地質(zhì)滑坡監(jiān)測技術(shù)研究

楊軍偉，李 蘭，成玉祥

(1. 河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450018； 2. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 007154)

地質(zhì)滑坡監(jiān)測技術(shù)研究

楊軍偉1，李 蘭2，成玉祥2

(1. 河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450018； 2. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 007154)

以前峪滑坡為基礎(chǔ)，通過對前峪滑坡監(jiān)測技術(shù)的研究，對存在的問題提出相對應(yīng)的方法，也為以后滑坡監(jiān)測儀器設(shè)計(jì)提供理論支撐。

監(jiān)測技術(shù)；前峪滑坡；地質(zhì)監(jiān)測

1 前峪滑坡情況

前峪滑坡位于林州市最北部太行山區(qū)任村鎮(zhèn)前峪，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113(°)50(′)48(″)，北緯35(°)19(′)42(″)，前峪滑坡的滑坡體方位處于正北方向，總體形態(tài)較緩，被專家認(rèn)為是老滑坡，然后居民在滑坡體上建立了新房子。根據(jù)對前峪滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，前峪滑坡處于蠕動狀態(tài)。坡長約500 m，主要是基巖滑帶穩(wěn)定性在暴雨/地震狀態(tài)下持續(xù)降低，坡下居民約200戶，威脅巨大，根據(jù)滑坡規(guī)模，屬于大型滑坡，通過在詳查時(shí)鉆探資料佐證滑帶，是典型的牽引式滑坡，通過對本滑坡監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，更好地研究滑坡的穩(wěn)定性。

1.1 前峪滑坡的形成機(jī)理研究

從力學(xué)角度討論滑坡的形成機(jī)理，主要就是剪切應(yīng)力大于摩擦應(yīng)力，再者就是坡體由于軟弱夾層的存在使抗剪強(qiáng)度降低。從外界條件分析，地形地貌，震動，加上地下水的物理化學(xué)作用，使巖體結(jié)構(gòu)改變甚至破壞。

坡角部位是較陡臨空面，從客觀上就構(gòu)成了斜坡體產(chǎn)生滑坡的空間要素。斜坡前地形坡角約23(°)，主滑方向坡角為45(°)，前緣為河谷階地地帶，居民將房子建在滑坡的滑體和坡腳上，居民區(qū)的自重應(yīng)力嚴(yán)重破壞了區(qū)域的力學(xué)平衡，因此，雖然坡體較緩，但為滑坡的剪出口提供了較好的空間條件[1-2]。

根據(jù)調(diào)查和鉆孔資料，地層從下往上為:砂巖，殘積粉質(zhì)粘土夾碎石，上覆有第四系塊石土坡積層。地表水的水源主要是大氣降水，而殘積粉質(zhì)粘土屬于相對的個(gè)稅層，但在長期降雨的條件下，形成了飽和土，在震動作用下就會形成滑動帶[3]。

大氣降水決定了斜坡的蠕變、斜坡的發(fā)生。大氣降水通過巖土孔隙和孔洞補(bǔ)給，還有來自高處的石英砂巖基巖裂隙水的補(bǔ)給作用，水體在運(yùn)動過程中將粉質(zhì)粘土軟化，使之飽和，在不斷增大的水壓作用下，大氣降水變?yōu)闇\表地下水儲存起來。飽和的粉質(zhì)粘土的極低抗剪強(qiáng)度，在特定情況下就形成的滑動帶，為滑坡的發(fā)生提供了相當(dāng)于潤滑劑的滑帶，當(dāng)所有的軟弱夾層形成了貫通帶，滑坡就隨之產(chǎn)生了。

總結(jié)來說，斜坡前緣是完全臨空的，在大氣降水的長期作用下，使坡體的粘性土達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而將其軟化，使其抗剪強(qiáng)度急劇下降，最后當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面貫通后，就會形成坡體失穩(wěn)，進(jìn)而形成滑坡。

1.2 破壞機(jī)制分析

破壞機(jī)制是在滑坡形成的基礎(chǔ)上，加上人工改造上覆蓋層，加強(qiáng)了地表水的連通性，長期對下伏的石英砂巖浸泡，降低其抗剪強(qiáng)度，剪應(yīng)力增大。根據(jù)滑坡的變形特征可以看出，前峪滑坡為推移式滑坡[4]。

綜合分析認(rèn)為前峪滑坡在各種不利因素的影響下，有繼續(xù)發(fā)展變形破壞外部條件，雖然在一定的工況下基本穩(wěn)定狀態(tài)，如果不能及時(shí)防治，隨著滑坡體蠕變加劇，就可能會在長期降雨條件下引起整體失穩(wěn)，威脅坡腳及坡體居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

根據(jù)滑坡的破壞形式和計(jì)算模型，采用《滑坡防治工程勘查規(guī)范》附錄E推薦的滑坡穩(wěn)定性評價(jià)和推力計(jì)算公式。

根據(jù)河南地震烈度圖，林州市烈度為Ⅶ度。根據(jù)地震區(qū)劃圖，任村鎮(zhèn)地震加速度值為0.10 g。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,將滑坡的自重、地震和暴雨3個(gè)主要條件結(jié)合起來考慮，我們就可以分以下3種情況，每種情況都會得到一個(gè)穩(wěn)定系數(shù)，這也是指導(dǎo)我們工作的一個(gè)重要指標(biāo)。

按3種工況進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定性計(jì)算，即：自重工況；自重+暴雨工況；自重+地震工況，見表1。

表1 3個(gè)剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

對3種工況對應(yīng)的3個(gè)剖面逐一進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》第12.4.6條的規(guī)定，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分級由其穩(wěn)定系數(shù)和3種工況如表2。

表2 3種工況滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分級表

由3種工況的計(jì)算結(jié)果可知：

1) 只存在自重條件下，斜坡土體的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值Fs>1.15，斜坡在自重條件下是穩(wěn)定的。

2) 自重和暴雨兩個(gè)條件同時(shí)存在時(shí)，3個(gè)剖面的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值Fs<1.00，斜坡是不穩(wěn)定狀態(tài)的。

3) 自重和地震兩個(gè)條件同時(shí)作用時(shí)，3個(gè)剖面的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值Fs<1.00和1.0≤Fs<1.05兩種情況，是在欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定之間，有必要加強(qiáng)重視。

2 監(jiān)測儀器設(shè)備

本滑坡監(jiān)測利用的儀器主要有測含水率，測深度位移等參數(shù)，測地表位移的GPS，儀器主要是通過軟件將測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较噙B接的電腦里，電腦是一天24 h工作，當(dāng)位移達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，還會有報(bào)警提示，這個(gè)軟件還有手機(jī)版，工作人員也可以實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，以免發(fā)生意外時(shí)可以第一時(shí)間進(jìn)行解決。尤其是暴雨季節(jié)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測。

雨量監(jiān)測站主要是由數(shù)據(jù)采集端，GPRS終端，太陽能接收板蓄電池、充電保護(hù)器，DC模塊，太陽能板，雨量傳感器等。中心軟件可以分析10 min雨強(qiáng)，1 h雨強(qiáng)，24 h雨強(qiáng)，等滑動窗口統(tǒng)計(jì)。并有預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)雨強(qiáng)超過我們設(shè)定的閾值，便會發(fā)出預(yù)警聲音，引起工作人員的注意。

深部位移監(jiān)測站也是由數(shù)據(jù)采集端。GPRS終端，太陽能接收板蓄電池，充電保護(hù)器、DC模塊，泥位傳感器，泥位傳感器安裝的是測斜探頭等。深部位移計(jì)的量程是±5(°)，分辨率：0.01(°)，精度：±0.1% F.S.R，輸入電壓18～24 V DC，量測單位：mA，絕緣電阻大于100 MΩ/500 V，工作溫度-10℃～+60℃。

表面裂縫監(jiān)測站由數(shù)據(jù)采集終端，GPRS終端，蓄電池，太陽能接收板，一體化GNSS接受監(jiān)測站由GNSS接收終端，蓄電池，太陽能板等。

變形監(jiān)測是指對變形體進(jìn)行測量，確定其空間位置及內(nèi)部形態(tài)隨時(shí)間的變化特征，根據(jù)變形體的性質(zhì)和地基情況包括山體邊坡、大橋、大壩、高層建筑、尾礦等應(yīng)用方向。系統(tǒng)主要由GNSS高性能測量型天線、GNSS高精度接收機(jī)、高精度靜態(tài)網(wǎng)平差軟件、數(shù)據(jù)鏈路、中心服務(wù)器、供電系統(tǒng)(太陽能板市電電池組)等組成。諾瓦泰OEM6或北斗天權(quán)高精度接收機(jī)結(jié)合GrafNet靜態(tài)后處理軟件，可以快速進(jìn)行海量數(shù)據(jù)處理，為用戶提供連續(xù)可靠的毫米級高精度定位解算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)的變形分析和預(yù)報(bào)。

裂縫位移計(jì)測量范圍：0～200 mm，最小讀數(shù)k≤0.12 mm/F，測量精度±0.1% F.S，電池電壓在4.2～12 V之間。

土壤含水率主要技術(shù)指標(biāo)單位(m3/m3)，量程0～100%(m3/m3)，范圍內(nèi)為±2，測量區(qū)域：90%的影響在圍繞中央探針的直徑3 cm，長為5.8 cm的圓柱體內(nèi)，精度偏移量無。傳感器線性離散偏差概率：1%(線性)，穩(wěn)定時(shí)間：通電后約1 s，響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)在1 s內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，工作電壓：輸入為4～6.5 V，標(biāo)準(zhǔn)5 V DC，工作電流28～30 mA，典型值28 mA，輸出信號：輸出為0～2.5 V DC，工作溫度-30～+70℃，電纜長度：標(biāo)準(zhǔn)長度9 m，差分采集最大接線長度400 m。接線方式：4線式。

3 結(jié) 語

前峪滑坡的監(jiān)測是十分有必要的，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析對政府有著相當(dāng)重要的作用。本次儀器使用的太陽能板接收器有著一定的弊端，連續(xù)陰雨天對數(shù)據(jù)采集有著很大的影響。現(xiàn)在的滑坡監(jiān)測儀器都朝著監(jiān)測項(xiàng)目多，精度高方向發(fā)展，從原本的基本地表監(jiān)測位移，到深度位移監(jiān)測，從原本的含水量監(jiān)測，到現(xiàn)在的十分雨強(qiáng)監(jiān)測，即使是處于蠕動狀態(tài)的滑坡也可以監(jiān)測出相當(dāng)精確的數(shù)據(jù)。但是監(jiān)測儀器會受到環(huán)境的限制，環(huán)境限制主要是蓄電池，怎樣能使太陽能接收器和蓄電池完美結(jié)合，是接下來大家需要解決的。監(jiān)測儀器的創(chuàng)新不是一個(gè)固定的方向，為了能更好的接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)測儀器已安裝攝像頭，儀器接受終端可以操控讓監(jiān)測儀器及時(shí)攝像或者錄像，這對地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)性有著很好的監(jiān)控作用。

[1] 謝謨文. TLS技術(shù)及其在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 國土資源遙感，2014, 26(3): 8-15.

[2] 陳朋超. 光纖光柵埋地管道滑坡區(qū)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010, 32(6): 897-902.

[3] 田東升. 河南省地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情評估[J].災(zāi)害學(xué)，2014(4)：48-51.

[4] 劉韜. GNSS技術(shù)在滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用研究與實(shí)例分析[D]. 成都：成都理工大學(xué)，2015.

An Research of Landslide Monitoring Technology

YANG Junwei1，LI Lan2, CHENG Yuxiang2

(1.GeologicalEnvironmentalMonitoringInstituteofHenanProvince,Zhengzhou,Henan450018,China; 2.CollegeofGeologicalEngineeringandSurveying,Chang'anUniversity,Xi'an,Shanxi007154,China)

Through the study of Qian Yu landslide monitoring technology, this paper puts forward corresponding methods for the existing problems for the future. It tries its best to provide theoretical support for landslide monitoring instrument design.

Monitoring technology; Qian Yu landslide; Suggestion

2017-04-15

國家自然科學(xué)基金(211026160240)

楊軍偉(1972-)，男，河南林州人，高級工程師，研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)，手機(jī)：13633805856，E-mail：8546825900@qq.com.

P642.22

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.053