三峡库区万州至巫山段地质灾害监测预警研究
(中国地震局地应力研究所，北京，100085)
为了解决滑坡监测中不确定性高的问题，需要各种类型的监测系统相互配合。系统介绍了三峡库区万州、奉节、巫山等地地质灾害监测预警的研究工作，包括基于3S技术和地面变形监测网的研究区典型区域滑坡监测网，研制的新型无线滑坡遥测网，以及移动测斜仪、激光测距仪等专用设备。根据近年来取得的一些典型监测成果，分析了不同技术和方法在地质灾害监测预警中的有效性。
关键词:3S技术三峡库区滑坡监测预警系统
1简介
1998以来，中国地震局地应力研究所(以下简称地应力所)地质灾害项目组依托国务院三峡建委移民局“三峡工程万州库区GPS滑坡监测示范研究”和科技部“十五”计划“示范区新型高效地质灾害遥测网络技术系统研究”。在重庆市政府和移民局“奉节、巫山高边坡、高挡墙稳定性监测”项目和“利用PSInSAR遥感技术监测三峡库区滑坡、岸坡变形”项目的支持下，在万州、巫山、奉节三地移民局和国土局的配合下，库区地质灾害监测预警系统的研究得到了广泛而深入的开展。监测对象从滑坡、危岩、库岸变形扩展到高挡墙、高边坡、移民建筑地基的稳定性。监控技术体现了多学科的融合。
近年来，项目组在地质调查的基础上，利用3S技术建立了地质灾害地理信息系统。开展全球卫星定位(GPS)滑坡变形监测和多手段仪器监测；它还融合了成熟先进的传感器和测量技术、计算机信息处理技术和通信技术。以GSM/GPRS为通信平台的无线遥测网络可以选择连接不同的传感器，监测地表变形、深部位移、地下水动态、声发射、裂缝变化、降雨，以及库岸、抗滑桩等工程结构的内力和推力。在遥感(RS)技术应用方面，采用国际上新提出的角反射器技术辅助InSAR信号处理，并建立了试验床网络。截至目前，项目组在库区库岸和滑坡的变形监测和灾害预警系统工作中取得了多项阶段性成果。一些典型地区的监测结果为政府减灾决策提供了重要依据。
2 .库区地质灾害监测网设计的指导思想
对库区崩塌滑坡进行监测的主要目的是全面了解和掌握崩塌滑坡的演化过程，及时捕捉崩塌滑坡灾害的特征信息，为崩塌滑坡灾害的正确评估分析、预测和治理提供可靠的数据和科学依据。同时，监测结果也是检验崩塌滑坡分析评价和滑坡治理效果的尺度。
为了实现上述目标，库区地质灾害监测系统的总体设计思路是:
(1)根据不同滑坡的地质结构和变形阶段特征，采用不同的方案和手段进行监测；
(2)鉴于滑坡、崩塌变形破坏过程的高度不确定性，宜采用多种手段对同一滑坡进行监测，形成点、线、面、面、地下相结合的立体监测网络，相互补充、相互制约；
(3)在群测群防工作的基础上，发展常规人工仪器观测和无线自动遥测技术，建立静态和动态监测相结合的监测预警网络，分别服务于地质灾害的长期、中期预测和短期预警。
3 .地质灾害监测方法和技术
根据滑坡和滑坡变形监测的物理量，考虑到变形测量的精度要求和监测工作的效率，结合目前国内外监测技术和方法的发展水平，在实际应用中采用GPS、InSAR、激光测距、流量倾斜和裂缝监测技术测量地表变形，部分地段还采用全站仪、水准测量等传统方法；钻孔测斜仪监控深层位移；孔隙水压力计监测地下水的动态变化；钢筋应力计和锚索(杆)应力计分别用于监测抗滑桩中钢筋、锚索和锚杆的应力变化；同时利用遥测网络技术采集包括地表变形、深部位移、地下水、钢筋计、危岩声发射等多种动态监测数据。下面简要介绍这些方法的特点和应用领域。
3.1 GPS大地网
全球定位系统(GPS)是由美国国防部开发的导航、定位和定时系统。它由24颗卫星组成，等间距分布在6个轨道平面上，高度约为20000公里。地球上任何地方，任何时间，在15的高度角。在上述天空中，至少可以同时观测到四颗或更多的卫星。用户用地面的接收机接收这些卫星发射的信号，测量接收机天线到卫星的距离，就可以计算出接收点的三维坐标。近年来，我国GPS定位技术的开发和应用发展迅速。例如，在长江三峡工程的坝区建立了GPS监测网。实践证明，高性能GPS的水平定位精度可以达到毫米级，完全可以用于崩塌、滑坡的位移监测。
与传统的大地测量方法相比，GPS测量技术应用于滑坡监测具有以下优点:①观测点之间无需通视，选点方便；(2)不受天气条件限制，全天可观测；③可同时确定观测点的三维坐标；④新一代GPS接收机具有操作简单、体积小、功耗低的特点。因此，该方法已广泛应用于滑坡变形监测、施工安全监测和滑坡治理效果监测。但由于监测站建设和数据采集周期长，这种方法很少用于灾害的短期预警。
3.2专用仪表监控网络
在这些测量方法中，许多传统的测量仪器仍被广泛使用，如经纬仪、全站仪、水准仪、钻孔测斜仪等，主要用于各种工程管理项目的施工安全监控。除上述仪器外，我们还从三峡库区的具体环境条件出发，结合地质灾害监测其他方面的需要，研制了便携式测斜仪、移动式激光测距仪等设备，弥补了GPS观测因房屋和山坡的遮挡而不便于测量的不足，从而全面监测位于山谷坡地地形上的库区新城镇滑坡面变形、房屋和地基变形。在一些工程治理后的重点滑坡和变形体中，结合治理效果的监测，还采用了大量的钢筋计和锚杆(索)计来监测抗滑桩的内应力和滑坡推力。
各种移动仪器在地表的观测具有监测参数多、灵敏度高、测量范围大、效率高、成本低、操作简单等特点。因此，这种测量方法适用于滑坡治理施工的安全监测和效果监测，与以往的GPS流动站观测方法相同，也广泛应用于各种地质灾害的中长期监测和预报。
3.3地质灾害无线遥测网络
目前，国外崩塌滑坡监测预警技术已发展到较高水平。一是全自动、多参数监测的遥测网络得到广泛应用；其次，在地质灾害模型预测预警系统方面，利用3S(GPS、GIS和RS)技术开展了地质灾害的空间分析、模型预测和预警系统研究。虽然我国在上述方面还有较大差距，但近年来，铁道部、交通部等一些科研院所和少数矿区已经尝试利用小型遥测台网对滑坡灾害进行监测预报。2002年，中国地震局地壳所在的三峡库区首次建成地质灾害监测预警多参数无线遥测网络。
“RDA地质灾害无线遥感网络”是地壳开发的基于GSM/GPRS技术的新型无线遥感网络。该系统主要由监控分站群、监控预警数据中心和GPRS数据通信公网三部分组成(系统组成见图1)。GPRS是在GSM基础上发展起来的无线分组交换数据承载业务。与GSM/SMS的电路交换数据传输方式相比，GSM/GPRS采用分组交换数据传输方式，提高了传输速率，有效利用了无线网络信道资源，充分实现了移动互联网功能，对于每一个用户始终在线具有明显的优势。
图1 GPRS滑坡无线遥测系统
根据单个滑坡监测的需要，可确定遥测子站的数量，每个遥测子站可选择连接不同的传感器，监测滑坡的地表位移和深部位移，或地表倾角、裂缝变化和降雨量，以及监测护岸、抗滑桩等工程结构的内力和推力。监测预警数据中心系统的软件功能包括接收各地质灾害点遥测子站的数据，数据入库，显示变形趋势曲线，超限自动报警。同时，数据中心站可以向各遥测子站发出指令，改变其工作参数，如数据采样间隔(5分钟、1小时、24小时等。).该系统可以连接到区域监测预警中心的本地计算机网络，支持基于GIS的减灾决策支持系统的运行。市县地质灾害监测指挥中心的电脑屏幕，可以准实时地密切监视滑坡的加速变形趋势，支持库岸和滑坡破坏事件的短临滑坡预报，还可以进行地质灾害事件的现场监测和救援指挥。自2002年我们在万州WJW滑坡建成第一个遥测台网以来，在万州和巫山已有近20个滑坡和塌方被RDA无线遥测台网监测，积累了丰富的数据。地质灾害无线遥感系统主要有以下特点:
(1)监测参数多，精度高。
该系统集成了8种滑坡监测仪器，包括:滑坡地表变形(位移和沉降)、倾斜变形测量仪、裂缝测量仪、滑坡微破裂声发射信号记录仪、地下层滑动变形测斜仪、孔隙水压力测量仪、钢筋测力计、锚索(杆)张力计。这些测量仪器测量精度高，动态范围大。
(2)自动遥测，无人值守
遥测仪器内置微处理器和无线数传模块，动态范围大，可自动监测和无线传输，可采用交流电源或太阳能电池供电。
(3)无障碍设计
研制的仪器满足测量和数据传输的无障碍设计要求，具有安装方便、环境适应性好的优点。
(4)依靠先进的通信技术
这种遥测网络综合运用了最新的GSM/GPRS通信技术，不仅适应三峡库区的地形条件，而且安装维护方便，具有高容量、广覆盖、低成本的特点。
3.4崩塌滑坡应急监测系统
过去，无论是三峡库区还是中国其他地区，发现崩塌滑坡征兆时，往往因为缺乏应急监测手段、未能积累详细数据、错过研究时机而丧失生命。在RDA遥测网络的基础上，我们将通信改为GSM/SMS，即短消息方式，以使系统更适应公共通信网络，设置更简单可靠。这在远程监控环境和紧急监控场合尤为重要。
应急监测系统优化了地表倾角、激光测距和裂缝测量仪等手段。一旦有群众报告或仪器监测显示滑坡体有加速变形的迹象，他们就可以赶到现场，及时安装网络，实施24小时连续监测。它不仅可以有效地避免突发事件的发生，而且为研究滑坡的变形和破坏阶段积累了宝贵的数据。2003年，应万州地方政府要求，公路桥梁应急监测收到良好效果。
3.5合成孔径干涉雷达InSAR测量技术
合成孔径雷达(干涉合成孔径雷达)的缩写。
)测量技术(measurement technology)是利用相邻航路上观测到的同一区域两幅SAR图像的相位差来获取地面数据的测量技术。其主要特点是利用雷达数据中的相位信息。
干涉雷达有很多优点:具有全天候工作能力，发射的微波对地面物体有一定的穿透能力，可以提供光学遥感无法提供的信息，是一种主动工作模式。对于欧洲雷达卫星ERS-1/2和加拿大雷达卫星RADRSAT-1，采用干涉测量法生成DEM监测地面位移变化，精度可达毫米量级。因此，这种技术手段特别适用于监测和预报大规模的滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面沉降等地质灾害，是一种快速、经济的高科技空间探测手段。
三峡地区植被丰富，雨量充沛，地貌差异较大，不利于干扰雷达信号的处理。有人在这方面做过尝试，但没有成功。因此，地壳应力研究所与德国地球科学中心(GFZ)合作，采用新引入的角反射器技术来辅助InSAR信号处理。角反射器(Corner reflector)是一种由三块有角的金属板制成的装置，可以将照射在其中的雷达波反射回原来的方向，反射回来的信号相对于周围环境明显增强。通过在工作空间内均匀布置人工角反射器，并确定一些稳定点作为自然反射点，便于图像配准和精确计算角反射器的位移。对于三峡库区这么大的区域，仅用GPS或其他仪器设备在有限的点上测量滑坡变形是有限的。因此，探索利用InSAR技术开展三峡库区滑坡监测具有重要意义。2003年，我们已经在万州和巫山安装了14角反射器进行实验监测和研究，还联合进行了GPS变形监测作为对比。
4 .地质灾害监测预警GIS系统
地质灾害监测地理信息系统是能够有效管理各种四维空间(包括地理坐标和时间变化)数据的信息系统。它以滑坡等监测对象为基础，将地形、城市规划、监测点分布等空间数据按其空间位置存储到计算机中。通过数据库模块、曲线显示模块和数据分析模块，实现了监测数据的存储、更新、查询、趋势分析、绘图显示和图表、表格输出等功能。
该系统主要由地理信息子系统、地质基础数据文档管理子系统、地质灾害监测数据库子系统和监测数据分析子系统四部分组成。
自65438-0998在重庆万州区开展地质灾害监测与研究以来，地壳所首先致力于建立基于GIS的地质灾害数据与信息管理平台，并于2000年成功开发了“万州库区移民地理信息系统”。之后逐步完善了相关的数据库管理系统，丰富了数据分析模块，增加了自动报警功能，实现了具有数据管理和分析的滑坡监测预警GIS系统，并陆续推广到巫山、奉节两县。
该系统采用面向对象的编程语言Visual C++6.0作为开发工具，MapInfo作为基本开发平台。地质灾害监测数据库由Microsoft SQL Server 2000创建，数据库连接和访问采用ADO技术。地质灾害监测预警GIS系统以大比例尺电子地图为工作地图，可随意缩放漫游，可自动寻找地图目标，并与数据库关联。该系统为各种工程地质和水文地质数据的管理、上述地质灾害的监测网络和监测数据、数据的分析和显示，包括群测群防工作的管理提供了有效的平台，从而为滑坡稳定性的研究奠定了良好的基础(系统的总体结构如图2所示)。
图2地质灾害监测预警GIS系统总体结构框图
根据上述功能的要求，系统可以输出表达数据处理和空间分析结果的图形、图表和三维模拟图等多种可视化形式。图3是巫山县GIS系统的一个界面，显示了山体滑坡、道路和四类监测站的分布情况，就是一个例子。
图3巫山GIS系统显示的GPS和倾斜监测站分布图。
1.GPS静态监测站；2.GPS动态监测站；3.移动倾斜监测站；4.GPS坐标控制点
数据分析过程基本上有以下三个方面:
(1)整个监测系统获得的数据，包括自动传输和移动观测，经核对确认后，可存入当地地质环境监测站的基础数据库。
(2)基于GIS的地质灾害趋势分析与预警技术研究，包括监测结果统计分析、时间序列分析、地表位移矢量图分析、滑坡深度-位移曲线分析、位移-降雨量分析等。，进而确定不同地质环境下的滑坡预警阈值。
(3)获得的滑坡变形时变曲线及其二维平面分布图像结果可用于进一步的滑坡稳定性分析和研究。
5各种监测技术的应用及典型监测结果
5.1滑坡变形监测GPS技术
从1999年底开始，万州库区建成了拥有120多个流动站的GPS滑坡变形监测网，到2002年底，* * *完成了8次测量。结果表明，大多数滑坡的近期变形速率较低，在5毫米/年以下；而半边石坝、实验小学等少数滑坡的年变形率分别为84mm和49mm分别是。官塘口、青草背等滑坡也有明显变形。图4为万州市滑坡变形的分区特征:变形较大的区域多为陡坡，部分为古滑坡分布区；近期变形主要与人类工程活动和强降雨有关。
万州区滑坡变形分布示意图。
1.GPS滑坡监测点；2.滑坡；3.滑动矢量；4.变形小的稳定区域
上述成果对库区城镇建设规划具有指导意义。据了解，一些基础设施项目选在了上述变形区。自2002年初开工以来，三通一平屡遭阻挠，历时三年进行基本建设，付出了沉重代价。对这些稳定性差的滑坡加强了跟踪监测和研究。如2003年万州SMB滑坡持续变形崩塌，其北部地区自5月以来变形严重。图5显示了三个具有代表性的基线变化，纵坐标代表日降雨量和GPS基线长度的变化，单位为mm。从图中可以看出，2003年第一季度该地区的形变速率并不高。4月18(图中108)暴雨84mm后，滑坡变形明显加快。G123-134为接近主滑动方向的测量基线，至6月累计变形达400米左右。除了本区人类工程活动引发的滑坡变形因素外，强降雨的影响也不容小觑。
又如奉节新县城崩塌滑坡50余处，其中三马山、宝塔坪、白衣庵、南竹园对新建县城影响最大。由于新县地处地质构造复杂，岩层较为破碎，冲沟发育，高阶地狭窄，连续性差。新建安置区大多分布在陡峭的沟渠和谷坡上，人工开挖的高陡边坡随处可见，具有高度高、连续分布长的特点。斜坡的高度可达30 ~ 40米，长度可达数百米。高边坡稳定性是奉节县最大的潜在地质灾害之一。
2002年，我们在奉节建立了GPS和地表倾斜变形监测网，共有290个监测桩。到2003年中期，全县变形分布近8km2，如图6所示，变形最大的区域是西部朱彝河谷斜坡的高边坡。这些地区多为高阶地和陡坡，主要地质灾害为建筑荷载引起的天然高陡边坡失稳和古滑坡。因平整施工场地，削坡填趾填谷，导致高边坡和回填边坡失稳。
图5 SMB滑坡地表变形GPS测量结果
图6奉节新县城2003年形变等值线图
5.2滑坡治理工程安全施工阶段的监测技术
该阶段的监测工作主要用于评价施工过程中滑坡(危岩)的稳定性，及时反馈、跟踪和控制施工过程，为原设计和施工组织的改进提供最直接的依据，并对可能出现的险情及时发出报警信号，从而调整相关施工工艺和步骤，避免恶性事故的发生。实现信息化建设，以取得最佳的经济效益。目前，安全监测中使用了大量的专用仪器，这是广大工程技术人员所熟悉的。这里仅举一个例子来说明“RDA地质灾害无线远程监测网”的应用结果。自2002年5月起，在万州WJW滑坡区建立了无线遥测网络。该滑坡是三峡库区二期工程的地质灾害治理工程。2002年6月开工，2003年2月竣工。图7显示了沿滑坡主要滑动方向的激光测距遥测结果。虽然施工包括59根抗滑桩的开挖和浇筑，但由于设计和施工合理，整个施工期滑坡位移只有几毫米。可见，遥测网的连续监测能够及时准确地掌握滑坡的变形动态，保证施工安全。
5.3工程治理效果的监测
以万州WJW滑坡为例。滑坡治理工程采用以预应力锚杆抗滑桩为主，地表排水和生物工程为辅的综合治理方案。处理效果监测网络采用GPS、深层位移、孔隙水压力测量、钢筋应力计等仪器监测手段，并在关键部位设置遥测网络进行连续监测。
万州WJW滑坡治理工程安全监测位移曲线。
图8为3002号遥测子站2003年8月至5438年6月+2月A2抗滑桩观测结果的日变化曲线。从图中可以看出，滑坡的内力变化(钢筋计和锚杆计观测)和深层位移变化与地下水孔隙水压力变化(渗透计观测)有明显的关系；根据气象资料，滑坡孔隙水压力的变化也与降雨量有直接关系。但从总体趋势来看，抗滑桩的内力和深层位移变化不大，说明WJW滑坡治理后基本处于稳定状态，与其他监测点的仪器测量结果基本一致。
图8 3002遥测子站观测结果曲线显示
图9是巫山GIS系统上分析显示的WZB边坡倾斜变形矢量图，是利用仪器监测网监测工程治理效果的一个实例。从矢量图可以看出，四个测点的倾角与坡向基本一致，2003年的累计角度变量≤ 0.02，表明治理后的边坡稳定性较好。
5.4滑坡变形应急监测
巫山县残联滑坡位于巫山新县城中心。滑坡区高程在278 ~ 492m之间，为河谷斜坡，坡角10 ~ 30。该滑坡为第四系坡积物，含砾石和粉质粘土，厚度0 ~ 12m，总体积约15000 m3。由于该区域为斜坡区，在道路和房屋建设中必须对原有斜坡进行不同程度的开挖和切割，2001已发现变形。地质勘察资料显示，残联滑坡边界明显，滑面正在逐渐形成，属于渐进式滑坡。虽然在2002年对其进行了两次治理，但其西区在2003年仍出现了明显的变形，危及其下的道路和移民建筑的安全。
图9巫山县WZB边坡倾斜变形矢量图
图10巫山残联滑坡激光测距曲线(2003年9月~ 2004年2月)
应巫山县国土资源局的要求，于2003年9月安装了遥测网络。残联滑坡遥测网安装在最能反映滑坡变形特征的部位，四个遥测分站沿主滑动方向组成一条测线。
激光测距监测数据随时间变化，如图10所示。最后一条曲线是测距结果，测线长度为51.3m，因滑坡向下滑动而缩短的测线，单位为mm；下一条是环境温度曲线，单位为℃，横坐标为测量时间，以年-月-日-小时格式显示。
从2003年9月12日到2004年2月3日，大致可以分为两个阶段:
第一阶段:9月12日至9月27日，滑坡中部抗滑桩完成前，因开挖调整边坡内应力。受滑坡上部荷载的影响，土体被向前挤压。滑坡中下部向自由面的蠕动变形明显，滑动速率几乎均匀，约2 mm/d，16天总变化量为30mm。
第二阶段:滑体中部部分抗滑桩完成后，位移速率减缓至0.5 ~ 1mm/d；到2004年2月上半月，变化仅为0.1mm/d/d，这说明抗滑治理工程遏制了滑体的变形，达到了应急治理的目的。
6结论
(1)基于3S技术和地面变形监测网，基本建立了研究区典型地段的滑坡监测系统。利用GPS等空间技术可以获得滑坡变形的区域分布，不仅有利于确定需要监测的滑坡，而且对库区城市改造规划具有指导意义。遥测网络可以快速测量变形速率，是掌握滑坡动态变形趋势和实施应急监测的有效工具。
(2)为了解决滑坡监测中高度不确定性的问题，需要使用各种类型的仪器。作者研制的新型滑坡无线遥测网、移动式测斜仪和激光测距仪精度高、性能稳定，具有较大的推广价值。
(3)由于滑坡和高边坡的地质环境和影响因素不同，其破坏机制和危险程度也不同。正确认识和区分滑坡和高边坡的地质景观，合理布置稳定性监测点，对稳定性监测、分析和评价具有重要意义。
在此，我要感谢参与这项工作的、陈诚、范、等同志。
参考
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