三峡库区山区城镇重大地质灾害监测预警示范研究

冯 振, 李 滨, 赵超英, 王 利, 王 磊

(1.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京 100081；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；3.长安大学，西安 710064；4.防灾科技学院，河北 燕郊 101601)



三峡库区山区城镇重大地质灾害监测预警示范研究

冯 振1,2, 李 滨1,2, 赵超英3, 王 利3, 王 磊4

(1.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京 100081；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；3.长安大学，西安 710064；4.防灾科技学院，河北 燕郊 101601)

以三峡库区羊角场镇为例，在地质调查基础上，利用伸缩位移计、应力计等常规地面监测设备，对地表裂缝相对位移和危岩体基座应力进行监测，并结合GPS静态和实时动态测量等技术，开展了角反射器干涉测量技术(CR-InSAR)和高相干InSAR技术在复杂山区地质灾害大范围调查与识别应用，从点到面、从大型危岩体到区域地表形变全覆盖。各种方法监测结果较为一致，有效实现了典型山区城镇地质灾害变形的高精度、动态立体化监测。

山区城镇；地质灾害监测；危岩；InSAR

0 引言

长江三峡地区位于中国地形第二级阶梯和第三级阶梯的过渡带，以大巴山脉和巫山山脉为骨架，形成以中山、低山和峡谷为主的侵蚀地貌景观，地质条件复杂。随着全球气候极端异常，三峡库区城镇化快速发展，工程活动明显加剧，人口无序激增，已经影响到地质环境容量和已有的地质稳定性[1～2]。因此，亟待提高三峡库区城镇地质灾害监测预警的自动化、标准化和远程化水平，加强地质灾害风险管理[3]。

本文选择的三峡库区羊角场镇是地质灾害高发区，历史上发生过多次崩滑灾害。目前羊角场镇区域内主要发育大型危岩和滑坡两种灾害类型，对场镇内居民生命财产造成巨大威胁。羊角属于典型的由上部二叠系灰岩和下部志留系页岩组成的“上硬下软、上陡下缓”二元结构地貌形态。这一地貌在中国重庆、湖北、贵州、云南、四川等西南灰岩山区有广泛的分布，加之地形复杂、植被茂盛，气候多雨多雾，引起过多起重大崩塌、滑坡灾害，传统的地质灾害监测预警技术实施范围非常有限，难以发现潜在滑坡危岩体灾害[4～6]。

针对这一难点，本文在地质灾害详细调查基础上，结合近年发展起来的空间大地测量技术(如InSAR技术、GPS远程实时监测技术等)，开展了羊角场镇区域地表形变的CR-InSAR调查与监测，结合雨量、裂缝位移计、GPS动静态等地表监测方法，实现了典型大型高陡山体变形的高精度、动态立体化监测，可为山区城镇地质灾害监测方法与网络建设提供参考。

1 羊角场镇地质灾害发育特征

重庆市武隆县羊角场镇位于乌江下游左岸，为强侵蚀岩溶化中低山峡谷区，构造上位于羊角背斜西翼近核部[7～8]。羊角场镇整体地势东南高、西北低，最高点位于后山山坡尖顶，高程1376 m，最低点位于前缘乌江岸边，高程160 m。后山陡崖总体走向SE150°—165°，呈带状延伸约5.1 km，整体地貌形态如图1所示。场镇后山陡崖主要由二叠系灰岩组成，灰岩中夹有3组软弱岩层，分别为：吴家坪组底部页岩、煤层和泥岩软层，厚约12 m；栖霞组顶部泥质微晶灰岩与泥质条带互层，厚4～10 m；梁山组含铝土矿和煤线的黏土岩、页岩，厚约11 m。以吴家坪组底部软弱层形成的缓坡为界线，陡崖大致分为2级，一级陡崖由二叠系吴家坪组灰岩构成，二级陡崖主要由二叠系茅口组、栖霞组岩层组成。陡崖带采矿活动极为活跃，分布有3个矿区，还有大量无序开采的小煤窑，开采历史达数百年，目前均已关闭。开采矿层主要为吴家坪组底部煤层和梁山组顶部硫铁矿及煤层，形成大量采空区，加速了地表的沉陷与岩体开裂。陡崖下部为志留系韩家店组页岩，表层覆盖大面积崩滑堆积体，地形较平缓，坡度在10°—30°之间，羊角场镇即坐落于松散堆积体上。

图1 重庆武隆县羊角场镇地貌与地质灾害分布(镜像南)Fig.1 Distribution of geological hazards in Yangjiao area

羊角场镇区域内主要发育大型危岩和滑坡两种灾害类型，后山陡崖带分布有大型危岩体11处(见图1、表1)，陡崖下方为2处大型堆积层滑坡(见图1)。

羊角场镇滑坡群由秦家院子滑坡和羊角滑坡2个大型滑坡组成，2个滑坡的坡体结构和组成物质基本相同，均为由二叠系灰岩崩坡积物及志留系表层强风化砂页岩残坡积物形成的堆积层滑坡，沿堆积体与基岩接触面滑动；滑床为志留系韩家店组页岩、粉砂质页岩，主滑方向14°。此2处滑坡近期无明显的整体变形破坏迹象，仅在雨季出现小规模浅表变形。滑坡前缘延伸至乌江，属于规划建设的白马电站回水区，未来在库水波动及江水淘蚀作用下滑坡可能加剧变形复活。

表1 羊角场镇大型危岩体特征表

羊角场镇后山陡崖带长约5 km，危岩体变形破坏由来已久。1985—1986年在大湾危岩顶部发现234 m长的地表裂缝，同时伴随小规模崩塌；1993年在大湾危岩西侧发生崩塌，方量约数千方；至2002年，庆口危岩顶部裂缝最大宽度约3.5 m，裂缝长度496 m；2013年，庆峰和庆口危岩东侧均发生数千方的崩塌。根据危岩体几何形态、主控结构面特征和变形破坏迹象，羊角后山大型危岩体主要破坏类型可以分为斜倾滑移式、滑塌式、倾倒式和落石破坏式4种。近年来，大巷、庆口、大湾、小湾和观音洞陡崖位置时常发生小规模崩塌灾害，表明目前羊角后山危岩带在自然环境与采空区影响下，仍处于变形阶段，需要加强监测。

2 地质灾害监测方法与网络布置

由于地质灾害的存在，严重影响羊角镇的规划建设，致使该镇至今无小城镇规划，而场镇搬迁还是原址发展仍然在不断地论证中。为此，开展地质灾害监测、建立地质灾害监测系统，对于保障城镇安全与规划具有重要参考价值。

羊角场镇地区地形复杂，山高崖陡，最大高差超过1200 m，且植被茂密，气候多雨多云，对地质灾害监测方法、数据采集和传输要求较高。本文在详细地面调查和分析的基础上，综合采用常规地表监测方法、高精度动静态GPS遥感技术和InSAR技术等，对羊角场镇地质灾害开展危岩体和滑坡联合监测。监测数据实时传输，实现了典型危岩体和滑坡体变形情况的全天候自动化实时动态监测，进而可对危岩体变形趋势进行判断。通过远程登陆多参数采集服务系统，可以实时查看和下载监测数据进行分析。

羊角场镇地质灾害常规地表监测主要采用伸缩位移计和应力计。为了监测裂缝的张开变化情况，在庆口危岩西侧裂缝安装了1个三向伸缩位移计(3DWY)。3个应力监测点(YL01、YL02和YL03)布置在庆口危岩底部基座，以监测岩体垂向应力变化情况。

图2 羊角场镇地质灾害监测点布置图(水平位移为静态GPS监测结果)Fig.2 Lay-out of geohazards monitoring devices in Yangjiao area

GPS技术具有很高平面精度，选点灵活，是地质灾害地表绝对位移监测的常用方法[9]。羊角场镇地形复杂、交通不便，植被茂密、通视困难，因此灾害监测以高精度静态GPS相对定位技术为主，结合GPS实时动态监测方法，既能高精度实时连续监测危岩体的地表变形，又能及时准确预警。羊角场镇地质灾害监测网共有11个GPS监测点(见图2)，分别设置在大巷危岩(JT01—JT03)、庆峰危岩(JT04—JT 06和DT01)、庆口危岩(DT02)、羊角滑坡(JT07—JT09)，其中含2个实时动态监测点(DT01和DT02)。

为了全面掌握区域地质灾害变形情况，实现监测外地质灾害的识别与探测，在羊角场镇开展了高空间分辨率InSAR监测。InSAR技术通过对一定周期内的重访SAR影像数据进行处理，可实现大范围地表变化信息的探测[10]。InSAR技术的地表形变监测精度可达毫米级，通过大量SAR影像的时间序列相位形变信息的分析，能够有效实现不稳定块体的识别和探测。地表植被、雨雾变化等会引起时间和空间失相干，对InSAR监测精度和结果造成影响，而CR-InSAR技术特别适合于植被茂密等监测低相干区域的地表形变[11]。因此，在重点监测的危岩体上加设人工角反射器(CR)，利用角反射器干涉测量技术(CR-InSAR)对危岩体进行监测，利用卫星捕获其稳定的相位值再通过一系列数据处理提取目标形变信息。2个CR-InSAR监测点(CR01和CR02)均布设在庆峰危岩体顶部，与2个GPS静态监测点(JT04和JT05)位置相同。

3 地表监测结果分析

3.1 常规地表监测结果

3DWY传感器组合构成三向伸缩位移计，安装在庆口危岩东部前缘孤立危岩体与山体之间，01号监测方向为330°，02号监测方向为240°，03号监测方向垂直向下(见图3)。2013年10月至2016年5月期间3个伸缩位移传感器读数变化曲线(见图4)显示，1号、2号传感器位移曲线平直，3号传感器自2014年5月开始持续减小，由0.35 m降至2014年10月的0.01 m，之后保持小幅波动，趋势稳定。伸缩位移计的监测结果说明，危岩体水平变形不明显，主要以垂直方向的沉降变形为主。

羊角危岩带的危岩体主要沿厚层灰岩中夹软弱夹层发生破坏，因此需将压力传感器安装在软弱夹层内(见图5)，以监测上部危岩体通过变形传递至软弱夹层的垂直应力变化。压力盒安装首先将软弱夹层岩体掏空，地表垫平，将压力盒水平安放，然后用水泥砂浆进行填充。羊角危岩带岩体应力监测曲线(见图6)显示，2014年1月至2015年8月间，3个应力计的监测数据变化不大。YL01传感器应力变化范围为0.47～0.64 MPa，YL02传感器应力变化范围为0.56～0.72 MPa，YL03传感器应力变化范围为0.32～0.36 MPa，这是由危岩体受降水、温度等外界影响下的微小变形引起的，危岩体整体处于基本稳定状态。2015年8月下旬，3道传感器应力均出现短暂的剧变，测得应力值最大超过60 MPa。对应的该段时间内，出现了集中和连续降雨事件，降雨引起危岩体的变形及内部应力调整。2015年9月以后，3道传感器应力监测值较之前变小，但呈小幅度不断变化，整体趋势稳定，岩体处于基本稳定状态。

图5 压力盒安装位置Fig.5 Location of stress monitoring devices

图6 重庆武隆羊角危岩带岩体应力监测曲线Fig.6 Time series of stress in perilous rock base in Yangjiao area

3.2 GPS和CR-InSAR监测结果

除JT07—JY09位于羊角滑坡体上，其他遥感监测点均位于大型危岩体顶部，所处环境植被茂密，主要采用静态GPS测量，局部利用实时动态GPS及角反射器干涉测量方法相互校核检验。GPS静态观测按照国家GPS测量规范中B级网的精度，采用定期巡测方式获得各监测点的形变信息，各GPS监测点的点位中误差优于±5 mm。实时监测设备可以对危岩体进行连续实时监测，并每隔3个小时获取监测点的变形信息，解算结果在平面方向上的精度优于±5 mm，高程方向上的精度优于±10 mm。CR-InSAR采用2012—2016年的16景TerraSAR影像，选择短基线组合进行解算，利用GPS测量的高程数据来去除地形相位的影响，构建Delaunay三角网获取双差相位减弱大气延迟的影响，参考基准点采用最小费流法空间相位解缠，最终获取CR点视线向形变结果。GPS及CR-InSAR监测点的监测结果见表2。

JT01、JT02和JT03位于大巷危岩体后部、中部和前缘，水平方向上位移较小，位移量分别为7 mm、2.8 mm、3.2 mm，位移方向分别向南、西南、东南，未显示明显的变形规律。

JT04—JT06以及DT01位于庆峰危岩顶部，4个点的静态监测水平位移量为3.2～12.1 mm。靠近西北侧陡崖的JT06和DT01点，向西北方向变形，远离临空面的JT04和JT05则向西南方向，即倾向方向变形。CR01和CR02位置分别与JT04和JT05相同，采用角反射器干涉测量，测量结果与静态监测结果趋势一致，水平上向西南运动，并呈现垂直下沉。DT01点同时采用实时动态(见图7)和静态监测方法，两种监测方法结果较为吻合(见表2)，测得的水平和垂直位移量差别不大，分别为12.1 mm、-5.0 mm和7.8 mm、-12.2 mm，显示的变形方向基本一致，均向西偏北运动。

DT02位于庆口危岩东侧，亦采用实时动态(见图8)和静态两种方法进行监测。水平上两种监测方法结果较一致，向东南方向偏移约5 mm。

JT07和JT08位于羊角滑坡后缘偏西侧，GPS静态监测水平位移量较小。JT07向东南变形3.2 mm，JT08向东位移1.0 mm。JT09位于羊角滑坡中部偏西，水平位移量相对较大，向西偏移9 mm。3个监测点均表现为垂直下沉，且沉降量均超过50 mm。

表2 羊角场镇的地质灾害遥感监测结果(单位：mm)

*：位移方向垂直向下为负，向上为正

图7 DT01实时动态GPS监测时间曲线Fig.7 Time series of deformation in DT01 station by real-time GPS monitoring

图8 DT02实时动态GPS监测时间曲线Fig.8 Time series of deformation in DT02 station by real-time GPS monitoring

图9 羊角场镇区域地表形变平均速率(2012年6月—2014年1月)Fig.9 Average ground deform velocity of Yangjiao area (June 2012- January 2014)

4 区域地表形变InSAR监测

区域地表形变InSAR监测同样采用TerraSAR数据，而利用短波长、高空间分辨率的TerraSAR进行滑坡危岩体监测的难点在于时间失相干和地形相位误差的影响[12]。为了控制地形误差的影响，处理中选择垂直基线小于50 m的干涉对进行解算，使外部DEM误差引起的InSAR视线向误差小于5 mm。在优先考虑地形误差影响的情况下，为克服失相干对干涉相位质量的影响，选择干涉图中相干性大于0.7的点进行处理。采用高相干点InSAR方法获取的羊角镇滑坡危岩体形变速率如图9所示。值得说明的是，受制于时间失相干的影响，短波长的TerraSAR数据用于形变监测的相干点非常少。

从有效的观测点分析，2012—2014年间，羊角区域InSAR视线向年平均形变速率变化范围为-6～6 mm/a。除去部分零散的形变点之外，较为明显且集中分布的形变区主要位于陡崖下方至乌江沿岸的滑坡区域。羊角场镇位于三峡库区回水区，库水升降及河流淘蚀对羊角滑坡前缘影响较大，加上人类工程活动较为集中，因此变形显著。场镇后山危岩体形变，除去庆峰危岩下方少许形变信息外，其他危岩均无可用形变点。

5 结论

武隆县羊角镇是遭受滑坡、危岩体灾害严重的区域之一，对当地的经济发展和规划建设造成了严重影响。羊角场镇具有典型西南山区城镇的地形地貌特点，山高、林密、崖陡且地质灾害体多为危岩体，常规地质灾害监测技术难以实现。因此，利用伸缩位移计、应力计等常规地面监测设备，对地表裂缝相对位移和危岩体基座应力进行监测，并结合GPS静态和实时动态测量、角反射器干涉测量等技术，从点到面、从大型危岩体到区域地表形变全覆盖，建立了羊角场镇地面与遥感相结合的地质灾害监测网。

地表裂缝三向伸缩位移计监测结果显示，庆口危岩东侧危岩体水平变形不明显，主要表现为整体下沉。2014年5月至2014年10月沉降约30 mm，之后保持小幅波动，趋势稳定。2014年1月至2015年8月间，受降水、温度等外界影响下，位于庆口危岩东侧底部的应力监测数据小范围波动。2015年8月下旬，集中和连续降雨事件引起危岩体的变形及内部应力调整，监测应力出现短暂的剧变。此后，三道传感器应力监测值较之前变小，但呈小幅度不断变化，整体趋势稳定，岩体处于基本稳定状态。

从GPS静态监测的结果来看，大巷危岩体顶部JT01—JT03测得位移量较小，且未显示明显的变形规律。庆峰危岩体东南侧的JT04和JT05向西南偏移，西北前缘的JT06和DT01则向西北临空方向运动，与GPS动态监测以及CR监测结果一致，显示庆峰危岩后部顺层变形、前缘视向临空变形的趋势。位于庆口危岩顶部的DT02，静态和实时动态监测显示水平上向东南方向移动。JT07—JT09位于羊角滑坡体，GPS静态监测结果显示水平位移较小，主要表现为垂直下沉，沉降量均超过50 mm。

高相干点InSAR技术对羊角滑坡进行了整体监测，其结果表明除去庆峰危岩下方微小形变信息外，其他危岩均无明显形变点，较为明显的形变区主要且集中分布在羊角滑坡前缘、乌江沿岸，与GPS监测结果较为一致。

[1] 殷跃平．三峡工程库区移民迁建区地质灾害与防治[J]．地质通报，2002，2(12)：876～880.

YIN Yue-ping. Geohazards and their prevention in resettlement areas of emigrants from the reservoir region of the Three Gorges Project [J]. Geological Bulletin of China, 2002, 21(12): 876～880.

[2] 殷跃平．加强城镇化进程中的地灾防治工作[N]．中国国土资源报，2014-04-21(4).

YIN Yue-ping. Enhance geological hazards mitigation in urbanization process[N]. China Land and Resource News, 2014-04-21 (04).

[3] 刘传正．重庆武隆羊角镇工程地质环境初步研究[J]．水文地质工程地质学报，2013，40(2)：1～8.

LIU Chuang-zhen. Primary research on the geological environment around Yangjiao Twon in Wulong County, Chongqing, China [J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2013, 40(2): 1～8.

[4] 黄润秋．中国西部地区典型岩质滑坡机理研究[J]．地球科学进展，2004，19(3)：443～450.

HUANG Run-qiu. Mechanism of large scale landslides in western China [J]. Advance in Earth Sciences, 2004, 19(3): 443～450.

[5] 殷跃平，朱继良，杨胜元．贵州关岭大寨高速远程滑坡-碎屑流研究[J]．工程地质学报，2010，18(4)：445～454.

YIN Yue-ping, ZHU Ji-liang, YANG Sheng-yuan. Investigation of a high speed and long run-out rockslide-debris floe at Dazhai in Guizhou Province [J]. Journal of Engineering Geology, 2010, 18(4): 445～454.

[6] 殷跃平，刘传正，陈红旗，等．2013年1月11日云南镇雄赵家沟特大滑坡灾害研究[J]．工程地质学报，2013，21(1)：6～15.

YIN Yue-ping, LIU Chuan-zheng, CHEN Hong-qi, et al, Investigation on catastrophic landslide of January 11, 2013 at Zhaojiagou, Zhenxiong County, Yunnan Province [J]. Journal of Engineering Geology, 2013, 21(1): 6～15.

[7] 刘传正，杨冰．三峡库区地质灾害调查评价与监测预警新思维[J]．工程地质学报，2001，9(2)：121～126.

LIU Chuang-zhen, YANG Bing. 2001. A new method of surveying, evaluating, monitoring and forecasting for the geological hazards in the Three Gorges on Changjiang River [J]. Journal of Engineering Geology, 2001, 9(2): 121～126.

[8] 王磊，李滨，冯振，等．武隆县羊角场镇厚层灰岩山体大型危岩体破坏模式及成因机制研究[J]．地质学报，2015，89(2)：461～471.

WANG Lei, LI Bin, FENG Zhen, et al. The failure patterns and their formation mechanisms of large perilous rocks in thick layered limestone masses in Yangjiao Town, Wulong [J]. Acata Geologica Sinica, 2015, 89(2): 461～471.

[9] 张勤．GPS监测滑坡形变的基准研究[J]．西安工程学院学报，2001，23(4)：69～71.

ZHANG Qin. The datum research of the slope deformation monitor by GPS [J]. Journal of Xi’an Engineering University, 2001, 23(4): 69～71.

[10] 朱建军，邢学敏，胡俊，等．利用InSAR技术监测矿区地表形变[J]．中国有色金属学报，2011，21(10)：2564～2576.

ZHU Jian-jun, XING Xue-ming, HU Jun, et al. Monitoring of ground surface deformation in mining area with InSAR technique [J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(10): 2564～2576.

[11] 邢学敏，朱建军，汪长城，等．一种新的CR点目标识别方法及其在公路形变监测中的应用[J]．武汉大学学报：信息科学版，2011，36(6)：699～703.

XING Xue-ming, ZHU Jian-jun, WANG Chang-cheng, et al. A new method for CR point identification and it’s application to highway deformation monitoring [J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2011, 36(6): 699～703.

[12] 许文斌，李志伟，丁晓利，等．利用InSAR短基线技术估计洛杉矶地区的地表时序形变和含水参数[J]．地球物理学报，2012，55(2)：452～461.

XU Wen-bin, LI Zhi-wei, DING Xiao-li, et al. Application of small baseline subsets D-InSAR technology to estimate the time series land deformation and aquifer storage coefficients of Los Angeles area [J]. Chinese Journal Geophysics, 2012, 55(2): 452～461.

GEOLOGICAL HAZARDS MONITORING AND APPLICATION IN MOUNTAINOUS TOWN OF THREE GORGES RESERVOIR

FENG Zhen1,2, LI Bin1,2, ZHAO Chao-ying3, WANG Li3, WANG Lei4

(1.Key laboratory of Noetectonic Movement and Geological Hzards, Ministry of Land Resource of PRC, Beijing, 100081, China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China;3.Chang’anUniversity,Xi’an,Shaan’xi710064,China;4.InstituteofDisasterPrevention,Yanjiao,Hebei101601,China)

Regular geological hazards monitoring is very difficult in southwestern mountainous area, due to steep terrain, abundant plants, rainy and foggy weather. On the basis of geological hazards survey, a comprehensive monitoring network has been established. Regular geo-hazards monitoring devices, such as telescopic displacement meters and stressometers, are installed to monitor relative displacement of ground cracks and stress in base of perilous rock respectively. Static and real-time GPS, as well as corner reflector interferometry (CR-InSAR), are applied to monitor ground movement of perilous rocks. In order to obtain regional deformation, high coherence InSAR is adopted to investigate and detect geo-hazards. The Yangjiao monitoring network achieves high-resolution and real-time monitoring, and the methods applied are essentially in agreement with movement results.

mountainous town; geological hazards monitoring; perilous rock; InSAR

1006-6616(2016)03-0685-10

2016-04-25

国家自然科学基金项目(41302246，41472295)；中国地质调查局地质调查项目(12120114079101，DD20160268)

冯振(1985-)，男，博士，副研究员，主要从事地质灾害等方面的研究工作。E-mail：fengzhencgs@126.com

P642.2；P694

A