基于GNSS技术对滑坡体稳定性试验研究★

赵智辉，杨金虎

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400050)

0 引言

针对滑坡预警监测,目前多采用倾角方式进行采集,本次针对六盘水吉源煤矿上方滑坡体顶部地表沉降采用北斗/GNSS监测手段进行监测。传统的倾角监测法需要在滑坡体出现大面积倾斜状态下发生预警和可以采集到监测数据,但滑坡体发生滑坡前顶部多会提前发生沉降变形[1-10],在滑坡前对于滑坡体顶部的地表沉降监测对滑坡体的滑坡预警有重要的指导作用。目前,对于GNSS的监测手段研究较多,主要是GNSS的技术改良和升级方面。刘子奇等学者指出[11],提出固定基线约束的低成本GNSS测向方法。该方法利用双天线间固定基线约束信息,基于几何基线后验方差-协方差信息构建实时动态检验阈值,可有效增加整周模糊度解算成功率,从而提升低成本GNSS测向的精度与可靠性。李岚等学者[12]利用高精度组合导航设备提供动态参考基准实现伪距误差精确提取,通过分析不同城市场景下的GNSS信号特征与影响因素,建立了分场景随机模型,提高城市复杂场景下的GNSS定位性能。严颂华等学者[13]在针对实际公路边坡进行形变监测,分析了卫星运动和反射信号接收天线位置偏移两种因素对形变反演精度的影响,提出一种同时适用于中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星运动和地球同步轨道卫星微小位置偏差的校正方法;进行了接收天线位置偏移情况下的形变监测实验。景策[14]为解决GNSS信号在环境遮挡、多路径误差等影响下监测精度不可靠的问题,基于Huber选权迭代法,将方差膨胀思想引入GNSS/加速度计融合滤波算法中,从随机模型角度对GNSS异常值的量测噪声进行自适应调整,降低GNSS异常观测对Kalman滤波量测更新的影响,提高GNSS/加速度计融合变形监测结果的可靠性。穆佳等学者[15]利用稀疏贝叶斯学习实现对干扰信号的重建,进一步从接收信号中剔除重建的干扰信号,得到干扰抑制后的导航信号。仿真结果表明:该方法能够有效抑制导航信号中的干扰,提升导航信号的质量,在欠采样情况下该方法仍然具有较好的干扰抑制性能。上述研究中对于GNSS监测技术的研究主要集中于GNSS本身产品升级上,而对于GNSS技术的现场应用方面研究较少,在实际现场GNSS的应用厂家对于GNSS的技术升级改造具有重要的意义,而且现有的滑坡监测方面多采用倾角仪器进行现场采集和监测。

因此,基于GNSS技术对煤矿上方滑坡体稳定性现场试验研究,以煤矿上方滑坡自动化监测工程为背景,提出北斗/GNSS技术对滑坡稳定性现场试验的可行性研究方案。通过现场GNSS监测数据对滑坡体的稳定性进行研究。详细分析了整个滑坡体的变化规律后,证明目前地表处于基本稳定状态,同时发现通过GNSS技术可以用来监测滑坡体顶部稳定性。

1 地质环境特征调查

该滑坡体属于珠江水系北盘江上游巴郎河支流流域范围内,区内无河流及其他地表水体,但季节性溪沟发育,呈树枝状展布,且多为雨源型溪沟,沟水流量受季节性控制明显,雨季流量较大,枯季流量小甚至干涸,动态变化显著,主要受大气降水的控制。区内出露地层主要为上二叠统龙潭组、下三叠统及第四系地层,形成陡岩、陡斜坡及缓坡等地形,植被较发育。地层岩性多为泥岩、粉砂泥岩、泥质粉砂岩、灰岩、泥质灰岩等,大气降水通过基岩节理裂隙渗入地下。

位于云贵高原中部,区域内地形复杂,高山峻岭及冲沟纵横展布,沟谷纵横,断崖绝壁。地形地貌主要受岩性及地质构造控制,沿煤系地层形成主要沟谷凹地,煤系上覆、下伏地层及地质构造对沟谷起伏有控制作用。区内总体地势北西高南东低,山脉呈北西、南东向展布,三叠系中下统嘉陵江组灰岩常形成陡崖,其下之飞仙关组砂泥岩则形成沟脊相间的陡斜坡,煤系地层处于下部缓坡地带。地形起伏变化大,地形坡度在10°～85°之间,一般多在20°～50°,局部达60°～85°。斜坡中上部植被较发育,下部平缓处多为耕地和经果林地。区内海拔高程一般为1 450 m～2 150 m,相对高差约700 m,最低点位于矿区南部8号拐点附近,海拔高程为1 400 m,最高点位于矿区北部的二官麻窝附近,海拔高程为2 212 m。地形地貌复杂,如图1所示。

该区内出露的地层有:二叠系阳新统至乐平统峨嵋山玄武岩组(P2-3em)、二叠系乐平统龙潭组(P3l)、三叠系下统飞仙关组(T1f)、三叠系中下统嘉陵江组(T1-2j)及第四系(Q);除第四系坡积冲积层与下伏地层呈不整合外,其余地层皆呈整合的连续接触。构造处于羌塘-扬子-华南板块(Ⅳ)扬子陆块(Ⅳ-4)上扬子地块(Ⅳ-4-1)威宁隆起区(Ⅳ-4-1-1)与六盘水裂陷槽(Ⅳ-4-1-2)之间,水城断裂带与布坑底背斜之内,格目底向斜南东仰起端。主要受格目底向斜控制。矿区地层倾向290°～330°,倾角变化较大,从向斜翼部向轴部逐渐变缓,一般在10°～30°,整体呈单斜构造,区内次一级褶皱、挠曲和断裂在平面上构成“入”字形构造,在剖面上形成迭瓦状构造。矿区构造以F30断层为界,F30断层北西侧(上盘)经钻探和采掘工程验证断层发育稀少,有一定的起伏和小断裂,构造复杂程度为中等;F30断层东南侧(下盘)一系列北东向倾没的紧密不对称褶皱与地层走向斜交(或一致)的北东向平移逆断层组构成,剖面上呈迭瓦状,平面上呈“入”字形的构造形态。区内共有落差大于30 m的断层22条,其中逆断层15条,正断层7条,主要集中在矿区的南部。根据断层性质,可分为逆断层和正断层两组。根据区内地下水赋存的地层岩性、含水介质特征和地下水动力条件,区内地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和松散岩类孔隙水三类。

2 现场试验研究

2.1 现场GNSS安装和布设

对于该滑坡体特征,采用无人机技术进行普查,并根据普查结果,提出了采用GNSS技术对滑坡体顶部沉降进行监测和预警,GNSS站址选择在基础坚实稳固,易于长期保存,并利于安全作业的地方且距易产生多路径效应的地物(如高大建筑物、树木、水体、海滩和易积水地带等)的距离大于200 m。距电磁干扰区(如微波站、无线电发射台、高压线穿越地带等)的距离大于200 m;与高压输电线、微波通道的距离大于100 m。避开易产生震动的地带(如距铁路200 m,距繁忙公路50 m以内或其他受剧烈震动的地点);站址应该有利于方便架设市电线路或具有可靠的电力供应,并方便接入公共通讯网络或专用的通讯网络,具体现场和铺设如图2所示,设备安装现场如图3所示,本次安装采用太阳能供电方式,可以保障现场的用电可实用性和可操作性。

高精度GNSS接收机是针对于地质灾害监测研发的高精度GNSS接收机,其支持北斗,GPS,GLONASS,伽利略全星座全频点,可以提供稳定的高质量原始观测量输出以及毫米级高精度定位服务,该产品采用一体式模具封装,将GNSS天线与主机融为一体,便于安装调试,简化安装工艺,减少了天线罩、设备箱的使用。内置嵌入式Linux操作系统,稳定性强,具备内置的蓝牙、GNSS/4G天线以及可扩展NB-loT,Lora,功能强大。整机采用低功耗设计,发热量小,适合长时间恶劣环境下连续工作的需求。广泛适用于滑坡、崩塌、边坡、沉降塌陷、路基监测、大坝安全等高精度形变监测应用领域。可同时接收多系统多频率信号,全面支持北斗三号卫星新信号体制、支持RTCM3.x原始观测量输出、毫米级GNSS解算精度、支持RTK算法、内置加速度+倾角传感器以及支持4G通信、低功耗等。

2.2 雨量监测数据分析

通过现场雨量计监测结果分析,本年度7月中旬到10月中旬为该地区降雨量较大,最大日累计降雨量可达62.4 mm(见图4),该时间段定义为汛期。10月中旬到6月,日最大降雨量为5.6 mm,定义该时间段为非汛期。

2.3 GNSS监测数据分析

从图5中可以看出,滑坡顶部土体沉降值基本上随时间的推进而增加,但后期逐渐处于稳定状态,随着时间的增加,基本保持不变。累计日变化量最大可到1.59 mm/d,切向角57.9°,根据预警模型属于长期未预警状态;监测沉降值最大可到6 mm,累计日变化量最大可到0.03 mm/d,切向角9.1°,根据预警模型属于未预警状态。这是由于前期安装设备施工的影响,造成土体不稳定,后期随着安装部位土体稳定,基本保持不变,后期监测的变化数据为真正的滑坡体上方地表沉降数据,从监测数据可以得出,该滑坡体上方岩土,目前处于较稳定性状态。也间接证明采用GNSS对滑坡体上方地表沉降具有重要作用,证明该监测方案的可行性。

2.4 裂缝计监测数据分析

从图6中可以看出,裂缝为主目前处于稳定状态,监测数据在误差范围内进行波动,滑坡体处于稳定状态,裂缝宽度值基本保持不变。通过与GNSS监测数值进行对比分析,可以再次验证本滑坡体目前处于稳定状态,也客观地验证了通过GNSS监测滑坡体顶部土体沉降作用明显。

2.5 倾角计监测数据分析

从图7可看出,倾角数据处于平稳状态,但通过经验总结,倾角计监测滑坡体滑坡具有局限性,给滑坡发生提前预警反应时间较短。滑坡体只采用表面位移(倾斜)的监测方式,不能过早地监测到滑坡体内部变化趋势,从而不能过早地发现异常情况,进而提前达到预警预报作用。降雨造成滑坡的主要原因是,随着降雨程度和时间的累计,降雨一方面会降低滑坡体的安全系数,基质吸力下降,另一方面含水率的增大软化了土体,土体颗粒间摩擦系数减小,从而造成滑坡体抗滑力下降,最终打破原有平衡从而失稳,发生滑坡。所以滑坡体滑坡预警监测需要多传感器多深度进行监测分析,从而达到真正预警状态。

3 结论

1)通过采用北斗/GNSS方式对滑坡体上方进行可持续性监测,证明该滑坡体目前处于较稳定性状态。

2)证明采用北斗/GNSS方式可以对滑坡体上方地表沉降进行监测预警,该方式可靠。

3)根据裂缝计监测数据,可得出目前滑坡体处于稳定状态。

4)先对地质条件进行调查,然后对滑坡体的稳定性状态进行现场监测研制,证明了该滑坡体目前处于较稳定性状态,对今后的管幕预筑法顶管工程有一定的指导意义。