GNSS技术在地震灾区滑边坡变形监测中的应用
[宁德怀1 
, 董燕1, * , 柳志云2 , 刘艳1 ]
, 董燕, 柳志云引用本文
宁德怀, 董燕, 柳志云, 刘艳. GNSS技术在地震灾区滑边坡变形监测中的应用[J]. 浙江农业科学, 2017,(3):514-517 
Permissions
Copyright©2017, 《浙江农业科学》编辑部
《浙江农业科学》编辑部 所有
GNSS技术在地震灾区滑边坡变形监测中的应用
作者简介:宁德怀(1987—),男,云南宣威人,助理工程师,硕士,研究方向为地理信息技术与开发应用,E-mail:584059501@qq.com。
摘要
地震会导致大量的滑坡出现,滑坡边坡失稳会导致重大的次生灾害发生。利用GNSS技术在鲁甸地震灾区红石岩段滑坡右岸表面建立自动化监测系统,布设6套监测点,通过对数据的采集处理,对数据的坐标变形量及精度进行解算,提取出监测点的三维坐标变形量,作累计位移统计,绘制位移变化过程线,分析滑坡体表面的垂直位移和水平位移变化规律,并结合人工测缝和自动测缝实测资料以及滑坡变形监测技术要求,对滑坡体表面进行监测和分析,得出该滑坡山体稳定、没有明显趋向性变形的结论。
关键词:
滑坡监测; GNSS; 位移统计; 变形分析
中图分类号:P228.4
文献标志码:B
文章编号:0528-9017(2017)03-0514-04
doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20170347
在我国, 每逢地震发生, 都会伴随大量的山体滑坡发生。滑坡体在自身重力及雨水产生的水压力等内、外因素作用下, 会使土体向某个方向发生变形并向下滑动。滑坡被认为是仅次于地震的第二大地质灾害[1], 造成的经济损失往往不可估量, 严重威胁人们的生命财产安全。滑坡与其他自然灾害一样, 有其特殊的分布和演化规律[2]。因此, 如何对滑坡区域进行科学有效、准确及时的分析与预测就变得相当重要, 也具有非常重要的研究价值。
1 研究背景
2014年8月, 鲁甸发生6.5级强震。灾区地处云南高山区域, 地壳活动活跃, 地质结构复杂, 特殊的地理环境导致该区域地震频发。此次地震伴随大量降雨, 在地震力及强降雨渗透等因素的共同作用下, 牛栏江干流红石岩河段两岸土体的摩擦力减小, 抗剪强度降低, 加之重力的作用, 造成滑坡体失稳, 导致大量山体滑坡、泥石流等自然灾害的发生。在了解灾区地形地貌、地质结构条件及附近相关水利设施工程布置地点后, 通过现场踏勘得知, 右岸滑坡多以碎石块为主, 主要为弱风化灰岩。据统计, 两岸滑坡总方量约1 200万m3。强震后通常会伴随余震, 加之右岸滑坡碎石块较粗, 块径30 cm以上的约占45%, 如果发生次生灾害, 后果不堪设想。为了避免重大次生灾害事故的发生, 以免牛栏江干流堰塞湖溃坝威胁救援人员的生命安全, 特采用GNSS自动化监测系统实时动态地监测滑坡区域的三维空间位置变化。
2 滑坡变形监测的方法
滑坡变形监测主要采用简易观测法、设站观测法、仪表观测法和远程监测法等[3]。其中, 属于远程监测法的GNSS技术在灾后变形监测领域应用广泛。GNSS技术是全球导航定位系统的简称, 主要指中国的北斗导航定位系统(BDS)、美国的GPS、俄罗斯的GLONSSS和欧洲的Galileo[4]。GNSS技术可直接获得监测点的三维坐标变形量和同一滑坡面上两点间的基线数据, 能更准确全面地统计位移变形值。各种滑坡变形监测方法的优缺点详见表1。
 | 表1 滑坡变形监测方法的优缺点比较 |
3 GNSS技术在本案例监测中的技术要求
应用GNSS技术监测滑坡体的三维变形量, 通常包括布设监测网、数据采集、数据处理和分析等3个阶段。在本次监测工作中, 由于已滑区域极度不稳定, 所以将基准点和工作点埋设在滑坡区域以外的显著特征点上。为了便于分析和研究滑坡走势, 特将Y轴方向与滑坡总体位移方向基本保持一致。同时, GNSS监测点在贯通性裂缝与山崖线间均匀布设观测墩, 避开树林茂密区, 具有良好的天空观测环境。
3.1 监测项目的范围和内容
震区地质灾害破坏严重, 范围较广, 只能先对重点部位, 即红石岩滑坡段左右岸边坡和库区的珍珠泉滑坡区域进行监测。鲁甸县地处高山区, 监测区域地势陡峭, 坡度在70° ~90° [5], 某些地方还有倒悬的土石体, 是一个非常危险的落石地段, 利用常规的全站仪是不可能布设仪器监测的, 本研究主要利用右岸布设的6个GNSS测点(图1)。此外, 在有代表性的裂缝处布设12支自动测缝计, 用以统计分析裂缝的发展趋势。
 | 图1 滑坡体表面监测点的布置 |
3.2 仪器的选择和实施措施
地震后常会产生余震和强降雨, 滑坡区域本身就处于不稳定状态, 不稳定因素很强。为了保证相关仪器设备的安全, 仪器的选择应尽可能轻量化、自动化、一体化, 以便有危险发生时能快速撤离作业现场。作业现场岩体松散, 交通不便, 危险系数大; 为了保证施测人员的安全, 所有人必须穿戴安全防护装备, 并设专门的安全员瞭望。
3.3 监测频次
监测过程中, 自动测缝计采集数据周期固定为1 h。GNSS变形监测采集频次为1 Hz, 实采实发, 测值解算时间根据现场情况采用2、4、6、24 h间隔测值。
3.4 精度要求
依据《工程测量规范》《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》等相应的标准、规范和规程, 滑坡监测点的精度要求如下:刚性岩质, 水平位移点中误差不超过6 mm, 垂直沉降高程中误差不超过3 mm, 地表面裂缝观测中误差不超过0.5 mm; 松软土质, 水平位移点中误差不超过12 mm, 垂直沉降高程中误差不超过10 mm, 地表面裂缝观测中误差不超过5 mm。
4 滑坡变形监测数据的应用分析
4.1 测缝计缝宽变形统计分析
鉴于订购仪器未能及时运达现场, 在正式监测前, 为了尽快取得第一手现势性数据, 特于右岸布设9组简易测缝标志, 实行人工测缝, 结果如图2所示。如图3所示, 自动测缝所对应Ⅰ 期数据为2014年11月28日累计缝宽值, Ⅱ 期数据为2014年12月5日累计缝宽值, 累计缝宽精确至0.1 mm。
 | 图2 人工测缝宽度统计结果 |
 | 图3 自动测缝宽度统计结果 |
由图2可知, 自2014年8月24日至9月15日, 在近20 d的时间里, 右岸最具代表性的贯通性裂缝累计变化量几乎为0。这说明裂缝没有出现明显开合, 裂缝两边相对比较稳定。
由图3分析可得, 自2014年11月28日至12月5日的一周时间内, 12组裂缝宽度的周变化量均小于1 mm。累计缝宽较大的是JL-01号测点和JL-03号测点, 累计缝宽值分别为5.34和2.82 mm。JL-05号测点和JL-06号测点分别减小2.15和2.09 mm。由此可见, 自开始监测到12月5日, 裂缝开合度变化很小, 没有明显变化趋势, 裂缝两边相对稳定。
4.2 GNSS滑坡监测点变形分析
采用HGO软件, 引用10 d的数据进行解算, HSYR-06的坐标变形量和精度见表2。测点累计位移统计见表3。其中, X轴以牛栏江上游为正, 从HSYR-01号点指向HSYR-06号点方向。为了便于分析滑坡走向趋势, 特将Y轴方向指向对岸左岸为正, H轴垂直于X、Y轴组成的平面, 为竖向。
| 表2 HSYR-06坐标变形量和精度 |
| 表3 GNSS测点累计位移统计结果 |
由表3分析可知, 周变化量在X向上最大为HSYR-05测点, 3.8 mm, 最小为HSYR-01测点, -1.3 mm; Y向最大为HSYR-01测点, 8.4 mm, 最小为HSYR-04测点, -3.3 mm; H向最大为HSYR-05测点, 17.0 mm, 最小为HSYR-01测点, 0.5 mm。在周变化速率方面:水平位移变形最快的是HSYR-01测点, 达1.2 mm· d-1; 垂直方向变化速率最快的是HSYR-05测点, 达2.4 mm· d-1。但从总体趋势上看, 所有测点的变化速率均在可控范围内, 看不出较大的变形趋势。这说明在监测时段内, 滑坡区域边坡趋于稳定。
结合表2~3分析得知, 滑坡区域右岸边坡GNSS测点未出现异常变形。值得一提的是, GNSS技术在竖直位移分量上采集的数据精度一般较低, 要比X、Y分量的精度低1倍左右; 所以, 如果考虑这个因素, 那么对于测点HSYR-05和HSYR-06, 其竖直方向的沉降值完全在稳定范围内, 认为地面沉降没有明显变形, 滑坡边坡区域稳定。
HSYR-01和HSYR-06的三维位移变化过程线见图4~5, 其中竖向的变形值可取一半左右作为参考。先将每天所采集的数据在三维分量上分别求平均值, 然后再绘制GNSS监测点三维方向的“ 时间— 位移” 变形过程线。也就是说, 将每个测点所采集的数据统计为一天一个三维坐标变形值, 再绘制变形曲线图。
 | 图4 HSYR-01位移变化过程线 |
 | 图5 HSYR-06位移变化过程线 |
由图4及数据统计分析可知, 自2014年9月始至监测期结束期间, GNSS监测点HSYR-01在X向的最大变形值为22.61 mm, 最终累计变形值为-16.45 mm, 在Y向的最大变形值为14.24 mm, 最终累计变形值为6.5 mm, 在H向的最大变形值为31.6 mm, 最终累计变形值为8 mm。这说明, HSYR-01测点在连续8个月的监测过程中, 变形值虽稍大, 但监测点没有明显变形趋势, HSYR-01号测点在观测时段内趋于稳定。
由图5及数据统计分析可知, GNSS监测点HSYR-02、HSYR-03、HSYR-04、HSYR-05、HSYR-06均未出现异常变形, 除HSYR-05和HSYR-06在竖向上有所偏大, 三维方向上的其他最终累计变形值均在10 mm以内, GNSS测点的平面位移较小, 没有明显的变形趋势, 滑坡表面在观测时段内稳定。
5 小结
通过鲁甸地震灾区滑边坡监测的实例, 验证了GNSS技术完全适用于在地形条件复杂的山区做滑坡变形监测。监测结果表明:GNSS监测点的平面位移变化较小, 没有明显的变形趋势, 滑坡区域表面稳定; GNSS监测的水平位移精度与常规大地测量相当, 完全满足高山区域滑坡变形监测的精度要求; 由于地球表面各种复杂因素的影响, GNSS在高程测量方面存在局限, 高程测量精度可取水平位移分量1倍左右作为参考; GNSS技术能获取较高精度的数据, 具有自动化昼夜连续监测的能力, 适合应用于地震灾区滑、边坡应急监测领域, 具有很好的应用前景。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献:
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
|
| [4] |
|
| [5] |
|