西安驪山滑坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

黃 鑫，牛晶蕊，楊 卓，陳桂賢

(1.中國航天科工集團(tuán)航天科工慣性技術(shù)有限公司，北京 100070;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;

3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;4.西安市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，陜西西安 710600)

0 引言

驪山滑坡位于西安臨潼區(qū)驪山北坡。1985年西安市在全市滑坡普查時(shí)發(fā)現(xiàn)驪山北坡坡體出現(xiàn)蠕動變形跡象，隨后成立專門機(jī)構(gòu)委托陜西省綜合勘察設(shè)計(jì)院、鐵道部科學(xué)研究院西北分院分別進(jìn)行了滑坡勘察及詳勘，同時(shí)委托國家地震局第二形變監(jiān)測中心進(jìn)行了地形測量以及坡體變形監(jiān)測，并邀請國內(nèi)知名的滑坡、工程地質(zhì)方面的專家、教授進(jìn)行評審論證，普遍認(rèn)為“驪山北坡局部發(fā)生變形，滑坡正在發(fā)育”［1-4］。

驪山滑坡直接威脅到華清池等名勝古跡，并危及附近多個(gè)單位及西堯居民區(qū)，涉及2430人生命財(cái)產(chǎn)安全。24年的形變監(jiān)測資料表明，驪山滑坡一直存在蠕動變形。近年來，極端天氣現(xiàn)象增多，暴雨、強(qiáng)降雨等誘發(fā)因素會隨時(shí)出現(xiàn)，加上驪山滑坡體坡面陡峭，活動變形復(fù)雜，很容易失穩(wěn)造成災(zāi)害，分析對比滑坡監(jiān)測技術(shù)［5-6］，認(rèn)為滑坡實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測意義重大。

1 驪山滑坡概況

1.1 驪山滑坡簡介

驪山滑坡位于西安市臨潼區(qū)南部的驪山北坡，在著名旅游勝地華清池的上方?；聟^(qū)總面積約0.7km2。根據(jù)地貌形態(tài)和變形特征及其對華清池的危害性，將該滑坡劃分為以下六個(gè)區(qū)(圖1):

其中Ⅰ區(qū)東西寬140m，南北長170m，坡度35°左右，為潛在的黃土及淺層基巖沿破碎基巖中緩傾角斷層的滑動;Ⅱ區(qū)東西寬約150m，南北長約300m，坡度28°～45°，主要以坡積物及破碎基巖蠕動變形為主;Ⅲ區(qū)是洪坡積黃土老滑坡群;Ⅳ區(qū)為一斷層下盤，基巖高聳，容易造成重力錯(cuò)落;Ⅴ區(qū)為以坡洪積物為主的老黃土滑坡;Ⅵ區(qū)主要為濕陷性黃土，由于黃土的不均勻沉降。

圖1 驪山滑坡分區(qū)示意圖Fig.1 The subarea of Lishan Landslide

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

斜坡地層:基底由太古界太華群片巖、片麻巖構(gòu)成，由于斷層錯(cuò)動，部分轉(zhuǎn)化為碎裂巖，角礫巖，糜棱巖。巖體結(jié)構(gòu)松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，且多呈松弛狀態(tài)，產(chǎn)狀較亂。

片巖、片麻巖上覆新第三系棕紅色粘土碎屑巖，已風(fēng)化破碎后為亞粘土，并混有大量片麻巖和片巖塊石，分布不連續(xù)。

斜坡表層主要是第四系黃土，厚度從幾米到幾十米不等，成因類型較多，有坡積、崩坡積及洪坡積，呈淡黃色及棕黃色，多為黃土混碎塊石。老鴉溝以西、紅土溝以東主要由厚層黃土組成。

地質(zhì)構(gòu)造:驪山是由近東西向和近南北向兩組斷裂構(gòu)造交叉切割、隆起而形成的斷塊山。驪山北坡實(shí)質(zhì)上是由多條斷裂活動形成的斷裂破碎帶或構(gòu)造巖帶組成的陡傾斜基巖斜坡。

近東西向的一組，包括北東東向和北西西向斷層十多條，均為高角度正斷層，斷距小者數(shù)十米，大者超過千米，其中 F0(N80°W/N70°～80°)山前斷裂的新生界底部斷距大于1000m，第四系底部斷距約400m，全新統(tǒng)底部斷距10m余，是全新世活動斷層，主要活動期為晚更新世晚期和全新世，沿?cái)鄬佑袩崴畮Х植?。F1(N80°～ 85°E/N80°～ 85°)、F2(N86°W/N66°)斷層是驪山北坡坡體上的主斷層，沿F1斷層有熱氣溢出，F(xiàn)2位于標(biāo)高650m一線，下盤陡壁由較完整片麻巖組成，上盤為斷層角礫巖，被崩坡積層覆蓋。

1.3 現(xiàn)有監(jiān)測手段

目前驪山滑坡監(jiān)測主要有精密水準(zhǔn)測量、高精度光電測距、孔內(nèi)測斜、伸縮變形測量、三維以及裂縫測量6種形變監(jiān)測手段。水準(zhǔn)、光電測距點(diǎn)均布設(shè)在地表，主要反映坡體表面的變化情況;孔內(nèi)傾斜測量主要反映坡體深部的變化情況;伸縮計(jì)及裂縫監(jiān)測在地表及洞內(nèi)均布設(shè)有監(jiān)測點(diǎn)，既可以監(jiān)測地表變形，也可以監(jiān)測地下的變形，三維主要布設(shè)于平洞內(nèi)，觀測洞體的變形情況。

1.4 滑坡變形情況

從1987年開始滑坡形變監(jiān)測，24年的形變監(jiān)測資料表明，驪山滑坡一直存在蠕動變形，變形主要發(fā)生在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的坡積層、黃土層以及破碎基巖中，完整基巖穩(wěn)定。坡積層年垂直變形量0～2mm，水平變形量2～3mm;黃土層年垂直變形量2～4mm，水平變形量3～4mm;破碎基巖年垂直變形量0～2mm，水平變形量1～2mm。如遇強(qiáng)降雨年份，坡積層、黃土層變形量均會增大，可達(dá)5～7mm。

1.5 驪山滑坡監(jiān)測現(xiàn)狀

目前6種監(jiān)測方法均為人工監(jiān)測，監(jiān)測工作量大，每次監(jiān)測都需要人工到現(xiàn)場觀測，監(jiān)測周期長;特別是垂直形變監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)全部位于陡峭坡體上，樹木雜草叢生，監(jiān)測非常困難，監(jiān)測周期長，數(shù)據(jù)處理速度較慢;特別是遇到下雨天，人工就無法到現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，這樣的監(jiān)測空檔，往往會漏掉極為重要的變形信息，時(shí)效性難以保障。鑒于驪山滑坡所處位置的重要性，結(jié)合工作實(shí)際，為了提高驪山滑坡監(jiān)測精度和監(jiān)測時(shí)效，實(shí)現(xiàn)人防與技防相結(jié)合、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測與監(jiān)控，擬在主要變形區(qū)域:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)坡體上建立一套滑坡自動化監(jiān)測及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行24h不間斷監(jiān)測，補(bǔ)充人工監(jiān)測在時(shí)間上的缺陷。通過該系統(tǒng)提供的有效數(shù)據(jù)，結(jié)合人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)坡體變形隱患，并發(fā)出地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息，為政府決策提供可靠依據(jù)。

2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

2.1 滑坡監(jiān)測對象及目的

滑坡監(jiān)測包括滑坡體災(zāi)變的變形因素、誘發(fā)因素和相關(guān)因素的監(jiān)測(表1)。變形因素監(jiān)測包括深部位移監(jiān)測、地表位移監(jiān)測，目的是掌握滑坡體三維空間位置變化、判定滑坡滑動范圍、滑移量和滑移方向，判定滑坡滑動面數(shù)量和深度;誘發(fā)因素監(jiān)測為降雨量監(jiān)測，目的是監(jiān)測滑坡體不同位置的降雨量，可以更清楚地掌握滑坡災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理、活動狀態(tài)和發(fā)展趨勢，并為滑坡災(zāi)害預(yù)警、預(yù)報(bào)服務(wù);相關(guān)因素監(jiān)測包括孔隙水壓力監(jiān)測、土壤含水率監(jiān)測等，這些物理量不能直接反映變形量，但能反映變形強(qiáng)度，可配合其他監(jiān)測，分析、掌握變形動態(tài)，進(jìn)行崩滑變形破壞預(yù)報(bào)。另外，在重點(diǎn)區(qū)域可以輔助視頻監(jiān)測，這樣就可對整個(gè)滑坡體形成多參數(shù)、全方位的監(jiān)測體系。監(jiān)測儀器平面位置見圖2。

表1 滑坡監(jiān)測內(nèi)容Table 1 Landslide monitoring content

圖2 驪山滑坡監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.2 Distribution of the automatic monitoring system

2.2 降雨量監(jiān)測

降雨量監(jiān)測選用YLZ-501A智能雨量站。該儀器智能化數(shù)據(jù)傳輸，太陽能供電，自動觸發(fā)工作，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場聲光報(bào)警，穩(wěn)定可靠。智能雨量站由雨量傳感器、數(shù)據(jù)采集平臺、遠(yuǎn)程通信單元、供電模塊及聲光報(bào)警設(shè)備組成。太陽能供電滿足智能雨量站在7d無市電(或日照)情況下工作正常。儀器現(xiàn)場安裝簡單，具有防銹蝕、防盜能力。測量準(zhǔn)確度:＜±2%。

2.3 孔隙水壓力監(jiān)測

孔隙水壓力計(jì)是孔隙水壓力觀測的傳感器，包含傳感器本體、激振模塊、測頻模塊，適用于測壓管中水壓、水位的測定、回填或原位孔隙水壓力的測定、揚(yáng)壓力的測定、水位或容器中流體壓力的測定，抗干擾能力強(qiáng)、長期穩(wěn)定、密封可靠。綜合誤差:＜1%F.S。

2.4 土壤含水率監(jiān)測

土壤含水率儀是土壤容積含水率觀測的傳感器，每套產(chǎn)品包含數(shù)只傳感器本體和一個(gè)高精度A/D采集卡，采用TDR(時(shí)域反射)原理，適用于土壤容積含水率的測量，采用環(huán)保材料，全密封設(shè)計(jì)，經(jīng)久耐用。測量精度:±2%。

2.5 變形系統(tǒng)監(jiān)測

2.5.1 地表位移監(jiān)測

地表位移監(jiān)測采用WYZ-501裂縫位移計(jì)，具有量程大、低功耗、可埋設(shè)安裝等特點(diǎn)。測量精度:優(yōu)于0.1%F.S。

2.5.2 深部位移監(jiān)測

選用ETP-502固定式測斜儀作為深部位移監(jiān)測儀器，其核心傳感器為航天高精度石英撓性加速度計(jì)，靈敏度高、穩(wěn)定性好。位移測量精度:優(yōu)于±0.05%F.S。

滑坡體的深部橫向位移參數(shù)是判斷滑坡體變化趨勢及穩(wěn)定與否的核心指標(biāo)。深部位移監(jiān)測系統(tǒng)探頭組安裝在專用測斜管內(nèi)(同移動式測斜儀)，橫跨有變形(相對位移)的區(qū)域。其測量原理是:地層/結(jié)構(gòu)物移動變形引起測斜管變形，測量探頭通過敏感自身的斜度(傾角)的變化來解算出測斜管在預(yù)定方位上的形變量，多個(gè)測量探頭組合安裝可以獲得沿測斜管的撓度變形剖面圖。

2.6 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備、通訊設(shè)備、現(xiàn)場監(jiān)控中心。

現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備包括4套全天候夜視監(jiān)控?cái)z像機(jī)、市電配電箱、監(jiān)控桿等組成;

通訊設(shè)備包括無線中心基站(無線中繼站)、無線網(wǎng)橋、天線、通訊三角塔等組成。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對自動化監(jiān)測需求，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)條件及以往相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行如下配置。系統(tǒng)主要由三層設(shè)備組成(圖3)。第一層為專業(yè)監(jiān)測傳感器，第二層為數(shù)據(jù)采集層，第三層為數(shù)據(jù)傳輸層。根據(jù)驪山滑坡的分布，系統(tǒng)配置為六個(gè)部分，分別為Ⅰ區(qū)監(jiān)測設(shè)備、Ⅱ區(qū)監(jiān)測設(shè)備、Ⅲ區(qū)監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場主控單元、現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

金融企業(yè)的費(fèi)用包括營業(yè)支出、稅金及附加、資產(chǎn)減值損失和營業(yè)外支出，其中營業(yè)支出又可以細(xì)分為利息支出、管理費(fèi)用、手續(xù)費(fèi)及傭金、其他業(yè)務(wù)支出等。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Structure of automatic monitoring system

所有傳感器通過現(xiàn)場主控單元控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，并進(jìn)行傳感器的電源管理、防雷保護(hù)等，現(xiàn)場主控單元將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要功能有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能、數(shù)據(jù)處理功能、系統(tǒng)管理功能、系統(tǒng)配置功能、報(bào)表輸出功能等。

監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對多種災(zāi)變參數(shù)的綜合監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)兼顧地表、地下相關(guān)因素及誘因因素，實(shí)現(xiàn)了組件化、智能化，具有可擴(kuò)展性。通過多視角的動態(tài)立體監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對災(zāi)變體的狀態(tài)及變化趨勢的有效把握，便于對災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行綜合判斷。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)高精度:該系統(tǒng)采用行業(yè)內(nèi)高精度的傳感器，保障了專業(yè)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，權(quán)威性。其中基于高精度石英撓性加速度計(jì)傳感器的固定式測斜系統(tǒng)技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先。

(2)高可靠:該系統(tǒng)采用了航天軍工產(chǎn)品的可靠性工程設(shè)計(jì)、工藝方法，產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行軍工產(chǎn)品質(zhì)量管理體系要求，保障了監(jiān)測儀器長期野外工作的高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

(3)自動化:利用先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及公用網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸技術(shù)，采用智能化的電源管理及數(shù)據(jù)采集管理，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測儀器的低功耗、自動化運(yùn)行及無線傳輸。

(4)人性化:產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程始終貫徹人機(jī)工程的設(shè)計(jì)方法，遵循產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性、維護(hù)性、保障性、安全性，保障了設(shè)備在運(yùn)行過程中的可靠使用。

(5)可視化:監(jiān)測系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代視頻監(jiān)控領(lǐng)域的高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測對象及監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可視化。

a)監(jiān)控中心報(bào)警

為了將現(xiàn)場報(bào)警信息準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)布給用戶，系統(tǒng)提供了三級報(bào)警功能，即紅、橙、黃三級報(bào)警，監(jiān)測對象包括地表位移日位移量、地表位移日位移速率、日降雨量、最大雨強(qiáng)等各種參數(shù)，各參數(shù)可單獨(dú)設(shè)置三級閾值，也可組合構(gòu)成預(yù)警模型。在預(yù)警模型中，三級閾值中的各個(gè)參數(shù)分別設(shè)置閾值，當(dāng)同時(shí)滿足時(shí)發(fā)生報(bào)警。

在應(yīng)用中，用戶預(yù)先設(shè)置三級閾值和相關(guān)人員手機(jī)號碼，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值超過某一級別閾值時(shí)，報(bào)警信息將實(shí)時(shí)顯示在軟件界面上，同時(shí)會將相應(yīng)報(bào)警信息通過短信的方式發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。

b)現(xiàn)場報(bào)警

現(xiàn)場報(bào)警用于監(jiān)測參數(shù)的較大異常變化，報(bào)警閾值可設(shè)置，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值超過閾值時(shí)發(fā)生現(xiàn)場報(bào)警，現(xiàn)場聲光報(bào)警器將發(fā)出聲光報(bào)警，并同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送到監(jiān)控中心和相關(guān)人員的手機(jī)上。

4 結(jié)論

(1)驪山滑坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由三層設(shè)備組成。第一層為專業(yè)監(jiān)測傳感器，第二層為數(shù)據(jù)采集層，第三層為數(shù)據(jù)傳輸層。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)共布置固定式測斜儀3套，智能雨量站3套，智能地表位移計(jì)7套，孔隙水壓力計(jì)1套，土壤含水率儀1套，視頻監(jiān)測系統(tǒng)4套。

(3)運(yùn)用自動化遠(yuǎn)程監(jiān)測手段對驪山滑坡進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，大大提高了驪山滑坡監(jiān)測精度和監(jiān)測時(shí)效，可為驪山滑坡變形破壞研究提供長期、連續(xù)、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)突出，可廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測預(yù)警。

致謝在此，對西安市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站所提供資料深表感謝。

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