基于自動化監(jiān)測的北京高麗營地裂縫活動性分析

王海剛，楊 艷，劉明坤，賈三滿，田 芳

（1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2. 北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100195）

基于自動化監(jiān)測的北京高麗營地裂縫活動性分析

王海剛1,2，楊 艷1,2，劉明坤1,2，賈三滿1,2，田 芳1,2

（1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2. 北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100195）

高麗營地裂縫是近年來北京地區(qū)發(fā)育最活躍地裂縫之一，造成了嚴(yán)重的房屋墻體及道路破壞。通過采用KLA-1型地表位移自動化遙測系統(tǒng)對地裂縫進行實時自動化監(jiān)測，結(jié)果顯示：該地裂縫具有三維活動特點，發(fā)育具有周期性，并受黃莊—高麗營斷裂控制；同時也證實KLA-1型地表位移自動化遙測系統(tǒng)在地裂縫監(jiān)測方面的實時和準(zhǔn)確性，對地裂縫地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與防治具有推廣應(yīng)用意義。

地質(zhì)災(zāi)害；地裂縫；自動化監(jiān)測

高麗營地裂縫是北京地區(qū)發(fā)育最強烈的地裂縫，造成大量建筑物損壞和道路破壞，已影響了人們的正常生產(chǎn)生活。已有研究表明，該地裂縫與黃莊—高麗營斷裂有密切關(guān)系；探槽開挖揭示該斷裂已錯斷全部第四紀(jì)地層，斷裂面直達地表，地表斷面與地裂縫位置相一致；地裂縫形成原因是斷裂蠕滑變形與地面差異沉降共同作用的結(jié)果[1～3]。為查清該地裂縫的具體活動特征，對其進行監(jiān)測顯得尤為重要。

現(xiàn)代測控技術(shù)的應(yīng)用是防治地質(zhì)災(zāi)害及保障城市安全的重要途徑[4]。目前國內(nèi)外對地裂縫監(jiān)測主要采用水準(zhǔn)測量、裂縫計、GPS監(jiān)測、InSAR監(jiān)測等手段[5-9]。監(jiān)測工作能夠反映地裂縫活動特征和規(guī)律，通過數(shù)據(jù)分析，有助于對其成因、發(fā)育程度、發(fā)展變化趨勢進行深入研究。

1 高麗營地裂縫概況

高麗營地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代。其由西王路，經(jīng)唐自頭村、京承高速，穿土溝村、北七家衛(wèi)生院直至八仙別墅一線（圖1），發(fā)育長度約6km，走向與黃莊-高麗營斷裂一致；裂縫帶寬度30～70m，兩側(cè)地形呈西北高、東南低態(tài)勢。裂縫造成了房屋墻體和京承高速等道路嚴(yán)重破壞。從單點破壞特征來看，地裂縫帶上住房墻體及墻基地坪開裂均表現(xiàn)為東南側(cè)相對下降，西側(cè)相對上升且有水平扭動，呈現(xiàn)右旋特征，與黃莊—高麗營斷裂東南盤下降，西北盤上升，呈正斷順扭性質(zhì)相一致。

2 地裂縫自動化監(jiān)測技術(shù)

圖1 高麗營地裂縫平面分布圖Fig.1 The location of Gaoliying ground fissure

本次對高麗營地裂縫監(jiān)測采用KLA-1型地表位移自動化遙測系統(tǒng)技術(shù)。該系統(tǒng)由中國科學(xué)院力學(xué)研究所自主研發(fā)，由位移傳感裝置、數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)接收處理終端三部分組成，可實時測量地表相對位移。

2.1 監(jiān)測原理與方法

（1）位移傳感裝置

位移傳感是一種雙向位移測量裝置（圖2），利用不動點與監(jiān)測點的相對位置變化，得到每一監(jiān)測點的相對位移量。具體方法是在地表不動點及監(jiān)測點處各建一高臺，臺上安裝位移測量設(shè)備，用細(xì)鋼絲將不動點設(shè)備與監(jiān)測點相連；在不動點測量設(shè)備內(nèi)部裝有滑輪式角度傳感器，鋼絲繞過滑輪后與重錘相連；當(dāng)兩點發(fā)生相對位移時（靠近或遠(yuǎn)離不動點），在重錘的衡力作用下，角度傳感器的角度將發(fā)生改變，通過角度變化量即可計算出兩點間的位移量。第1個監(jiān)測點上的測量設(shè)備與第2個監(jiān)測點相連便可測量1、2點間的相對位移量，以此類推，用一個不動點就可測量一條軸線上各個監(jiān)測點的位移。

圖2 地裂縫位移監(jiān)測工作原理Fig.2 The principle of automated monitoring system for surface displacement of ground fissure

（2）數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊

該模塊通過中國移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各種模擬量、數(shù)字量及開關(guān)量的遠(yuǎn)程通訊，是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)、采集頻率控制技術(shù)及GSM短信技術(shù)三者相結(jié)合的智能型報警模塊。該模塊全部選用超低功耗器件，適合野外數(shù)據(jù)采集。由于系統(tǒng)本身有1MB的數(shù)據(jù)存儲能力，同時支持U盤數(shù)據(jù)功能，在沒有手機信號的地區(qū)，采集發(fā)射模塊可由內(nèi)部自帶的外存設(shè)備將數(shù)據(jù)存儲起來，一般可存儲5年的數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)接收處理終端

此終端由用于數(shù)據(jù)接收的硬件及用于數(shù)據(jù)檢索、圖表繪制的軟件組成。硬件采用RJ45接口，使得處于同一局域網(wǎng)段內(nèi)的所有計算機均可實時接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個硬件多人訪問的功能。軟件可實現(xiàn)時間段數(shù)據(jù)檢索、地表位移-時間曲線圖繪制、監(jiān)測點管理、遠(yuǎn)程控制等功能，軟件的數(shù)據(jù)曲線及遠(yuǎn)程控制截圖如圖3所示。

2.2 監(jiān)測儀器布設(shè)

該實時遙測系統(tǒng)已在重慶、貴州等地的滑坡、泥石流、高陡邊坡、危巖體的監(jiān)測中得到成功應(yīng)用[10～12]，并取得良好效果。但邊坡、滑坡等的監(jiān)測只是針對一維位移變化，而野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)高麗營地裂縫具有三維活動特點，為此對該系統(tǒng)進行了改進和創(chuàng)新，設(shè)計了三維地裂縫監(jiān)測系統(tǒng)。

監(jiān)測儀器的設(shè)置，是在地裂縫下盤安裝一個基準(zhǔn)點，上盤分別安裝三個位移傳感裝置，其中豎直位移傳感裝置1處、水平位移傳感裝置2處，監(jiān)測設(shè)施具體布置如圖4。

圖3 自動化遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Fig.3 The data processing software of automated monitoring system

圖4 三維地裂縫監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)示意Fig.4 The installation sketch of 3D automated monitoring system for ground fissure

將位移傳感裝置和數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊安裝在野外監(jiān)測站探槽內(nèi)，數(shù)據(jù)接收處理終端放置在辦公室內(nèi)，利用接收短信的形式進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動采集與監(jiān)測。采用相關(guān)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)實行管理，并對原始數(shù)據(jù)進行計算，獲得相應(yīng)變形成果，并繪制有關(guān)數(shù)據(jù)曲線。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 測點位移解算

為更好地反映地裂縫三維活動規(guī)律，建立相對坐標(biāo)系統(tǒng)，即沿地裂縫延展方向為X軸，表示水平扭動方向；垂直于地裂縫延展方向為Y軸，表示水平拉張方向；垂直于地表平面為Z軸，表示垂直差異沉降方向。

垂直差異沉降的變化，利用豎直位移傳感裝置直接測量取得；而水平拉張和水平扭動，則要通過二元距離交會法測得。

二元距離交會法，就是利用三條邊（其中，兩個已知點AB固定不變，而P為變化點），根據(jù)AP、BP邊的距離實時變化，最后計算出P點的坐標(biāo)變化情況（圖5）。

圖5 二元距離交會原理示意Fig.5 The principle sketch of binary distance intersection method

3.2 地裂縫活動性的三維變化特征

該自動化遙測系統(tǒng)自2009年8月建成運行，監(jiān)測頻率為1次/30分鐘，截至2012年11月，已成功積累大量原始數(shù)據(jù)。監(jiān)測結(jié)果顯示，水平扭動量、水平拉張量、垂直差異沉降量，三者的變化值比例為1:2.5:4.6。其中，水平扭動方向的累計變形量達6.10mm、水平拉張方向的累計變形量達15.18mm、垂直差異沉降的累計量為28.35mm，反映出該地裂縫具有明顯的三維活動特征。

在垂直方向上，地裂縫上盤呈相對下降趨勢；而在水平方向上，具有明顯的水平右旋和水平拉張?zhí)攸c。三維活動量中，垂直差異沉降量最大，水平拉張變化量次之，水平扭動變化量最?。▓D6）。高麗營地裂縫三維活動特點與黃莊—高麗營斷裂活動特征相一致，充分證明該地裂縫受斷裂控制的以往認(rèn)識和判斷結(jié)論。

圖6 地裂縫活動的三維變化累計曲線Fig.6 The accumulative curves of 3D movement of ground fissure

從監(jiān)測時段內(nèi)的地裂縫變化過程可看出，其發(fā)展變化具有年度周期性規(guī)律。水平扭動方向基本上呈現(xiàn)一個擺動狀態(tài)，每年1～4月份處于相對左旋狀態(tài)，而每年5～12月份則處于相對右旋狀態(tài)（圖7a）；水平拉張方向也基本呈擺動狀態(tài)，每年1～4月份處于相對緊縮狀態(tài)，每年5～12月份則處相對拉張狀態(tài)（圖7b）；垂直方向上，每年4～6月為其活躍期，變化量很大，而7月至次年3月則屬相對靜止期，變化量很?。▓D7c）。這些動態(tài)變化特征，說明地裂縫的活動也受其它因素影響，并與其具有相關(guān)性。

圖7 地裂縫活動年度變化對比曲線Fig.7 The Annual change comparison curves of 3D movement of ground fissure(a: horizontal twist; b: horizontal strain; c: vertical direction)

4 結(jié)語

地裂縫活動特性的準(zhǔn)確把握有助于分析其變化特征、發(fā)展規(guī)律與制約影響因素，自動化監(jiān)測系統(tǒng)是重要的技術(shù)手段，對地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的研究與防治具有促進作用。

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Analysis of the Activity of the Gaoliying Ground Fissure (Beijing), Based on Automatic Monitoring

WANG Hai-Gang1,2, YANG Yan1,2, LIU Ming-Kun1,2, JIA San-Man1,2, TIAN Fang1,2
(1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China;
2. Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100195, China)

The Gaoliying ground fissure is one of the most active ground fissures in the Beijing area, and has caused damage to infrastructure, including walls and roads. The KLA-1 surface displacement automatic telemetering system was used to conduct real-time automatic monitoring of the fissure. The results of the testing reveal that the Gaoliying ground fissure shows periodic activity in three dimensions, and that its activity is controlled by the Huangzhuang-Gaoliying Fault. The findings confirm that the KLA-1 telemetering system accurately monitors the ground fissure in real time, and that the system is helpful not only for monitoring activity but also for potentially preventing a disaster caused by ground fissure activity.

geological hazard; ground fissure; automated monitoring

P642.27

A

2095-1329(2013)02-0064-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.015

2013-03-26

2013-04-19

王海剛(1980-),男,碩士,主要從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害研究.電子郵箱：whg_8232@163.com

聯(lián)系電話：010-51560312

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2006CB708405);中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212010540902,121 2010814044,1212011220180)