歐陽祖熙 張宗潤 陳明金 師潔珊 陳征 韓文心
（中國地震局地殼應力研究所，北京，100085）
摘要為了較好地解決滑坡監測中高度的不確定性問題，需要配合使用多種類型的監測系統。本文系統介紹了三峽庫區萬州、奉節、巫山等地開展的地質災害監測預警研究工作，包括基於3S技術和地面變形監測臺網建立的研究區典型地段滑坡監測網、研制的新型滑坡無線遙測臺網，以及流動傾斜儀、激光測距儀等專用設備。通過近年來獲得的壹些典型監測結果剖析了不同技術和方法在地質災害監測預警相關方面應用的有效性。
關鍵詞三峽庫區 滑坡 監測預警系統 3S技術
1 引言
自1998年以來，中國地震局地殼應力研究所（以下簡稱地殼所）三峽庫區地質災害項目組依托國務院三峽建設委員會移民局“三峽工程萬州庫區GPS滑坡監測示範研究”，科技部“十五”攻關項目“示範區新型、高效地質災害遙測臺網技術系統研究”，重慶市政府和移民局下達的“奉節、巫山高邊坡與高擋墻穩定性監測”，以及地殼所與德國地球科學研究中心和英國倫敦大學學院關於“應用PSInSAR遙感技術監測三峽庫區滑坡及庫岸變形”等項目的支持，在萬州、巫山、奉節三地移民局和國土局的配合下，廣泛深入地開展了庫區地質災害監測預警系統的研究。監測的對象由滑坡、危巖與庫岸變形，擴展到高擋墻、高邊坡和移民樓房基礎的穩定性，監測技術體現了多學科的融合。
幾年來，在進行地質調查的基礎上，項目組運用3S技術，建立地質災害地理信息系統（GIS）；開展全球衛星定位（GPS）滑坡變形監測及多手段儀器監測；並整合現今成熟的、先進的傳感器與測量技術、計算機信息處理技術與通訊技術，以 GSM/GPRS為通訊平臺的無線遙測臺網，可以選擇連接不同的傳感器來監測崩、滑體地表變形、深部位移、地下水動態、聲發射、裂縫變化、雨量，以及庫岸及抗滑樁等工程構築物內部應力及所受的推力等；在遙感（RS）技術應用方面，將國際上新近提出的角反射器技術用以輔助進行InSAR信號處理，建立了試驗臺網。迄今，項目組在庫區庫岸與滑坡變形監測及災害預警系統的工作中已獲得了多項階段性成果，壹些典型地區的監測成果為政府減災決策提供了重要依據。
2 庫區地質災害監測網設計的指導思想
庫區崩塌、滑坡監測的主要目的是：全面了解和掌握崩、滑體的演變過程，及時捕捉崩、滑體災變的特征信息，為崩塌、滑坡災害的正確評價分析、預測預報及治理工程等提供可靠的資料和科學依據。同時，監測結果也是檢驗崩塌、滑坡分析評價及滑坡工程治理效果的尺度。
為了達到上述目的，庫區地質災害監測系統總體設計思想為：
（1）針對不同崩、滑體的地質構造與變形階段特征，應采用不同的方案、手段進行監測；
（2）鑒於崩、滑體變形破壞過程的高度不確定性，同壹崩滑體上宜采用多種手段監測，形成點、線、面、地表與地下相結合的立體監測網，使其互相補充、檢核；
（3）在群測群防工作的基礎上，發展常規人工儀器觀測與無線自動遙測的技術、建立靜態和動態監測相結合的監測預警網絡，分別服務於地質災害的長期、中期預測和短期預警。
3 地質災害監測方法與技術
依據崩、滑體變形監測的物理量，兼顧變形測量對精度的要求和監測工作的效率，結合當前國內外監測技術和方法的發展水平，在實際應用中采用GPS、InSAR、激光測距、流動傾斜、裂縫監測技術測量地表形變，壹些地段也采用了傳統方法如全站儀和水準測量；鉆孔測斜儀監測深部位移；孔隙水壓力計監測地下水動態變化；鋼筋應力計與錨索（桿）應力計，分別用於監測抗滑樁內部鋼筋和錨索、錨桿的受力變化；同時，采用遙測臺網技術采集包括地表變形、深部位移、地下水、鋼筋計、危巖聲發射等在內的各種動態監測數據。下面簡要評述這些方法的特點與適用領域。
3.1 GPS（全球衛星定位系統）大地測量網
全球衛星定位系統（GPS）是美國國防部研制的導航定位授時系統，由24顆等間隔分布在6個軌道面上、大約20000km高度的衛星組成。在地球上任何地點、任何時刻，在高度角15。以上天空至少能同時觀測到4顆以上的衛星。用戶在地面用接收機接收這些衛星發射來的信號，測定接收機天線到衛星的距離，就可以計算出接收點的三維坐標。近年來，我國開發和應用GPS定位技術的發展速度很快，如在長江三峽工程壩區已建立了GPS監測網，實踐證實，高性能配置的GPS水平定位精度可達毫米級，完全可用於崩塌、滑坡的位移監測。
相對於傳統的大地測量方法，GPS測量技術應用於滑坡監測有以下優點：①觀測點之間無需通視，選點方便；②不受天氣條件限制，可以進行全天候的觀測；③觀測點的三維坐標可以同時測定；④新壹代 GPS接收機具有操作簡便、體積小，耗電少的特點。所以，這種方法已廣泛運用於滑坡變形監測、施工安全監測以及滑坡工程治理效果監測之中。但是，由於監測站建設和獲取數據周期較長，在災害的短期預警中該方法用得較少。
3.2 專用儀器監測網
在此類測量方法中，有多種傳統的測量儀器目前仍在廣泛使用，如經緯儀、全站儀、水準儀和鉆孔測斜儀等，它們主要用於各種工程治理項目的施工安全監測中。除了前述的儀器外，我們還從三峽庫區的具體環境條件出發，結合地質災害其他方面監測工作的需要，開發了便攜式傾斜儀、流動激光測距儀等設備，彌補GPS觀測受房屋、山坡遮擋而不便施測的不足，以便對位於河谷斜坡地形上的庫區移民新城鎮的滑坡地表變形、房屋及地基基礎變形進行全面監測。在壹些經過工程治理的重點滑坡、變形體上，結合治理效果監測，還大量運用了鋼筋計和錨桿（索）計以監測抗滑樁內部應力及滑坡的推力。
在地表開展各種流動儀器觀測具有監測參量多，靈敏度高，測量範圍較大，效率高，成本低，操作簡單等特點，因此這類測量方法適用於滑坡治理施工安全監測和效果監測，與前壹種GPS流動站觀測法相同，也大量應用於多種地質災害的中、長期監測預報中。
3.3 地質災害無線遙測臺網
目前，國外崩塌、滑坡監測預警技術已發展到壹個較高的水平。首先是較普遍采用了全自動、多參數監測的遙測臺網；其次，在地質災害模型預報和預警系統方面，已運用3S(GPS、GIS和RS）技術進行地質災害空間分析、模型預報和預警系統研究。國內在上述方面盡管還存在較大的差距，但近年來，鐵道部、交通部等個別研究所及少數礦區已嘗試采用小型遙測臺網進行滑坡災害的監測預報；2002年，中國地震局地殼所在三峽庫區又率先建立了用於地質災害監測預警的多參數無線遙測臺網。
“RDA型地質災害無線遙測臺網”系地殼所開發的基於GSM/GPRS技術的新型無線遙測臺網。該系統主要由監測子站群、監測預警數據中心和GPRS數據通訊公網等三部分組成（系統構成見圖1）。GPRS是在GSM基礎上發展起來的壹種無線分組交換的數據承載業務。相對於GSM/SMS的電路交換數據傳送方式，GSM/GPRS采用分組交換數據傳送方式，提高了傳輸速率，有效利用無線網絡信道資源，全面實現了移動Internet功能，對於每個用戶永遠在線等方面具有非常明顯的優勢。
圖1 GPRS滑坡無線遙測系統構成
根據單體滑坡監測的需要，可以確定所需遙測子站的個數，各遙測子站可以選擇連接不同的傳感器來監測滑坡地表位移、深部位移，或者地表傾斜、裂縫變化、雨量，以及監測護岸、抗滑樁等工程構築物內部應力和所受的推力等。監測預警數據中心系統軟件功能包括接收各地質災害點遙測子站的數據、數據入庫、顯示變形趨勢曲線和超限自動報警等功能。同時，數據中心站可對各遙測子站發出指令，改變其工作參數，如數據采樣間隔（5分鐘、1小時、24小時等）。系統可接入地區監測預警中心微機局域網，支持運行基於GIS的減災決策支持系統。市、縣級地質災害監測指揮中心的計算機屏幕上可以準實時地密切監視滑坡加速變形趨勢，支持對庫岸和滑坡破壞事件進行短期及臨滑預報，也可以對發生的地質災害事件進行現場監測和救助指揮。從2002年我們在萬州WJW滑坡建成第壹個遙測臺網以來，在萬州和巫山運用“RDA型地質災害無線遙測臺網”監測的崩、滑體已有近20處，積累了豐富的數據。該地質災害無線遙測系統主要具有以下特點：
（1）監測參量多，精度高
系統集成了包括：滑坡地表變形（位移、沈降）、傾斜變形測量儀、裂縫測量儀、崩滑體微破裂聲發射信號記錄儀、鉆內地層滑移變形測斜儀、孔隙水壓測量儀、鋼筋測力計、錨索（桿）拉力計等8種滑坡監測儀器。這些測量儀器均具有較高的測量精度和較大的動態範圍。
（2）自動遙測，無人值守
遙測儀器均內置微處理器和無線數據傳輸模塊，動態範圍大，全自動監測，無線傳輸，可用交流電源或太陽能電池供電。
（3）無障礙設計
所研制的儀器在測量、數據傳輸等方面均符合無障礙設計要求，因而有安裝方便，環境適應性好等優點。
（4）依托先進的通訊技術
本遙測臺網綜合運用了最新發展的GSM/GPRS通訊技術，既適應三峽庫區的地形條件，便於安裝和維護，又具有高容量、覆蓋範圍廣以及成本較低等特點。
3.4 崩塌滑坡應急監測系統
以往，無論在三峽庫區還是我國其他地方，發現有崩塌滑坡跡象時，常因缺乏應急監測手段，未能詳細積累數據，錯失研究的機會且不論，有時終因措施不力造成人民生命的損失。我們在RDA型遙測臺網的基礎上，將通訊改為GSM/SMS，即短信息方式，目的是使系統對通信公網的適應能力更強，架設更簡便可靠。在監測環境偏遠以及應急監測的場合，這壹點顯得尤為重要。
應急監測系統優選了地表傾斜、激光測距、裂縫測量儀等手段。壹旦有群眾報告或者通過儀器監測發現某地滑坡有加速變形跡象，便能急速趕赴現場，及時安裝臺網，實施24小時連續監測。既能有效避免不測事件的發生，還可積累研究滑坡變形破壞階段的寶貴資料。2003年，應萬州地方政府的要求對公路、橋梁開展的應急監測便收到了良好的效果。
3.5 合成孔徑幹涉雷達InSAR測量技術
合成孔徑雷達幹涉（InSAR
InSAR—Interferometry Synthetic Aperture Radar的縮寫。
）測量技術，是利用相鄰航線上觀測的同壹地區的兩幅SAR影像的相位差來獲取地面數據的測量技術，其主要特點是利用雷達數據中的相位信息。幹涉雷達優點較多：具全天候工作能力，發射的微波對地物有壹定穿透能力，能提供光學遙感所不能提供的信息，且為主動式工作方式。對於歐洲雷達衛星 ERS-1/2和加拿大雷達衛星RADRSAT-1，采用幹涉技術來產生 DEM，監測地面位移變化，精度可以達到毫米量級。因此，該技術手段特別適用於大面積的滑坡、崩塌、泥石流以及地裂縫、地面沈降等地質災害的監測預報，是壹項快速、經濟的空間探測高新技術。
三峽地區植被茂盛，雨水充沛，地貌差異較大，不利於幹涉雷達信號的處理，曾有人在該地區做過嘗試未獲成功。為此，地殼應力研究所與德國地球科學研究中心（GFZ）合作，采用了國際上新推出的角反射器技術以輔助進行 InSAR信號處理。角反射器是用三塊角形金屬板制作的壹種裝置，它對照射其內的雷達波可按原方向反射回去，反射信號相對於周圍環境有顯著的增強。通過在工作區範圍內均勻布設人工角反射器，並確定壹些穩定的點作為天然反射點，便於圖像的配準和精確計算角反射器的位移。對於三峽庫區如此大的範圍，僅僅利用有限的點位進行 GPS或其他儀器設備測量滑坡體形變是有局限的，因此，探索利用InSAR技術開展三峽庫區滑坡監測，具有重要的意義。2003年，我們已經在萬州和巫山兩地安裝了14個角反射器，進行試驗監測和研究，同時還聯合進行 GPS變形監測作為對比。
4 用於地質災害監測預警的GIS系統
地質災害監測地理信息系統是壹個能夠有效管理各種四維空間（含地理坐標和時間變化）數據的信息系統。它以崩滑體等監測對象為基礎，把地形、城市規劃、監測點分布等空間數據，按其空間位置存入計算機；通過數據庫模塊、曲線顯示模塊與數據分析模塊，實現監測數據的存儲、更新、查詢、趨勢分析、繪圖顯示及圖、表輸出等功能。
系統主要由四部分組成：地理信息子系統、地質基礎資料文獻管理子系統、地質災害監測數據庫子系統和監測數據分析子系統。
地殼所自1998年在重慶市萬州區開展地質災害的監測與研究工作以來，首先致力於建立基於GIS的地質災害數據和資料管理平臺，在2000年研制成功“萬州庫區移民工作地理信息系統”。之後，又逐步完善相關的數據庫管理系統，充實數據分析模塊，增加自動報警功能，實現了含數據管理、分析於壹體的滑坡監測預警GIS系統，並相繼推廣到巫山、奉節兩縣。
系統采用面向對象的編程語言Visual C++6.0為開發工具，以MapInfo為基本開發平臺；地質災害監測數據庫利用Microsoft SQL Server 2000創建，通過ADO技術進行數據庫連接、訪問。地質災害監測預警GIS系統以大比例尺電子地圖作為工作用圖，可以任意縮放、漫遊、能夠自動查找地圖目標，並與數據庫相關聯。該系統為管理各種工程地質、水文地質資料，為管理上述幾類地質災害監測網和監測數據，為數據的分析與結果顯示，包括為群測群防工作的管理均提供了壹個有效的平臺，進而為滑坡穩定性的研究打下了很好的基礎（系統總體結構如圖2）。
圖2 地質災害監測預警GIS系統總體結構框圖
根據前述功能的要求，該系統可以輸出多種表達數據處理及空間分析結果的圖形、圖表與三維模擬圖等可視化形式。圖3顯示了巫山縣GIS系統的壹個界面，顯示出滑坡、道路及四類監測站的分布，即為壹例。
圖3 巫山GIS系統顯示的GPS和傾斜監測站分布圖
1.GPS靜態監測站；2.GPS動態監測站；3.流動傾斜監測站；4.GPS坐標控制點
數據分析流程基本上有如下的3個方面：
（1）整個監測系統獲得的數據，包括自動傳輸與流動觀測的，經過校核確認無誤後，即可存入當地地質環境監測站基礎數據庫。
（2）基於地理信息系統的地質災害趨勢分析及預警技術研究，包括進行監測結果的統計分析、時間序列分析、地表位移矢量圖分析、滑坡的深度—位移曲線分析、位移—降雨量分析等，並進而確定在不同的地質環境下滑坡預警的閾值。
（3）所獲得的滑坡變形時間變化曲線及其二維平面分布圖像的結果，可用於做進壹步的滑坡穩定性分析研究。
5 各類監測技術的應用與典型監測結果
5.1 GPS技術用於滑坡變形監測
自1999年底萬州庫區建成含120余個流動站的GPS滑坡變形監測網，到2002年底，***完成了8期測量。結果顯示，多數滑坡近期變形速率較低，在5mm/a以下；但半邊石壩與實驗小學等少數滑坡年變形速率分別達84mm和49mm；關塘口、青草背等滑坡也有明顯變形。圖4顯示了萬州城區滑坡現今變形的分區特點：變形大的地區多為陡坡，有的是古滑坡分布地區；近期的變形主要和人類工程活動以及強降雨等因素有關。
圖4 萬州城區滑坡變形分布示意圖
1.GPS滑坡監測點；2.滑坡；3.滑移矢量；4.變形較小的穩定地區
上述結果對於庫區城鎮的建設規劃有指導意義。據了解，有的基礎設施項目選在上述變形區域內，自2002年初開工，場平屢屢受阻，歷時3年無法開展基本建設，付出了沈重的代價。對這幾處穩定性差的滑坡體，加強了跟蹤監測和研究。例如萬州 SMB滑坡2003年繼續發生變形垮塌，其北部區域5月以來曾發生嚴重變形。圖5給出了3條有代表性的基線變化情況，縱坐標表示日降雨量以及GPS基線長度變化，單位為mm。由圖中可以看到，2003年壹季度該區變形速率不高，4月18日（即圖中第108日）降大雨84mm後，滑坡變形明顯加速。G123-134是接近主滑方向的測量基線，到6月累計變形量達到400m左右。除了該區是因人類工程活動觸發滑坡變形因素外，強降雨的影響不可低估。
又如奉節新縣城地區有大小崩塌、滑坡50余處，其中以三馬山、寶塔坪、白衣庵、南竹園等大型滑坡對新建縣城的影響最大。由於新縣城地處復雜的地質構造部位，巖層較為破碎，沖溝發育，高階地較窄，且連續性差。新建移民區大多分布在地勢較陡的溝、谷坡上，人工開挖的高陡邊坡隨處可見，並以高度大、連續分布長為特點，邊坡高度可達30～40m，長度數百米。高邊坡的穩定性問題是奉節縣城最大的潛在地質災害問題之壹。
2002年我們在奉節建立了含290個監測樁的GPS和地表傾斜變形監測網。到2003年中，整個縣城近8km2範圍的變形分布如圖6所示，發生最大變形的地區是西部朱衣河谷坡壹帶的高邊坡。這些地帶大多是高階地、陡坡，表現的主要地質災害問題是建築載荷導致的自然高、陡邊坡、古滑坡失穩；因平整建築場地而切削邊坡，填平坡腳、溝谷，產生的高邊坡與回填邊坡的失穩等。
圖5 SMB滑坡地表變形 GPS測量成果
圖6 2003年奉節新縣城變形等值線圖
5.2 在滑坡工程治理安全施工階段運用的監測技術
本階段的監測工作主要用於評價滑坡（危巖）治理施工過程中滑坡的穩定程度，及時反饋、跟蹤和控制施工進程，對原有的設計與施工組織的改進提供最直接的依據，對可能出現的險情及時發出報警信號，以便調整有關施工工藝和步驟，避免惡性事故的發生。做到信息化施工，以期取得最佳的經濟效益。目前，在安全監測中使用了大量的專用儀器布設監測網，這已為廣大工程技術人員所熟悉，這裏僅舉壹例說明“RDA型地質災害無線遙測臺網”的應用成果。從2002年5月起在萬州 WJW滑坡建立了無線遙測臺網。該滑坡為三峽庫區二期地質災害工程治理計劃項目，從2002年11月開始施工，2003年2月完成。圖7所示為沿滑坡主滑方向激光測距遙測儀獲得的結果。盡管施工包括59個抗滑樁的開挖與澆註，但由於設計與施工合理，整個施工期間滑坡體位移僅幾個毫米，可見通過遙測臺網連續監測，可以及時準確掌握滑坡變形動態，確保施工安全。
5.3 工程治理效果監測
仍以萬州WJW滑坡為例。該滑坡治理工程采取以預應力錨拉抗滑樁為主，地表排水及生物工程為輔的綜合治理方案。治理效果監測網采用了GPS、深部位移、孔隙水壓力測量和鋼筋應力計等儀器監測方法，在關鍵部位還設置了遙測臺網進行連續監測。
圖7 萬州 WJW滑坡工程治理施工安全監測位移曲線
圖8 為A2號抗滑樁上3002遙測子站2003年8月到12月觀測結果的日變化曲線。由圖可見：錨拉抗滑樁內力（鋼筋計、錨桿計觀測）和滑坡深部位移的變化與地下水孔隙壓力（滲壓計觀測）的變化呈明顯的相關關系；根據氣象資料，滑坡孔隙水壓力的變化與降雨亦有直接關系。但是從總趨勢看，抗滑樁內力、深部位移變化不大，說明 WJW滑坡經過治理後基本上處於穩定狀態，這與其他監測點儀器巡測的結果基本壹致。
圖8 3002遙測子站觀測結果曲線顯示
圖9 為巫山GIS系統上分析、顯示的WZB邊坡傾斜變形矢量圖，是使用儀器監測網進行工程治理效果監測的實例。如矢量圖所示，4個測點的傾向均與坡向大體壹致，2003年累計角變量≤0.02°，說明經過治理後的邊坡穩定性良好。
5.4 滑坡變形應急監測
巫山縣殘聯滑坡位於巫山新縣城中心地帶，滑坡區內高程在278～492m之間，為河流谷坡地形，坡角在10°～30°之間。滑坡體為第四紀坡積物，含碎石、粉質粘土，厚度0～12m，總體積約15萬m3。由於本區域為斜坡區，公路及房屋等建設須對原始邊坡不同程度的開挖、切坡，2001年已發現有變形發生。地勘資料表明殘聯滑坡周界明顯，滑面漸趨形成，屬推移式滑坡。2002年雖經兩度治理，其西區在2003年仍有明顯變形，危及其下的公路和移民樓房的安全。
圖9 巫山縣 WZB邊坡傾斜變形矢量圖
圖10 巫山殘聯滑坡激光測距曲線（2003年9月～2004年2月）
應巫山縣國土局要求，2003年9月安裝了遙測臺網。殘聯滑坡遙測臺網安裝在最能反映滑體變形特征的部位，四臺遙測子站沿主滑方向形成壹條測線。
激光測距的監測數據隨時間的變化如圖10所示。上條曲線為測距結果，測線長51.3m，滑坡向下滑移對應測線縮短，單位為mm；下條為環境溫度曲線，單位為℃，橫坐標為測量時間，按－年－月－日時：分格式顯示。
從2003年9月12日至2004年2月3日，可大體分為兩個階段：
第壹階段：9月12日到9月27日為滑坡體中部抗滑樁完工之前，由於開挖引起邊坡內部應力調整。受滑坡體上部載荷的影響，土體向前擠壓。滑坡體中、下部向臨空面的蠕滑變形明顯，下滑速率大致均勻，約2mm/d,16天總計變化量達30mm。
第二階段：在滑體中部的部分抗滑樁竣工後，位移速率變緩，降至0.5～1mm/d；到2004年2月上旬，變化量僅0.1mm/d。這說明抗滑治理工程對滑體變形起到了遏制作用，達到了搶險治理的目的。
6 結論
（1）基於3S技術和地面變形監測臺網，基本建立了研究區典型地段滑坡監測系統。運用GPS等空間技術可以獲得滑坡變形區域分布狀況，不但有利於確定需要重點監測的滑坡，而且對庫區城鎮改造規劃有指導意義。遙測臺網可快速測定變形速率，是掌握滑坡動態變形趨勢與開展應急監測的有效工具。
（2）為了較好地解決滑坡監測中高度的不確定性問題，需要配合使用多種類型的儀器。作者等為此研制的新型滑坡無線遙測臺網和流動傾斜儀、激光測距儀，精度高，性能穩定，有較大的推廣價值。
（3）由於滑坡、高邊坡所處地質環境差異以及影響因素的不同，其破壞機理和危險性程度也不盡相同。正確認識、區分滑坡與高邊坡的地質環景，合理布置穩定性監測點位，對其穩定性監測、分析及評價具有十分重要的意義。
在此，對參加過此項工作的楊旭東、陳誠、範國勝、李濤等同誌表示感謝。
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