基于普适型仪器的崩塌监测预警初探——以珠海市高新区两处崩塌为例

江 宁，江 山，刘 佳

（广东省珠海工程勘察院，广东 珠海 519000）

近年来，随着珠海市经济社会的快速发展，人类工程活动日趋强烈，崩塌、滑坡等地质灾害呈现加剧趋势，严重危害人民群众生命财产安全和社会经济可持续发展。《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》[2011]20号中明确将“以人为本”的理念贯穿于地质灾害防治工作各个环节，以保护人民群众生命财产安全为根本，以建立健全地质灾害调查评价体系、监测预警体系、防治体系、应急体系为核心，全面提高地质灾害防治水平。

随着近年来科学技术的突飞猛进，尤其是现代遥感技术、无线通讯技术以及各种感知技术的不断涌现，地质灾害隐患早期识别与监测预警已成为主动防控地质灾害的重要手段（许强等，2019）。尤其在监测预警工作方面，历经群测群防、专业监测等发展阶段，防灾减灾成效显著。按照《中国地质调查局地质灾害监测预警普适型仪器设备示范试用工作方案（2020 年3月）》的要求，在珠海市高新区2处地质灾害点开展基于普适型仪器的专业监测预警系统建设工作。

1 建设选点

本次建设选点按照“危险性、代表性、可行性”的三原则，根据珠海市地质灾害隐患点分布、规模、危险性和危害程度、治理难易程度以及交通、通信等基础条件，通过比选分析论证，选定在珠海高新区鸡山村凤阳里2处崩塌灾害点建立基于普适型仪器的地质灾害专业监测站。

1.1 工作区地质环境条件

珠海市地处珠江三角洲，地貌类型以平原和低山丘陵为主，沟谷发育，汇水条件优越，以西江、泥湾门、鸡啼门、虎跳门水道为主流，支流密布，地形较破碎。又因珠海市常年遭受西太平洋和南海台风的影响，区内岩土体风化程度强烈，受雨水侵蚀严重，坡面岩土体结构较疏松，靠近人类聚集区的斜坡，受人类工程活动影响较大，坡度陡峭，陡崖式人工边坡分布较为普遍，为崩塌、滑坡等地质灾害的形成提供了条件。

1.2 监测预警建设选点

高新区鸡山村边坡地处丘陵地区，因山脚开挖形成陡峭的人工边坡，坡面岩土体裸露，降雨时边坡坡面以地表径流为主，坡面面流对边坡有较大的冲刷作用，有可能发生土质崩塌。如果变形得不到监控，将会导致严重的后果，影响边坡下方人民生命财产安全。这两处灾害点均符合“危险性、代表性、可行性”的选点原则。

1.2.1 鸡山村凤阳里78号对面边坡

该边坡位于凤凰山山体北东侧，地貌单元属于构造剥蚀低丘陵区，地层岩性上部以残坡积土层和全风化花岗岩为主，下部为晚侏罗世燕山三期花岗岩。该处因修建住宅开挖坡脚，形成了高约15m，坡脚线长约35m，坡度30°～70°的人工土质边坡。

因坡度较陡，又经历雨水冲刷，坡面中上部曾发生了一次土质崩塌。目前该边坡崩塌后壁处坡度近乎垂直，整体坡度较陡，在持续降雨条件下，边坡浅表层残坡积土和全风化花岗岩易发生土体饱和，可能会再次引发小型浅层崩塌，坡脚有多栋村民住宅楼，危险性较大。

本次监测主要针对崩塌区变形、地表位移、土壤含水率和降雨量展开，布设2台多功能智能监测仪（含蜂鸣报警功能）、1台土壤含水率监测仪（3个探头，埋深分别为0.6m、0.9m 和1.5m）、1 套翻斗式雨量计和1 套高清视频监控仪（布设详情见图1）。这一方案的实施，将对崩塌监测体的裂缝变形、地表位移、土壤含水率和降雨量情况进行实时监控，从而对崩塌的变形及相关因素进行监控。

1.2.2 鸡山村凤阳里100号南侧边坡

该边坡邻近鸡山村凤阳里78 号对面边坡，位于凤凰山山体北东侧，地貌单元属于构造剥蚀低丘陵区，地层岩性上部以残坡积土层为主，下部为晚侏罗世燕山三期花岗岩，植被稀少，基岩裸露，冲沟发育，部分地区水土流失严重。

因早年修建住宅开挖坡脚，形成了高约8m，坡度约60°～80°的人工土质边坡，坡体上部残坡积土层和全风化花岗岩在雨水冲刷作用下发生了局部崩塌（2018年发生）。该处崩塌点宽约18.5m，长约4.6m，平均厚度约1.5m，总崩塌方量约130m3。该点在台风强降雨等影响下有再次发生崩塌的可能。由于坡脚分布有多栋村民住宅楼，一旦发生崩塌将严重威胁到坡脚居民的生命财产安全。

针对该边坡坡度陡、威胁群众多的特点，布设2 台多功能智能监测仪，1台土壤含水率监测仪和1套高清视频监控仪（布设详情见图2）。

2 监测系统建设

高新区2 处崩塌监测预警系统是以崩塌地质灾害防治理论和技术作为科学支撑，依据规范和其他优质工程案例，利用大数据、云计算、无线传感器、智能控制等新技术，根据监测体实际发育情况、机理分析、理论计算和安全性综合评估开展建设工作。

2.1 监测仪器的选择与布设

根据《地质灾害专群结合监测预警技术指南（试行）》的相关指引，本次监测工作选用的仪器有多功能智能监测仪、雨量计、土壤水分传感器等（表1），主要传感器的技术参数及技术特征如下：

表1 2处崩塌监测设施表

多功能智能监测仪：集温度传感器、倾角传感器、加速度传感器、拉线传感器、蜂鸣报警等多种传感器于一体，并配置GPS/北斗定位模块进行多种监测数据采集、传输、存储于一体的智能化监测仪器。能实现加速度、方向位移、方位角、裂缝长度、位置信息的上报，同时具有蜂鸣报警功能。①加速度量程：-1g～+1g；②崩塌加速度分辨率：10mg；③倾角测量精度：0.1°；④拉线测量精度：0.1mm；⑤方向位移精度：≥5mm/s2；⑥温度测量精度：0.25℃；⑦工作温度：-25℃～85℃；⑧相对湿度：0%～99%；⑨防护等级：IP67。

翻斗式雨量计：①最大瞬时雨量：8mm/min；②测量准确度：≤±1%；③工作环境温度：-10℃～50℃；④工作环境湿度：＜95%（40℃）；⑤发讯方式：干簧管通、断信号输出。

土壤水分传感器：①土壤水分量程：0～100%(m3/m3)；②土壤温度量程：-40℃～125℃；③水分输出：0～1200mV DC或4～20mA；④水分测量精度：±1%；⑤响应时间：＜1s；⑥温度测量精度：±0.5℃（AT25℃）。

2.2 数据采集与传输

2.2.1 数据采集

数据采集系统的主要功能是完成信号的A/D转换（模/数转换）、数据预处理、数据压缩和数据发送等。数据采集仪将传感器的输出的模拟信号（如电压、电流等）转换为数字量，便于进行后续处理。同时进一步对数字信号分析计算，得到所需的相关信息，如结构的应变等。

本次监测工作中，降雨量和位移加速度、三轴倾斜、裂缝开合度数据的采集采用增量触发工作机制；土壤含水率数据采集采用定时上报工作机制；视频数据可实时传输，监测云平台可远程控制。

2.2.2 数据传输

监测系统的传感器使用有线或无线传感器的方式，数据通过电缆和无线网络在传感器和数据采集系统之间实现第一级数据传输；进入数据采集系统的数据通过NB-lot及4G网络等无线传感网络形式与软件平台之间实现第二级数据传输。

一台数采仪可连接多个同类型的传感器（比如振弦式传感器）由数据采集系统存储入数据库，并将各信号通道进行标识；通过有线（RS485）的模数值自动采集方式与监测设备通信，然后以GPRS 远程通信或者以太网口的形式与数据中心平台交互。由数字化平台对数据进行异常分析，对由于环境等外界原因引起的异常数据进行判别，自动激发重新采集数据等操作。数据确认无异常后由数字化平台进行抽取分类，按照各数据采集系统的标识情况存入相应数据库，由数字化监测管理系统实时调用，真正实现全天候24h自动实时监测。

3 监测预警运行

自2020 年4 月2 处监测点现场施工完成并经调试上线后，监测系统运行状况良好，中心平台取得了较丰富的监测数据。本文以2020年4～11月的监测数据作为成果资料进行分析。

3.1 监测数据分析

本文选取了2020 年4～11 月的雨量计、多功能智能监测仪的裂缝（变形）监测和地表倾斜监测数据进行分析。从图3 可以看出，鸡山村凤阳里崩塌监测体03号多功能智能监测仪的裂缝监测数据与日降雨量之间存在明显的相关性。在2020 年5月20 日、8月6日和8月19日强降雨前后，03号多功能智能监测仪均捕捉到了裂缝开合度的明显变化。利用Excel 的CORREL(exp1，exp2)函数可以得到2020 年4～11 月的单日降雨量与监测体裂缝开合度的相关系数高达0.91，表明两者之间的强正相关性，即地表裂缝的扩大与强降雨过程密切相关。

4～11月涵盖了珠海市一个完整的汛期，从裂缝开合度和倾角数据可以看出，监测裂缝在经历一个汛期后持续张开扩大，开合度增大了1.31mm；三轴倾斜数据在0°～1°间经历了小幅度波动后趋于稳定（详见图4），倾角变化量约为0.6°，这说明监测体结构面略微松动，但整体的稳定性尚未被破坏。

综合宏观变形迹象分析，这2处崩塌监测体正处于平缓变形阶段，近期暂不至于发生大规模的崩塌现象，但仍需严密监控降雨情况和监测体变形情况，随时掌握分析崩塌监测体的稳定性状况。

3.2 崩塌预警初探

大量已发地质灾害实例表明，影响崩塌危岩体稳定性的因素很多，尤其大多数崩塌具有条件恶劣性、空间随机性和时间突发性，更增加了监测预警的难度。监测预警的关键就是从众多崩塌监测数据中筛选出崩塌进入加速变形破坏前具有预警意义的指标，通过各个指标的定性描述和定量分析，进而做出不同级别的灾害预警（韩建超，2020）。

3.2.1 预警指标及判据

由于珠海市普适型仪器监测预警工作尚处于起步阶段，缺少崩塌灾害点监测预警案例及室内重现模拟研究，现阶段预警判据主要是基于国内崩塌预警理论、地区经验和实际监测成果资料设置预警阈值。本次预警判据综合降雨指标、土壤含水率指标、倾角指标和裂缝开合度指标进行合理的预警预判（详见表2）。

表2 2处崩塌预警判据表

3.2.2 预警响应

崩塌监测预警系统通过近一年的运行，共触发了22次预警，其中触发橙色预警9次，黄色预警11次，蓝色预警2次，由降雨指标和土壤含水率指标触发预警19次，由倾角指标触发预警3次。达到预设预警阈值时，系统自动生成预警信息，并通过数据中心平台、短信及现场声光装置向相关负责人以及现场施工人员及时发送。通过现场调查走访，暂未发现2处崩塌监测体有明显失稳的特征，但仍需对雨晴和变形情况实施严密监控。

4 结论

（1）通过建设高新区2 处崩塌监测系统，能够实时掌握崩塌监测体的变形情况、土壤含水率和降雨量等相关因素和宏观前兆的状况，实现了对崩塌监测体动向的实时监控。

（2）普适型仪器技术集成度高，可靠性好，简便易用，应用低功耗局域网、窄带物联网等传输技术，实现了低功耗与稳定通信，具备大量普及应用的条件。

（3）2 处基于普适型仪器监测预警系统的建设，可以为珠海市地质灾害监测事业的发展提供一个可供参考的方案。

（4）监测成果表明，鸡山村凤阳里78号对面边坡和100号南侧边坡正处于平缓变形阶段，且变形情况与降雨量存在明显的相关性。