GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開頂滑坡體快速滑移期的應(yīng)用

何 領(lǐng) 軍

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

開頂滑坡體位于四川省丹巴縣格宗鄉(xiāng)開繞村格宗背斜的北東翼，距離猴子巖水電站壩址約15 km，S211省道從滑坡體下通過(guò)，道路以下為猴子巖水電站水庫(kù)。滑坡體地區(qū)為高山峽谷地貌，地形呈西高東低，總體向大渡河傾斜，自然地面橫坡坡角為30°～35°?；麦w沿S211省道橫河方向?qū)挾燃s為460 m，順河方向長(zhǎng)490 m，滑坡體分布高程為2 080～1 840 m，滑坡體淺表部分為崩坡積層大孤石和碎石土，下伏基巖為志留系綠片巖、含有千枚巖，初步分析推測(cè)滑坡體變形機(jī)制為基巖順層滑移拉裂破壞，滑動(dòng)斷層深度約25 m，滑坡體前緣高程位于庫(kù)水位以下，總體積約為400萬(wàn)m3。

2 開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置

2017年8月，猴子巖水電站巡庫(kù)人員發(fā)現(xiàn)開頂區(qū)域高擋墻出現(xiàn)變形， 11月后變形增大，省道路面與路肩墻間裂縫變大，路面出現(xiàn)多條縱向裂縫與斜向裂縫。為監(jiān)測(cè)開頂滑坡體的變形情況，2017年11月底，水電七局安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目部開始在開頂滑坡體建設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2017年12月完成GNSS土建工作，2018年1月6日，GNSS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行。

開頂GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置6個(gè)GNSS測(cè)點(diǎn)和一個(gè)基準(zhǔn)站，編號(hào)分別為GPS-1～GPS-6以及GPS-JZ。 GPS-1、GPS-2位于Ⅱ區(qū)邊坡，GPS-3位于變形體后緣山脊上；GPS-4、GPS-5位于Ⅰ區(qū)上游側(cè)邊坡；GPS-6位于Ⅰ區(qū)沖溝下游邊坡上； GPS-JZ位于上游變形區(qū)外TB-02外觀監(jiān)測(cè)墩旁。

開頂GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的主要設(shè)備為徠卡公司出品的GM10接收機(jī)和 AR10天線，系統(tǒng)采用靜態(tài)測(cè)量[1，2]模式，采樣間隔為5 s，24 h連續(xù)觀測(cè)，30 min解算1次數(shù)據(jù)，標(biāo)稱精度(1 h解算誤差范圍)：平面位移3 mm，沉降5 mm；GNSS天線到GNSS主機(jī)采用有線傳輸,主機(jī)到服務(wù)器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用4 G無(wú)線手機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸[1]到15 km外的GNSS服務(wù)器，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、查看、下載數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)供電采用180 W太陽(yáng)能板和12 V150 Ah免維護(hù)膠體蓄電池供電。

開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置情況見(jiàn)圖1,系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018年1月6日投運(yùn)后，開頂變形體變形持續(xù)快速增大。

1月8日，開頂滑坡體下游1#沖溝發(fā)生坡面滾石；

1月17日，開頂滑坡體多次發(fā)生坡面滾石，塌方量約600 m3；

1月28日，GPS-4號(hào)測(cè)點(diǎn)單日變形量水平位移為32.5 mm，沉降11.8 mm，超過(guò)20 mm/d的三級(jí)預(yù)警限值；

1月30日，GPS-4號(hào)測(cè)點(diǎn)單日變形量水平位移為63.1 mm，沉降87.8 mm，超過(guò)50 mm/d的一級(jí)預(yù)警限值；

2月5日，GPS-4號(hào)測(cè)點(diǎn)單日變形量水平位移為70.9 mm，沉降29.7 mm，超過(guò)50 mm/d的一級(jí)預(yù)警限值；

2月10日，GPS-4號(hào)測(cè)點(diǎn)單日變形量達(dá)1 167.7 mm，沉降977.8 mm，單日變形量超過(guò)1 000 mm/d;

2月11日，GPS-4號(hào)測(cè)點(diǎn)單日變形量達(dá)4 162.3 mm，沉降3 364.9 mm，山體整體滑坡，后緣沉降達(dá)20多m，S211省道開頂段整體沉降10多m，S211省道斷道。

開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變形數(shù)據(jù)過(guò)程線見(jiàn)圖3，滑坡體滑坡后的現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖4。

圖3 開頂滑坡體快速滑移期GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖4 開頂滑坡體快速滑移后現(xiàn)場(chǎng)航拍圖

3 GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建設(shè)期間和監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題為：

(1)GNSS測(cè)點(diǎn)的建設(shè)問(wèn)題。GNSS測(cè)點(diǎn)建設(shè)難度大。原因?yàn)殚_頂GNSS測(cè)點(diǎn)標(biāo)桿采用Φ219鋼管，長(zhǎng)度為3.75 m，加上角鋼制作的電陽(yáng)能板支架，整體重量很大，滑坡體危石、孤石多，地勢(shì)陡峻，GNSS測(cè)點(diǎn)標(biāo)桿笨重，現(xiàn)場(chǎng)又無(wú)任何道路，只能采取人力搬運(yùn)，運(yùn)上滑坡體的難度和危險(xiǎn)性很大。

(2)GNSS衛(wèi)星信號(hào)問(wèn)題。該項(xiàng)目個(gè)別點(diǎn)位接收衛(wèi)星信號(hào)差，個(gè)別時(shí)段GNSS系統(tǒng)接收到的信號(hào)不滿足最少4顆衛(wèi)星的要求，多路徑效應(yīng)影響大[1]。經(jīng)分析得知其原因?yàn)椋夯麦w搶險(xiǎn)工期緊，系統(tǒng)選點(diǎn)與建造倉(cāng)促，未在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)測(cè)試；滑坡體地勢(shì)險(xiǎn)要，危險(xiǎn)性較大，鑒于地形限制，個(gè)別點(diǎn)位于信號(hào)較差的地方；個(gè)別點(diǎn)位的植被茂密，未進(jìn)行植被清理，進(jìn)而影響到衛(wèi)星信號(hào)的接收。

(3)現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。開頂GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用4 G通訊，在選點(diǎn)與建設(shè)時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)赝ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)弱情況選用了電信的4 G通信卡。但在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該滑坡片區(qū)電信基站信號(hào)不穩(wěn)定，或因斷電經(jīng)常性出現(xiàn)無(wú)信號(hào)情況，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸回服務(wù)器。

(4)GNSS測(cè)點(diǎn)的壽命問(wèn)題。在滑坡體變形過(guò)程中，經(jīng)常性滾石極易損壞GNSS測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)能電池板和數(shù)據(jù)采集箱，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)中斷。如2018年2月11日GPS-4號(hào)點(diǎn)被落石砸壞，GPS-6號(hào)點(diǎn)于3月12號(hào)被落石砸壞。

(5)GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)解算問(wèn)題。開頂滑坡體在快速滑移期間，因位移量急劇增大，每小時(shí)的變形量最大甚至達(dá)到173 mm/h(GPS-4號(hào)點(diǎn))。而開頂GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用靜態(tài)解算[1，2]，觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，解算精度越好，但當(dāng)GNSS測(cè)點(diǎn)變形速率很大時(shí)，或一些GNSS測(cè)點(diǎn)處于周圍遮擋(如建筑物、樹木等)及多路徑效應(yīng)影響時(shí)，靜態(tài)解算[1，2]數(shù)據(jù)表現(xiàn)為浮動(dòng)解，數(shù)據(jù)會(huì)被徠卡自動(dòng)化分析軟件默認(rèn)為是粗差而自動(dòng)舍棄，導(dǎo)致在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)不返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，從而導(dǎo)致部分時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，在滑坡體快速滑移期間不能及時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于這種情況是難以接受的。

(6)GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警問(wèn)題。開頂滑坡體變形值在短時(shí)間內(nèi)即突破了預(yù)警等級(jí)。雖然GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但仍需人工在服務(wù)器值守，觀察和分析數(shù)據(jù)的變化，從數(shù)據(jù)處理、分析、判別到預(yù)警信息[4]的發(fā)出需要一定的時(shí)間，存在滯后性。

(7)GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)問(wèn)題。GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查看、處理和分析是通過(guò)人員值守在數(shù)據(jù)服務(wù)器旁進(jìn)行本地操作或通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。開頂滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的萊卡Spider和GeoMoS軟件界面為全英文界面，其系統(tǒng)界面復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)查看、處理和分析人員的素質(zhì)要求很高，一般人員難以很快掌握，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和表達(dá)復(fù)雜。

4 解決的方法、取得的經(jīng)驗(yàn)和建議

針對(duì)開頂滑坡體GNSS系統(tǒng)建設(shè)和監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，項(xiàng)目部技術(shù)人員總結(jié)出一些解決辦法、經(jīng)驗(yàn)并提出了相應(yīng)的建議，分述如下：

(1)GNSS測(cè)點(diǎn)建設(shè)難度大問(wèn)題。建議：在類似滑坡體GNSS測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)上采用分體式設(shè)計(jì)，可以將GNSS測(cè)點(diǎn)標(biāo)桿輕量化并設(shè)計(jì)為分體組裝結(jié)構(gòu)，減少零件的單重，進(jìn)而降低GNSS測(cè)點(diǎn)建設(shè)的難度。

(2)GNSS衛(wèi)星信號(hào)問(wèn)題。在類似滑坡體GNSS測(cè)點(diǎn)建設(shè)前，必須進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)測(cè)試，檢測(cè)24 h內(nèi)各個(gè)時(shí)段、各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最少衛(wèi)星數(shù)量，對(duì)于單點(diǎn)信號(hào)測(cè)試時(shí)間，建議不小于24 h，所選點(diǎn)位的衛(wèi)星數(shù)量不得少于4顆[1，2]。

GNSS測(cè)點(diǎn)的選擇必須保證一定的衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度,因此，測(cè)站周圍高度角15°以上不能有障礙物;需要遠(yuǎn)離高壓線、無(wú)線電臺(tái)、微波中繼站等大功率信號(hào)收發(fā)物體以降低原始數(shù)據(jù)的信噪比;測(cè)站周圍亦不允許有圍墻、廣告牌、山坡、大面積水域等信號(hào)反射物, 避開山體凹角、建筑物、樹木、高壓電線和信號(hào)基站，以減少多路徑效應(yīng)的影響[1]。如果測(cè)點(diǎn)布置無(wú)法避開，可采取適當(dāng)加高測(cè)點(diǎn)標(biāo)桿[3]、清理影響該型號(hào)儀器障礙物的方法，確保GNSS測(cè)點(diǎn)的信號(hào)滿足監(jiān)測(cè)要求。

(3)現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。首先，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)充分調(diào)研通訊網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，或采取工程措施保證滑坡體現(xiàn)場(chǎng)手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度，如增設(shè)通訊基站；亦可采用4 G雙卡雙待無(wú)線路由器(通訊模塊)，避免采用單卡4 G無(wú)線路由器(通訊模塊)導(dǎo)致的單一手機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)GNSS測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題出現(xiàn)。

(4)GNSS測(cè)點(diǎn)的壽命問(wèn)題?；麦wGNSS測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)能電池板如能在滿足太陽(yáng)照射角度的情況下可將太陽(yáng)能板主面朝向凌空側(cè)，如太陽(yáng)能板朝向無(wú)法調(diào)整，建議在太陽(yáng)能板山體側(cè)上方加裝被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)或主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，以減少滾石損壞太陽(yáng)能板的幾率；數(shù)據(jù)采集箱亦應(yīng)安裝在測(cè)點(diǎn)鋼管標(biāo)桿的背面并盡量減小數(shù)據(jù)采集箱的寬度，避免滾石直接沖擊數(shù)據(jù)采集箱并減少被滾石砸中的幾率，從而提高GNSS監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)滑坡體變形過(guò)程中的壽命，減少維修和維護(hù)頻率，降低GNSS監(jiān)測(cè)人員的作業(yè)危險(xiǎn)性。

(5)GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)解算問(wèn)題。在變形量不大時(shí)(如變形量未超過(guò)3 mm/h)，GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采用靜態(tài)解算，其觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，解算精度越好。但當(dāng)GNSS測(cè)點(diǎn)變形速率很大時(shí)(如變形量超過(guò)3 mm/h)，應(yīng)將GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)設(shè)置為動(dòng)態(tài)結(jié)算[3]，從而避免監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)浮動(dòng)解算的情況。監(jiān)測(cè)分析軟件誤認(rèn)為每小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為粗差，從而導(dǎo)致滑坡體快速滑移期間有效的、真實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被軟件自動(dòng)錯(cuò)誤的舍棄而導(dǎo)致滑坡體快速滑動(dòng)期間關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失。

萊卡的GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Spider軟件解算，該軟件解算模式分為兩種：靜態(tài)解算和動(dòng)態(tài)解算。在靜態(tài)解算模式下的數(shù)據(jù)精度可以達(dá)到毫米級(jí)[3]，而動(dòng)態(tài)解算[4]模式下的數(shù)據(jù)只能達(dá)到厘米級(jí)。對(duì)于已經(jīng)快速滑移的邊坡，靜態(tài)解算難以快速、實(shí)時(shí)的呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且其毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度已失去意義，但采用動(dòng)態(tài)解算可以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，雖然其精度較差，但監(jiān)測(cè)頻率可達(dá)5 s一個(gè)數(shù)據(jù),在滑坡體快速滑移期間，GNSS監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)解算的意義重大，可實(shí)時(shí)、快速地反映滑坡體的運(yùn)動(dòng)狀況，為應(yīng)急搶險(xiǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。

(6)GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警問(wèn)題。通過(guò)對(duì)GeoMoS[6]數(shù)據(jù)分析軟件的設(shè)置，對(duì)超過(guò)限差的點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警，開頂滑坡體主要采用了應(yīng)用程序和郵件兩種預(yù)警方式，對(duì)開頂滑坡體現(xiàn)場(chǎng)安全管制人員的預(yù)警采用郵件預(yù)警方式，告知相關(guān)部門人員提前做好相關(guān)安全工作。

根據(jù)開頂滑坡體變形應(yīng)急預(yù)案設(shè)置的預(yù)警等級(jí)，GeoMoS[6]數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)置了三級(jí)預(yù)警閾值，預(yù)警信息內(nèi)容主要包括時(shí)間、點(diǎn)號(hào)、儀器、預(yù)警等級(jí)、位移量、限值等。

在開頂GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位移變化大于一級(jí)限差時(shí)均會(huì)觸發(fā)二、三級(jí)郵件預(yù)警；大于二級(jí)限差時(shí)軟件均會(huì)觸發(fā)二、三級(jí)郵件預(yù)警。此郵件預(yù)警的弊端在于：如果現(xiàn)場(chǎng)超出限差的點(diǎn)位較多且變形值較大，每個(gè)超限的點(diǎn)都會(huì)不斷給我們發(fā)多條預(yù)警信息，預(yù)警接收人的郵箱會(huì)被這種預(yù)警郵件占滿，針對(duì)此問(wèn)題，我們對(duì)GeoMoS[6]數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行了設(shè)置，減少了重復(fù)的郵件預(yù)警信息，如每10條發(fā)出一次預(yù)警或者每隔1 h進(jìn)行一次預(yù)警，從而解決了短時(shí)間內(nèi)軟件重復(fù)觸發(fā)郵件預(yù)警的問(wèn)題。

(7)GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)問(wèn)題。筆者建議對(duì)GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的手機(jī)APP軟件，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析和查看界面，豐富數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)形式，改善用戶體驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者針對(duì)在開頂滑坡體GNSS系統(tǒng)建設(shè)和監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，提出了具體的解決辦法和建議，以及在滑坡體快速滑移期間針對(duì)如何快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑坡體變形過(guò)程，及時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出預(yù)警信息指導(dǎo)應(yīng)急搶險(xiǎn)，以及提高GNSS系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)在滑坡過(guò)程中的壽命總結(jié)了一些工程經(jīng)驗(yàn)，希望能為類似快速滑坡體GNSS監(jiān)測(cè)提供借鑒。