DBK2-4)，右后部(DBK2-3,DBK2-2)；左前部(DBK3-7,DBK3-6)，左中部(DBK3-5,DBK3-4)，左后部(DBK3-3,DBK3-2)。各条剖线位移-水位-降雨量-时间关系曲线如图4所中部裂缝GSM/GPRS监测点2监测点n…监测站数据采集系统信息解译传输频率预测预报…数据处理中心网络用户1用户2客户端…用户n监测点1•2•中国地质灾害与防治学报2008年示。在滑坡的边界和中部共安放了11个地表裂缝计（图3）。所有监测点被分为4组：上游边界（LC01,LC02,LC10），下游边界(LC03,LC04,LC08,LC09)，后缘裂缝(LC05,LC06,LC07)，中部裂缝（LC11）。同时，将2009年5月至2010年1月这段时期分为4个子阶段：退水期，145m低水位期，涨水期和170m高水位期。由于自动化专业监测没有记录滑坡最开始的滑移，因此采用了2008年12月10日至2009年1月14的人工监测数据，称为初始阶段。各阶段的滑坡平均变形速率如表1所示。根据图4、图5和表1，可得出以下结论