三峡水库库岸与滑坡变形监测及灾害预警系统初探

三峡水库库岸与滑坡变形监测及灾害预警系统初探

1信息网络与监测系统库夏岩石的褶皱发育，形成了库夏河谷的地理位置。该区属暴雨多发地区，也是滑坡、泥石流等地质灾害多发区，生态环境比较脆弱。山区城镇建设通常会遇到高切坡、深填方等工程地质问题。这些滑坡、高边坡、弃土弃渣堆放场虽然已经或正在进行治理，但有的高边坡和高挡墙已出现不同程度的变形、开裂，甚至滑移、坍塌。因此，对库区城镇范围的滑坡、高边坡、高档墙及其邻近移民房屋地基基础的变形开展监测并积累数据，对这些潜在灾害点的灾害预警和稳定性进行评价，以及与今后的工程治理设计有关的研究都是十分必要的。地理信息系统(GIS)是一种对空间信息以数字形式进行编辑、存储、管理和分析的软件平台。在GIS平台上对地形、地质、水文以及关于库岸与崩滑体稳定性的各种监测数据进行管理与分析是十分有效的。全球卫星定位系统(GPS)已成功地应用于大地测量、导航和工程变形监测等领域，与常规大地测量手段相比较，具有不受通视条件限制、全天候和高精度等特点。运用GPS监测系统可以实现在较大的时、空尺度上掌握滑坡和区域地质稳定性分布的特点。此外，卫星遥感技术近年来有了较大的发展，遥感系统(remotesensingsystem,RS)中的雷达干涉测量(INSAR)则是新近发展的一种快速获取地面变形三维信息的技术，将成像雷达系统对同一区域的多次观测形成干涉，可检测出地表厘米级的微小变化。20世纪90年代以来，上述3S技术的迅速发展，为地质灾害的防治开辟了新的前景，引起了国内外诸多学者关注。笔者在三峡库区开展的工作旨在运用3S技术的基础上，整合现今成熟的、先进的传感器测量技术、计算机信息处理技术与通讯技术，研究“三峡库区库岸与滑坡变形监测及灾害监测预警系统”(以下简称为“灾害监测预警系统”)，并在库区选择1或2个区、县先期建设试验监测网进行试验观测。期望通过对一些典型的滑坡与危险库岸段进行全面监测，开展相应的滑坡变形破坏预警模型研究，逐步完善灾害监测预警系统并推广应用，以最大限度地减少灾害带来的损失。本文介绍了笔者自1998年以来在重庆市万州库区和奉节、巫山两县对滑坡、高边坡与高挡墙进行地质调查，建立地质灾害地理信息系统(GIS)，开展全球卫星定位(GPS)以及遥感(RS)变形监测与无线遥测台网监测所获得的初步成果和认识。2崩、滑体监测网GPS卫星定位系统是本项研究中进行库岸与滑坡变形监测的主要手段。对沿水库呈狭长条带分布的崩、滑体布设的监测网，测量基线一般在3km以内。业已完成的现场试验观测表明，用GPS作地表相对变形测量，基线长度水平分量误差可望达到≤±3mm，垂直分量误差≤±6mm。2.1gps滑动误差分析网络变形监测系统一般由基准点、工作点与变形监测点构成。GPS滑坡变形监测网含下述3类网点。2.1.1变形量的标准和分析位置固定或变化小的点，作为监测网的坐标基准和分析比较变形量的依据。基准点通常埋设在稳固的基岩上，或设在变形范围以外，要求尽可能稳定并便于长期保存。2.1.2工作点测量中直接使用基准点不方便或不合理，这时就要利用一些过渡点，称为“工作点”，将其埋设在被观测对象附近，并要求在观测期间内保持稳定。2.1.3城市控制网点位于滑坡、高边坡或者建筑物及地基上，能反映监测对象变形的测点。笔者在各地建设的基准网，其作用是与三峡库区GPS首级监测控制网站(含13个GPS基准站)结合，以提供各个区域GPS监测网的坐标基准。每个县的控制网点数为5～10个。这些点一般应选在远离库岸、有基岩出露或相对比较稳定的地点。由于三峡库区GPS首级坐标控制网站尚未建成提供服务，笔者目前是依据城市规划控制点来建立地方坐标系的。重庆市万州移民开发区处在滑坡多发地区，有崩、滑体115处。由于这些滑坡体前缘多位于135m回水位以下，故在二期水位运行期间，干、支流两岸岸坡及崩滑体可能进入变形、滑移阶段，潜在的地质问题将会逐步暴露。为了掌握万州区各个滑坡变形的特点，给有关基础设施建设提供选址依据，笔者于2000年在万州库区建成了含120个流动站的GPS滑坡变形监测网。每个滑坡上有3～6个变形监测点不等，城区有30余处滑坡纳入监测之中。2.2gps基准问题GPS测量得到的基线向量属于WGS–84坐标系的三维坐标差，而在工程实际中所使用的数据和图件一般是基于国家大地坐标系或地方坐标系的平面坐标。因此，首先必须明确GPS网采用的坐标系统和起算数据，这就是所谓的基准问题。GPS网的基准设计包括位置基准、尺度基准和方位基准。位置基准一般可由更高级的GPS基准站的坐标给定，也可选择已有的城市控制点的坐标确定。重庆市巫山移民新县城所选用的控制点及其坐标见表1。在联测了上述控制点后，巫山县GPS监测网的各项基准都随之确定。在以后的测量中，可以进行坐标转换，并获得可资运用的地方坐标，即Beijing–54坐标系下的数据，这样GPS监测获得的滑坡变形结果就能够直接输入到巫山地质灾害GIS分析系统中进行存储与显示。2.3同步图形扩展方式首先要根据地质勘察的资料，在滑坡、库岸变形的特征部位，且满足GPS观测条件的地点建立基座的水泥监测桩，形成含前述3类(网点的滑坡)变形监测网。GPS滑坡变形监测采用同步图形扩展方式，这是在进行GPS监测时最常用的方式。把多台接收机放在不同的流动站上进行同步观测，完成一个同步网的观测后，再把其中的几台接收机移动至下一组测站。在2组观测之间，即2个同步图形之间有一些公共点相连，直到布满全网。这种布网方式作业方法简单，图形强度较好，扩展速度较快，故在实际工作中得到广泛应用。目前，在万州、巫山与奉节等地基本上每隔2个月开展一次GPS测量，雨季时应视需要进行加密监测。3遥感技术用于滑动变形监测3.1地质调查研究在滑坡监测中应用遥感技术的思路是：(1)应用高分辨率和多波段遥感图像研究滑坡体几何形态；(2)应用干涉雷达技术研究滑坡的变形和运动规律。地质灾害的形成与多种地质因素有关，需要广泛开展地质、地理和水文等多学科的研究，需要处理大量数据，所以必须借助先进的科技手段，才能有效地开展研究工作。运用遥感技术，开展对航片、卫片资料的分析并结合重点地质单元的调查，可以对三峡库区的基本地质环境、山地灾害分布及库岸的性状做出评定。遥感有多种平台，可利用TM影像和SPOT影像来研究库区岸坡植被、水系等环境因素的分布与改变，以辅助分析确定库区危险库岸段。3.2滑坡体边坡监测三峡地区植被茂盛，雨水充沛，地貌变动较大，不适于干涉雷达信号的处理，曾有人做过尝试未获成功。为此，本项研究采用了国际上新提出的角反射器技术以辅助进行INSAR信号处理。角反射器是用3块角形金属板制作的一种装置(见图1)，能对照射其上的雷达波可按原方向反射回去，反射信号得到显著的增强。通过在工作区范围内均匀布设人工角反射器，并确定一些稳定的点作为天然反射点，便于图像的配准和精确计算反射点的位移。对于三峡库区如此大的范围，仅仅利用有限的点位进行GPS或其他仪器设备测量滑坡体形变是有局限的。因此，探索利用INSAR技术开展大范围的滑坡监测，具有重要的意义。该项研究系中国地震局地壳应力研究所与德国地球科学研究中心(GFZ)的合作项目，已经在万州和巫山两地安装了14个角反射器，多选在大型滑坡及稳定性较差的库岸段，以进行试验监测和研究。从2004年初开始以一个月的周期获取INSAR数据，同时还联合进行了GPS变形监测作为对比。4地下渗流场及抗滑桩应力的观测与分析除了采用前述的GPS,RS空间技术获得滑坡与库岸变形监测数据外，还运用便携式倾斜仪开展地表倾斜变形观测，使用滑坡无线遥测台网进行滑坡、高边坡等动态变形的连续监测。在一些重点滑坡、变形体上，结合地质勘探进一步做了渗流场(含气象因素)的监测，以及抗滑桩应力的观测和研究。配合在库区以3S技术为基础建立的监测网，本“灾害监测预警系统”设计中，特别针对危险库岸与重点滑坡，将传统的滑坡变形监测方法与现今成熟且先进的传感器技术、计算机信息处理技术及通讯技术整合成一体，最终形成从点到面、从地上到地下、信号频段从低频到高频的滑坡灾害立体监测预警网络，基本涵盖了滑坡与库岸从缓慢变形、匀速变形时段的监测到加速变形乃至临近破坏的全过程监测预警的需要。4.1建立倾斜观测墩在地表开展倾斜观测具有效率高、成本低以及操作简单等特点，因此，这种测量方法适用于滑坡与护岸等工程构筑物因开挖及沉降引起的旋转变形监测。特别对于三峡库区移民新城区高边坡、高挡墙和房屋的变形监测，更可以弥补GPS方法因视空遮挡难以观测的不足，获得可靠的数据。在需要测量的位置应事先建立倾斜观测墩，其上的金属底盘形成的平面能够与该处地表水平面同步变化。所采用的STM型流动倾斜观测仪具有0.001°的测量灵敏度，仪器能够存储2000组测值，数据下载到微机后即可计算出每个测点地表的倾角与倾向。至今为止已在万州等3个区、县建立了地面倾斜监测网，共有倾斜观测墩500多个，其中大部分已监测了近2a。4.2基于gis的遥感应急救援GPRS是在GSM基础上发展起来的一种无线分组交换的数据承载业务。相对于GSM的电路交换数据传送方式，GPRS采用分组交换数据传送方式，在传输速率、无线网络信道资源的有效利用、全面实现了移动Internet功能以及每个用户永远在线等方面具有非常明显的优势。RDA型地质灾害无线遥测台网系笔者开发的基于GPRS技术的新型遥测台网。该地质灾害无线遥测系统主要由监测子站群、监测预警数据中心、救灾防灾指挥中心和GPRS数据通讯公网等4个部分组成，系统结构框图见图2。根据需要，遥测子站可以选择连接不同的传感器来监测滑坡地表位移、深部地层变形、定点倾斜、声发射、裂缝变化、雨量以及监测护岸及抗滑桩等工程构筑物内部应力及所受的推力等。这些遥测仪器均具有全自动工作、内置无线数据传输模块、功耗低、可用交流电源或太阳能电池供电、符合无障碍设计要求、安装方便以及环境适应性好等特点。遥测系统软件功能包括接收各地质灾害点遥测子站发送的数据、数据入库、显示变形趋势曲线和超限自动报警等。同时，遥测台网中心站可对各个遥测子站发出指令，改变其工作参数，如数据采样间隔可选择5min,1h,24h等。系统可接入地区监测预警中心微机局域网，支持运行基于GIS的减灾决策支持系统。在市、县级地质灾害监测指挥中心的计算机屏幕上可以实时密切监视滑坡加速变形趋势，支持对库岸和滑坡破坏事件进行短期及临滑预报，也可以对发生的地质灾害事件进行现场监测和救助指挥。从2002年在万州吴家湾滑坡建成第一个遥测台网以来，在万州和巫山，运用RDA型地质灾害无线遥测台网监测的滑坡已有近20处，积累了丰富的数据。4.3将应急监测系统打造成测距的设计以往无论在三峡库区还是在其他地方，发现有滑坡迹象时常常因缺乏应急监测手段，未能详细积累数据，错失研究的机会。RDA型遥测台网的通讯选用无线方式显著增强了遥测台网的环境适应性与机动性，特别是在监测点多、环境偏远以及应急监测的场合，这一点显得尤为重要。笔者在RDA型遥测台网的基础上，将通讯改为GSM/SMS，即短信息方式，目的是使系统对通信公网的适应能力更强，架设更简便可靠；并优选了倾斜、激光测距、光电沉降遥测仪等组成滑坡变形应急监测系统。一当有群众报告，或者通过监测发现某滑坡有加速变形迹象，便能马上赶往现场，迅速安装台网，开展24h连续监测。这不但能够有效避免不测事件的发生，还可以积累研究滑坡变形破坏的宝贵资料。笔者在万州应地方政府的要求，对公路、桥梁开展的应急监测便收到了良好的效果。5依托数据库管理系统，强化分析研判笔者在1998～2000年研制出基于GIS的万州滑坡监测分析系统，之后逐步完善了相关的数据库管理系统，充实了数据分析模块，增加了自动报警功能，实现了含数据管理、分析于一体的滑坡监测预警GIS系统，并相继推广到巫山、奉节两县。5.1监测数据综合分析地质灾害监测预警GIS系统以大比例尺电子地图作为工作用图，可以任意缩放、漫游、能够自动查找地图目标，并与数据库相关联。该系统为管理各种工程地质、水文地质资料，为管理上述几类地质灾害监测网和监测数据，为数据的分析与结果显示，包括为群测群防工作的管理均提供了一个有效的平台，进而为滑坡稳定性的研究打下了很好的基础。根据前述功能的要求，该系统可以输出多种表达数据处理及空间分析结果的图形、图表与三维模拟图等可视化结果。图3所示为重庆市巫山GIS系统，显示出4类监测站的分布，图中1代表GPS静态监测站，2代表GPS动态监测站，3代表流动倾斜监测站，4代表GPS控制点。图4为在巫山GIS系统上分析并显示的WZB边坡倾斜变形矢量图，图中显示出4个测点的倾向均顺着坡向，2003年累计变化小于0.02°，稳定性较好。5.2滑坡分析软件在区域监测、规划数据分析流程基本上有如下3个方面：(1)整个监测系统获得的数据，包括自动传输与流动观测的数据，经过校核确认无误后，即可存入当地地质环境监测站基础数据库。(2)基于地理信息系统的地质灾害分析管理软件可以进行统计分析、时间序列分析、地表位移矢量图分析、滑坡的深度–位移曲线分析以及位移–降雨量分析等。(3)所获得的滑坡变形时间变化曲线及其二维平面分布图像的结果，可用于开展进一步的滑坡稳定性分析研究。正在开展的研究工作包括：(1)以区域滑坡危险性评价和风险区划为主的滑坡灾害长期预测；(2)基于GPS和定期监测信息的中期预测；(3)基于实时和遥测信息为主的滑坡事件短期预测。5.3自动传递短信息报警系统本灾害监测预警系统目前具有初步的超限自动报警功能，即在遥测台网实时监测的基础上设置超限报警阈值，一旦滑坡出现异常变化速率，超过报警阈值，除中心站主机发出声、光信号外，系统还自动向值班人员发送短信息报警。6监测结果与典型滑动滑动稳定性评价6.1变形区与变形速率自1999年底万州滑坡GPS监测网建成到2002年底共完成了8期测量，多数滑坡近期变形速率较低，在5mm/a以下。但是半边石坝与吴家湾等少数滑坡变形速率分别达84和49mm/a，关塘口、青草背等滑坡也有明显变形，万州城区滑坡现今变形有如图5所示的分区特点。变形大的地区多是陡坡，并且是古滑坡分布地区，近期的变形主要和人类工程活动及强降雨量等因素有关。上述结果对于万州库区城镇的建设规划有指导意义。据了解个别基础设施项目选在这些变形区域，自2002年开工，屡屡受阻，至今无法投入建设。对这几处稳定性差的滑坡体加强了跟踪监测，例如SMB滑坡2003年曾继续发生变形垮塌，其北部区域5月以来发生了严重变形。图6给出了SMB滑坡地表变形GPS测量成果(时间段：2003年1～6月)。由图6可以看出，2003年1季度该区变形速率不高，4月18日(即图中第108日)降大雨84mm后，滑坡变形明显加速，G123–134与G123–128是接近主滑方向的测量基线，到6月累计变形量分别达到300,400mm左右。可见，除了该区是古滑坡分布地区外，强降雨的影响不可低估。6.2边坡稳定性分析奉节新县城地区有大小崩塌、滑坡50余处，其中以三马山、宝塔坪、白衣庵和南竹园等大型滑坡对新建县城基础稳定性的影响为最大。由于新县城地处复杂的地质构造部位，岩层较为破碎，冲沟发育，高阶地较窄，且连续性差。新建移民区大多分布在地势较陡的沟、谷坡上，人工开挖的高陡边坡随处可见，并以高度大、连续分布长为特点，边坡高度可达30～40m，长度数百米。高边坡的稳定性是奉节县城最大的潜在地质灾害问题。2002年在奉节建立了含290个监测桩的GPS和地表倾斜变形监测网。到2003年中，整个县城近8km2范围的变形分布如图7所示，发生最大变形的地区是西部朱衣河谷坡一带的高边坡。这些地带大多是高阶地、陡坡，由此引发的主要地质灾害问题是建筑载荷导致的自然高陡边坡、古滑坡失稳以及因平整建筑场地而切削边坡、填平坡脚、沟谷而产生的高边坡与回填边坡的失稳等。6.3滑体变形特征分析残联滑坡体位于巫山新县城中心地带，滑坡区内高程为278～492m，为河流谷坡地形，坡角一般为10°～30°。滑坡体为第四纪坡积物，含碎石、粉质粘土，厚度为0～12m，总体积约15×104m3。由于本区域为斜坡区，公路及房屋等建设需对原始斜坡进行不同程度的开挖和切坡，2001年已发现有变形发生。地质勘察资料表明残联滑坡周界明显，滑面渐趋形成，属推移式滑坡。巫山残联滑坡遥测台网安装在最能反映滑体变形特征的部位，4台遥测子站沿主滑方向形成一条测线。遥测台网激光测距的监测数据随时间的变化如图8所示，上面的曲线是测距结果，测线长51.3m多，滑坡向下滑移对应测线缩短；下面是环境温度曲线，横坐标为测量时间，按年月日时分格式显示。从2003年9月～2004年2月可大体分为3个阶段。第1阶段：2003年9月12～27日为滑坡体中部抗滑桩完工之前，由于开挖引起了边坡内部