基于GNSS的综合监测在滑坡地质灾害防治中的应用——以105国道湖光山庄段为例

苏丽薇

前言

105国道是国家级南北主干道，起点为北京，经过天津市、河北省、广东省等9个省(市/特别行政区)，终点为澳门特别行政区，全程2717km。

其中一段经过广州市从化区良口镇南山村（湖光山庄北侧），该处原为一老滑坡，1989年曾发生过滑移。2004年4月中旬，因105国道改造，坡脚开挖，造成滑坡产生新的变形，同年5月下旬，因连降暴雨，滑坡变形加速，并造成湖光山庄网球场边水泥路面产生多条裂缝，暂停使用。随后对滑坡体进行过卸载及增设抗滑桩治理。多次边坡变形，虽未造成重大人员伤亡和财产损失，但由于该处滑坡位于重要交通要道，仍存在对湖光山庄、105国道及国道北西侧的村庄的致灾风险。为实时监测边坡变形情况，于2014年开始采用基于GNSS（全球导航卫星系统）的综合专业监测手段对湖光山庄段实施滑坡地质灾害专业监测。

环境背景概况

湖光山庄滑坡监测点位于广东省从化区良口镇105国道南面，地理坐标为东经113°47′05″、北纬23°44′45″。监测点北侧附近为横截流溪河干流的流溪河水库。

监测点地貌总体为中山，地形坡度一般在35°～50°之间，主要为修路建房的人工边坡。据区域地质资料及钻孔揭露，监测点地层岩性表层为第四系坡残积黏性土层（厚4.5～20.5m）和人工填土层（厚2.1～10.0m），基底为晚侏罗世中粒斑状黑云母二长花岗岩（图1）。监测点地下水类型主要为松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水，水量均较贫乏，大气降水是监测点地下水的主要补给来源，地下水向低洼处径流，排泄于流溪河中。

综合监测布置情况

监测点的地理地质环境条件较复杂，布置该处的专业监测须从地形地貌、降雨量、岩土及水文地质条件、滑坡特征等多方面进行综合考虑。因此，湖光山庄滑坡边坡采用了雨量监测仪、地表位移监测仪、深部位移监测仪3种仪器进行综合监测。其中雨量监测仪1套、地表位移监测仪4套、深部位移监测仪2套（图2），分别用于监测降雨量、滑坡表面位移和内部位移，并将监测数据通过无线网络即时发送至数据监控中心。

（一）雨量监测仪

雨量监测仪与地表位移监测基准站一起安装在滑坡体外围一幢办公楼楼顶（图3），距滑坡体距离约260m。降雨量采用DJ05型翻斗式雨量计监测。雨量计为降水量测量一次仪表，由承雨口、滤网、一体化支架、引水漏斗、一体化上翻斗组件、翻斗、翻斗支承、倾角调节装置、水平调节装置、恒磁钢、干簧管、信号输出端子、排水漏斗、底座、不锈钢筒身、底座支承脚等组成，具有自涤灰尘、容易清洗的功能，其性能符合国家标准《翻斗式雨量计》（GB/T 11832—2002）相关要求。与其他的双翻斗式雨量计不同，本型翻斗式雨量计的下翻斗上增加了一个活动分水板和两个用于改变活动分水板回转方向的限位柱，在翻斗翻水过程中，本仪器的活动分水板顶端分水刃口能自动地回转到降水泄流水柱的边缘临界点位置，当翻斗水满开始翻水时，分水刃口即会立即跨越泄流水柱完成两个承水斗之间的降水切换任务，由此缩短了降水切换时间，减小了仪器测量误差。

图1 湖光山庄监测点区域地质图

图2 监测点监测仪器分布图

图3 雨量监测仪与地表位移监测基准站

1.雨量计安装

（1）定做雨量计钢架，尺寸为1000mm（为提高观测资料的连续性和可比性，安装沿用南方地区通用的1.0m高度），在半径为R116mm的圆周上，等间距钻出3个∅12mm的圆孔，圆孔内放入M8×100mm膨胀螺栓。然后把钢架固定于楼顶。

（2）把雨量计安置于钢架中，接好排水管、供电电缆、信号输出电缆等，调整调平螺母，使圆水泡居中（表示计量组件处于水平状态），然后用螺钉锁紧。用手轻轻拨转翻斗部件，检查接受部分的信号是否正常。套上筒身，用三个螺钉锁紧。至此，雨量计安装完毕。

2.雨量计调试

现场调试时使用量杯进行3次人工注水试验(每次注水10mm，5至10min内均匀注完水量)，并观测仪器记数是否与所注入水量一致。测试允许误差为±0.2mm/10mm，超过误差进行调整。

（二）地表位移监测仪

地表位移监测仪由地表位移监测基准站（GPS0）和地表监测站组成，地表监测站设置3处，位于滑坡坡面。地表位移监测仪和深部监测仪布设剖面图见图4。

1. GNSS设备安装

地表位移监测仪器采用南方GNSS监测机SM02，参数指标见表1。

表1 SM02主机主要参数指标

本项目共设置3套GNSS监测站和1套GNSS基准站。

2.选址

图4 地表位移监测仪和深部监测仪布设剖面图

GNSS观测站选址的流程主要包括踏勘和分析两个阶段。踏勘工作主要是在拟选位置实地察看观测条件，是否具有良好的卫星跟踪条件，测站视场是否开阔，高度角10°以上有无障碍物等。分析工作主要包括进行高度角10°以上成功跟踪卫星数据百分比测试、数据完整性测试、周跳测试、监测站时钟测试、多路径测试等工作。其中，基准站（GPS0）选在远离边坡变形区域，点位稳固的滑坡体外围一幢办公楼楼顶；监测站点（GPS1、GPS2、GPS3）选在边坡坡面位置。

3. GNSS天线安装

观测墩顶上安装的强制对中器顶端加工有5/8英制螺旋以固定GNSS天线，天线柱下端通过螺栓与GNSS天线底座牢固连接，以确保整个天线安装装置与观测墩形成一个整体。

4. GNSS监测站安装

将GNSS天线与监测站连接好之后，连接PWR接口接通电源，需立即查看GNSS监测站各状态信号指示灯情况，检查GNSS天线与监测站的连接情况。

5.调试

通过专用软件对GNSS监测站的各项参数如采集频率、位移基准、数据转发端口等进行设置。

（三）深部位移监测仪

深部位移监测采用GN-1B测斜仪（见表2）对滑坡体内部变形进行监测。

表2 GN-1B测斜仪相关参数

本项目共布置2个测斜孔（CX1、CX2），每个测斜孔位安装3台测斜仪，测斜仪布设于GPS1和GPS2附近的土体中。

1.测斜管安装

先将测斜管装上管底盖，用螺钉或胶固定。测斜管与测斜管之间用管接头连接，测斜管与管接头之间用螺钉固定后涂胶填缝密封。

测斜管在安装中应注意导槽的方向，导槽方向必须与滑坡主滑的方向一致。安装时将装好接头的测斜管依次逐节放入钻孔中，直至连接到设计深度的孔底。

当确认测斜管安装完好后即可进行回填，回填一般用膨润土球或原土砂。回填时每填至3～5m时要进行一次注水，注水是为了使膨润土球或原土砂遇水后与孔壁结合得牢固，以此方法直至孔口。露在地表上的测斜管应注意做好保护，盖上管盖防止物体落入。测斜管地表管口段应浇注混凝土，做成混凝土墩台以保护管口及其转角的稳定性。墩台上应设置测绘标点。

安装完成后的测斜管应先用模拟测斜仪试放，试放时测斜管互成90°的两个导向槽都应从下到上试放到，保证模拟测斜仪在测斜管导槽内能从上到下或从下到上均平稳顺畅通过，以此作为测斜管安装完好的标志。

2.仪器安装

固定测斜仪从生产厂家出厂时为散件包装，安装前首先应检查测斜仪的导向轮是否转动灵活，扭簧是否有力。检查测斜仪部件是否工作正常（以铅垂线为基准倾向高端导向轮一侧读数增大，倾向另一侧读数减小），按设计高程截取连接钢丝绳（设计高程加25cm），并将固定测斜仪用钢丝绳首尾相连，按设计图纸要求的数量组装成一个个测量单元。吊装是按一个个测量单元的顺序放入测斜管内（图5），每个测量单元之间用钢丝绳连接，连接务必牢靠，各个测量单元的所有导向轮方向必须一致。

如在测孔内只安装一套仪器，只需把固定测斜仪头部与钢丝绳连接即可。在安装时要根据被测体需要观测的位移方向，先将测杆导轮的正方向(高轮方向)对准测斜管的测量平面的主方向，缓缓滑入测管内，理顺仪器电缆，每放一段深度用自锁扎带把电缆同吊装钢丝绳缠在一起，不要扎在固定测斜仪的部件上。当放到设计高程后把最后吊装钢丝绳固定在孔口装置的横轴上用锁扣锁紧，将电缆按设计走向埋设。

图5 安装测斜仪器

图6 监测系统组成示意图

需要注意的是每套固定测斜仪要按顺序作好编号记录，所有电缆要松弛不能拉紧。下放完成后应核查仪器高程是否准确，并拉动吊装钢丝绳用读数仪检查每支测斜仪的工作是否正常，随后记录稳定的初始读数。

（四）供电系统

供电系统需根据监测点现场情况及为以后推广此监测方式考虑（许多地质灾害点难以提供市电）。本次在监控中心采用市电供电方式，现场监测设备用太阳能供电方式，通过调整太阳板功率和蓄电池容量，来保证阴雨天气下的不间断供电时间。按照100W太阳板和100Ah蓄电池，保证阴雨天气下可满足所供设备工作8天。

（五）通信系统

基于监测区域复杂的地形环境，同时尽量不对现有景区建设造成破坏，监测系统的数据传输宜采用GPRS无线通信技术。利用无线通信技术进行网络数据传输，具有安装方便、移动简单等特点。

数据监测系统的组成

滑坡监测系统主要由传感器组、现场主控单元和数据监控中心三级组成（图6）。

（一）传感器组

传感器组布设于滑坡地质灾害监测现场，负责各类参数的测量，并将数据传送给现场主控单元。传感器组是监测系统的主要测量单元，包括深部位移监测系统、地表位移计、土壤含水率等监测仪器。

（二）现场主控单元

现场主控单元也布设于滑坡地质灾害监测现场，包括数据采集传输单元、电源管理单元和防雷单元，是现场监测仪器的管理中心，控制各传感器的工作模式和工作状态，对传感器组上传的各类参数进行采集、处理、存储，并通过GPRS或短信实现与数据监控中心的数据交互。

（三）数据监控中心

数据监控中心是系统的数据中心和控制中心，控制整个系统的工作模式和工作状态，接收现场主控单元上传的数据，进行数据管理、处理、分析、预警管理、显示输出和网络发布；是系统的人机交互接口，接收用户的控制指令，可以进行数据查询、数据处理和数据分析，同时通过现场主控单元实现对现场仪器设备工作方式的控制。

结语

105国道湖光山庄段地处非地震易发区，大气降水是产生或加剧边坡变形的主要因素，因此，该段滑坡专业监测加入了雨量监测，同时结合地表位移监测、深部位移监测等监测手段实现多角度全方位监测，达到灾害链综合监测的目的。同时，全时监控管理，实现了从人工观测到现代监测技术应用的转变，有利于地质灾害风险早期识别的专业化。此外，综合监测手段运用GNSS技术从地表的“几何形态和形变”方面揭示灾害体的形态与位移变化特征，结合地面观测和物理模型，对数据进行管理、处理、分析，设置预警域值能实现通过GPRS或短信向指定系统发送预警信息，大大提高了监测预警预报的准确性和时效性。

灾害链综合监测、风险早期识别和预报预警能力是地质灾害隐患专业监测的关键所在，105国道湖光山庄段滑坡采用基于GNSS的综合专业监测手段进行专业监测是滑坡地质灾害监测领域的一个新尝试，效果良好，对同类地质灾害防治监控具有一定的参考意义。