滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

陳文俊，周策，劉一民

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 610081)

滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

陳文俊，周策，劉一民

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 610081)

通過研究滑坡體在突發(fā)性災(zāi)害爆發(fā)前后姿態(tài)的變化過程和規(guī)律，以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)和無線傳輸技術(shù)，開發(fā)為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)所需用的滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)、加速度自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，采用有數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)器功能的“黑匣子”，對(duì)滑坡體成災(zāi)全過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體滑動(dòng)三維位移的方位、速度和加速度變化情況的全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決以往不能對(duì)滑坡體三維姿態(tài)和滑動(dòng)加速的全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)步。

滑坡體;滑動(dòng)姿態(tài);加速度;黑匣子;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

0 引言

我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，其災(zāi)害分布廣、突發(fā)頻率高、危害大。而在約占國土總面積2/3的山地中，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式是山體滑坡。為了減少山體滑坡這類地質(zhì)災(zāi)害給社會(huì)帶來的危害，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是非常必要的。目前我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法以地表變形監(jiān)測(cè)和深部水平位移監(jiān)測(cè)居多，而地表變形要滯后于深部位移。深部位移監(jiān)測(cè)主要是利用鉆孔測(cè)斜儀，而這種方法由于測(cè)斜管在地下受壓變形后，測(cè)斜儀損壞或者不能下到測(cè)點(diǎn)位置，不能測(cè)量深部滑體滑移全過程，且不能準(zhǔn)確判斷滑體深部真正的滑動(dòng)方向。目前深部位移監(jiān)測(cè)大多仍是人工定時(shí)采集為主，未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，這樣數(shù)據(jù)采集不及時(shí)，不齊全，不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)滑坡變化狀態(tài)，難以全面認(rèn)識(shí)滑坡滑動(dòng)全過程。

為了能全面認(rèn)識(shí)滑坡滑動(dòng)全過程，研究通過對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生全過程的監(jiān)測(cè)，獲取滑坡體滑動(dòng)時(shí)的位移、方位、速度、加速度等參數(shù)，并在劇滑后驗(yàn)查分析存儲(chǔ)的信息，高密度、高質(zhì)量采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、迅速地判斷“滑坡活動(dòng)機(jī)理的特征”是非常必要的。進(jìn)一步完善和發(fā)展滑坡變形監(jiān)測(cè)方法，推動(dòng)滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展對(duì)減災(zāi)防災(zāi)具有重大意義，是非常適時(shí)和緊迫的。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

據(jù)查新報(bào)告可知，國內(nèi)外未見采用有數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)器功能的“黑匣子”對(duì)滑坡體成災(zāi)全過程的跟蹤監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體滑動(dòng)三維位移的方向、加速度變化情況的全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的報(bào)告。

本項(xiàng)目在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)滑坡體滑動(dòng)時(shí)間、部位、水平距離、滑動(dòng)方位、速度、加速度等參數(shù)在滑坡災(zāi)害發(fā)生全過程的同時(shí)監(jiān)測(cè)。在滑坡深部位移變形監(jiān)測(cè)中采用帶存儲(chǔ)器的黑匣子跟蹤存儲(chǔ)信息，可將全程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存于“黑匣子”內(nèi)，作為劇滑后驗(yàn)查分析存儲(chǔ)的信息依據(jù)，便于進(jìn)一步研究滑坡滑動(dòng)強(qiáng)度、規(guī)模和防范措施，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸并在監(jiān)測(cè)中心查看監(jiān)測(cè)參數(shù)，為提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供了極佳的技術(shù)手段。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及功能

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由“孔下黑匣子”(傳感器及數(shù)據(jù)采集探管)和地表滑坡姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀(包括數(shù)據(jù)采集、無線傳輸系統(tǒng)、太陽能供電等)以及后宿數(shù)據(jù)接收處理中心等組成，主要分為2大部分(見圖1):現(xiàn)場(chǎng)工作部分和監(jiān)測(cè)中心部分。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

2.1 現(xiàn)場(chǎng)工作部分

現(xiàn)場(chǎng)工作部分主要功能為數(shù)據(jù)采集(即A/D轉(zhuǎn)換)、數(shù)據(jù)預(yù)處理(即計(jì)算處理為相對(duì)應(yīng)的傳感器量值)、野外供電(即太陽能供電系統(tǒng))、數(shù)據(jù)收發(fā)(即雙工通訊數(shù)據(jù)、命令收發(fā))、前置GSM無線通訊模塊底層軟件設(shè)置(即傳感器類型、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、GSM無線通訊模塊號(hào)碼等設(shè)置)等，見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集軟件界面

2.2 監(jiān)測(cè)中心部分

監(jiān)測(cè)中心部分主要功能為建立數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)接收入庫、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)分析處理等。其中必須涉及到兩大主要功能(如圖3):通訊設(shè)置和數(shù)據(jù)處理。

圖3 監(jiān)測(cè)中心軟件系統(tǒng)功能模塊圖

(1)要使通訊模塊和姿態(tài)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行信息通訊，根據(jù)硬件條件選擇串口作為通訊端口，所以要對(duì)串口通訊作出設(shè)置、要啟動(dòng)通訊或關(guān)閉、要區(qū)分無線通訊和直連通訊方式。

(2)由于野外一般會(huì)有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所以需要有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管理功能，同時(shí)因?yàn)槔肎SM通訊中的短信方式，所以有必要篩選信息，過濾垃圾短信。

(3)接收的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫后，需要有分類查詢功能，繪制數(shù)據(jù)曲線，圖形縮放以便作出直觀的判斷和分析。

(4)為了提高數(shù)據(jù)的利用率，需要有數(shù)據(jù)導(dǎo)出，打印輸出等功能。

圖4為監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)接收處理軟件界面。

圖4 監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)接收處理軟件界面

3 監(jiān)測(cè)原理

本系統(tǒng)主要是采用三維加速度計(jì)和三維磁阻計(jì)，測(cè)量姿態(tài)儀“黑匣子”在滑坡體內(nèi)的頂角、扭轉(zhuǎn)角、方位角。

三維角度數(shù)據(jù)計(jì)算處理過程如下。

3.1 坐標(biāo)系與角度定義(圖5)

3.1.1 坐標(biāo)系原始位置2個(gè)坐標(biāo)系重合，α=0，θ=0，β=0。ON、OE、OD為地球的三軸，OX、OY、OZ為監(jiān)測(cè)儀探管的三軸。

圖5 坐標(biāo)系

3.1.2 傾角

OZ與OD之間的夾角θ，即平面OXY與OEN之間的夾角。沿Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，即向下為正。

3.1.3 方位角

OED平面與OYZ平面之間的夾角α，從北向東轉(zhuǎn)為正。沿Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3.1.4扭轉(zhuǎn)角

OZD平面與OXZ平面之間的夾角β，沿X軸順時(shí)針為正。

3.2 采集數(shù)據(jù)處理

(1)找出Axmin，Axmax;Aymin，Aymax;Azmin，Azmax。

(2)計(jì)算ΔAx，ΔAy，ΔAz。

(3)修正Ay與Az:

(4)求中心偏移值。Aoffset=Axmin+ΔAx/2。

(5)測(cè)量值中心偏移:

(6)Mx，My，Mz的計(jì)算:

①將Mx，My，Mz在水平狀態(tài)(AS－Z最大時(shí))下旋轉(zhuǎn)一周，得到Mx－max，Mx－min;My－max，My－min。在垂直狀態(tài)(AS－X最大時(shí))下旋轉(zhuǎn)一周，得到Mz－max，Mz－min。并由此計(jì)算出ΔMx，ΔMy，ΔMz，并找出其中最大的為ΔMmax。

(11)計(jì)算扭轉(zhuǎn)角:

βG根據(jù)Gy與Gz情況計(jì)算為0～360°，計(jì)算如下:

4 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)加速度計(jì)量程和精度:(1～10)g、(10～100)g、(100～200)g;精度2%of FS 0～±2g;零位穩(wěn)定性:5×10－4g;分辨率:1×10－5g;零位偏差:±3 ×10－3g。

(2)方位角、測(cè)量范圍:0°～360°;精度:±2°。

(3)頂角、俯仰角、橫滾角測(cè)量范圍:0°～90°;精度:±0.1°。

(4)三向位移測(cè)量范圍:0～1 m以上;精度5%。

(5)地下探管抗液壓強(qiáng)度:3 MPa。

(6)工作溫度:0～40℃。

5 工作方式

本監(jiān)測(cè)儀主要包括2種工作方式:現(xiàn)場(chǎng)人工監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)人工監(jiān)測(cè)

主要通過監(jiān)測(cè)人員親自到現(xiàn)場(chǎng)，用筆記本電腦與姿態(tài)監(jiān)測(cè)儀連接，發(fā)送不同的采集指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，然后通過RS232接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到筆記本電腦上，保存記錄數(shù)據(jù)。

5.2 實(shí)時(shí)自動(dòng)化采集

首先，通過GSM通訊盒設(shè)定自動(dòng)監(jiān)測(cè)的周期，然后設(shè)定每天儀器開啟的時(shí)間及該監(jiān)測(cè)孔序號(hào)和儀器編號(hào)。到了設(shè)定時(shí)間，通訊盒給儀器打開電源，儀器啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換采集程序，通過儀器內(nèi)RS－232串口把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到通訊盒的存儲(chǔ)器中，然后通過短消息(SMS)發(fā)送到中心站，接收進(jìn)入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存并分析。

6 監(jiān)測(cè)工藝技術(shù)手法

(1)本系統(tǒng)帶有數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)器功能的“黑匣子”探管，將帶纜線的“黑匣子”監(jiān)測(cè)探管投入傾斜管內(nèi)，每隔1 m利用纜線的長度記錄下孔深，并將監(jiān)測(cè)探管采集得到的鉆孔方位角、扭轉(zhuǎn)角、位移量參量，通過纜線傳輸?shù)降孛?，供監(jiān)測(cè)人員查看分析判斷。

(2)在判斷鉆孔某處位移突變后，將監(jiān)測(cè)探管投入傾斜管內(nèi)突變點(diǎn)部位，并記下此點(diǎn)孔深作為固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用地面二次監(jiān)測(cè)儀表(滑坡姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀)通過GSM通訊定時(shí)自動(dòng)發(fā)送到監(jiān)測(cè)站中心或智能手機(jī)處理。

7 野外試驗(yàn)

2010年5月至今，應(yīng)承擔(dān)四川省雅安市雨城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害示范區(qū)的要求，在雅安市雨城區(qū)多營、孔坪坡面上，采用由本單位研制的HZ－Ⅰ型滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)滑坡的動(dòng)態(tài)。

7.1 測(cè)試地區(qū)地層情況和測(cè)試鉆孔實(shí)際剖面情況

測(cè)點(diǎn)安排在雅安市雨城區(qū)多營、孔坪坡面上。多營坡面選二點(diǎn)安裝兩組探頭，多營1號(hào)和多營3號(hào)，孔坪坡面選一點(diǎn)安裝一組探頭，孔坪3號(hào)。該地區(qū)地層巖性為J2p，自上而下為棕紅色泥巖和粉砂巖。采用鉆孔法進(jìn)行測(cè)試，鉆孔實(shí)際剖面從地表面起，孔深1600 mm已進(jìn)入基巖，實(shí)鉆深度為2000 mm。

7.2 采用的儀器和探頭埋設(shè)情況

采用HZ－1型滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。

探頭埋設(shè)情況:雅安市雨城區(qū)多營、孔坪坡面上，儀器的測(cè)試探頭上布設(shè)傳感器探頭一組，埋設(shè)在已打好的直經(jīng)為48 mm，深度為2000 mm鉆孔內(nèi)。

7.3 測(cè)試結(jié)果及分析

以雅安市雨城區(qū)多營3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)舉例(監(jiān)測(cè)曲線見圖6)。

監(jiān)測(cè)方位:西南向192°;橫滾角:0.36°～1.80°間變化;俯仰角:29.96°～31.76°間變化;頂角: 59.44°～60.92°間變化;水平位移(按坡面到基巖1500 mm計(jì)算):－10～9.76 mm間變化;沉降位移(按坡面到基巖1500 mm計(jì)算):－16.30～16.41 mm間變化。

圖6 多營3號(hào)監(jiān)測(cè)曲線圖

7.4 監(jiān)測(cè)總結(jié)

從監(jiān)測(cè)的情況來看，監(jiān)測(cè)方位、橫滾角、俯仰角、頂角均有變化，水平位移值最大僅10 mm，沉降位移最大僅16.41 mm，應(yīng)該是一種細(xì)微的晃動(dòng)，未到滑坡的警界線。在為期半年的監(jiān)測(cè)中，HZ－1型滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、野外太陽能供電系統(tǒng)和無線通訊工作正常。

8 結(jié)語

通過野外試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，證明HZ－1型滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)、加速度自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀工作正常，所測(cè)的數(shù)據(jù)可靠，并可連續(xù)實(shí)時(shí)自動(dòng)遙測(cè)采樣和存儲(chǔ)，是一種比較理想的滑坡監(jiān)測(cè)儀器;HZ－1型滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀在地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)首次采用先進(jìn)的三維加速度計(jì)等傳感器對(duì)滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)、加速度進(jìn)行無線自動(dòng)監(jiān)測(cè)，除了量測(cè)滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)、加速度外，還能量測(cè)解算滑坡體孔內(nèi)滑動(dòng)位移量，可以進(jìn)行巖土層內(nèi)剖面姿態(tài)、加速度測(cè)試，是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)理想的選擇。

［1］靳曉光，李曉紅，王蘭生.滑坡鉆孔傾斜量測(cè)及數(shù)據(jù)處理［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，(2).

［2］仝達(dá)偉，張平之，吳重慶，等.滑坡監(jiān)測(cè)研究及其最新進(jìn)展［J］.傳感器世界，2005，(6).

［3］王義鋒.基于測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成果的蠕滑體變形機(jī)制分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，(1).

［4］徐曉東，趙忠，李麗錦.采用磁阻傳感器與加速度計(jì)的電子羅盤設(shè)計(jì)［J］.兵工自動(dòng)化，2005，(5).

［5］劉越，王涌天，胡曉明.測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的三自由度定位算法的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，(6).

［6］趙申杰.滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)測(cè)量終端研究［D］.四川成都:成都理工大學(xué)，2004.

［7］章步云.滑坡位移無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.江蘇南京:南京理工大學(xué)，2004.

Research on Automatic Monitoring System of Landslide Sliding Attitude

CHEN Wen-jun，ZHOU Ce，LIU Yi-min(The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 610081，China)

By the study on landslide attitude changing processes and regularity before and after the sudden disaster outbreak，using automatic monitoring and wireless transmission technology，an automatic monitor of landslide attitude and acceleration was developed for geological disasters forecast.The“black box”with data acquisition and storage function was used for tracing monitoring the whole formation process of landslide hazard to realize real-time monitoring of 3d displacement azimuth，velocity and acceleration changes.

landslide;sliding attitude;acceleration;black box;real-time monitoring;geological hazard monitoring

P642.22;TH762

A

1672－7428(2011)11－0076－04

2011－05－28

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目“滑坡體滑動(dòng)姿態(tài)加速度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究”(200811071)

陳文俊(1977－)，男(漢族)，四川西充人，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所工程師、軟件設(shè)計(jì)師，核工程及測(cè)控技術(shù)專業(yè)，從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究開發(fā)工作，四川省成都市一環(huán)路北二段1號(hào)，cwj@cgiet.com。