滑坡监测技术方法综述
- 分类：技术文献
- 作者：山川
- 发布时间：2024-07-05 11:36:57
1、前言
滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象，是一种全球性的地质灾害，其数量大、分布广、发生频繁。滑坡能够中断交通，阻塞河道，摧毁厂矿，掩埋村镇，造成人员伤亡和巨大的经济损失，而且能够产生重大的政治和社会影响。露天矿开采工程，水利水电工程，交通隧道工程中都会遇到各种各样的高陡边坡，做好滑坡地质灾害的监测是保证各种工程建设顺利安全进行的前提。
滑坡监测就是观测和分析各种滑坡前兆现象，记录滑坡形成活动过程的各种工作。为减少滑坡灾害带来的严重危害，科学准确的预测预报是关键。监测数据的准确性、及时性及全面性，直接影响着滑坡预测预报成果的可靠性、真实性 addin ne.ref.{7275a24a-4eb7-4966-90e5-ad8327f6d6c8}[1]。
2、滑坡监测的目的
滑坡监测是滑坡研究工作中一种重要的手段和方法，通常滑坡监测有以下几方面的目的：(1)通过对滑坡变形体的监测，评估滑坡失稳破坏的可能性;(2)研究滑坡变形破坏规律并建立各种相应的动态模型，为滑坡稳定性评估提供依据;(3)为提出合理经济的滑坡治理和防治方案奠定基础;(4)在滑坡防治工程结束后，验证防治方案的效果。通过滑坡监测，可以了解和掌握滑坡体的演变过程、及时捕捉崩滑灾害的特征信息、为正确分析、评价滑坡以及滑坡预测、预报等提供可靠资料和科学依据 addin ne.ref.{da6b8235-68c9-4a05-a4aa-a7857bdc8e4e}[2]。
3、滑坡监测内容
滑坡监测的主要监测内容包括：单一现象监测，综合现象监测和下滑力本质监测。
3.1现象监测
按监测对象的不同，现象监测可分为: 变形监测，位移监测、水监测和气象监测见表1。这几类类监测又可分为若干小类，每类监测采取的方法手段不同，使用的仪器不同，获取的参数也不同。
3.2本质监测
常规变形监测主要是针对地表位移和岩层倾斜进行的，是一种“现象监测”，不能够真实反映滑坡体滑动面上应力变化情况，因此，必须寻找一种可以对滑坡本质进行监测的技术与方法，真正实现对滑坡灾害的超前预警预报的目的。
滑坡作为一个天然的力学系统，滑坡发生与否决定于“下滑力”和“抗滑力”之间的平衡状态变化 addin ne.ref.{14f5f3d3-5a28-4688-a30b-c4ff5a1b1f78}[3]。只从现象监测难以实现对滑坡的超前准确预报，因此，要超前准确预报滑坡灾害，必须找到滑坡发生的超前信息。只有对滑坡发生的本质进行监测，才能够科学准确的预报滑坡。
中国科学院何满潮院士自主研发了滑坡超前滑动力物理模拟实验系统。通过实验研究，结合现场调查分析，得出滑坡发生前和发生的过程中，潜在滑动面上的滑动力首先发生变化，边坡岩体滑动力与抗滑力之间的平衡不断被打破，又不断形成新的平衡，滑坡发生与否决定于滑动力和抗滑力之间的平衡状态变化。滑动力的变化先于位移、裂缝产生，当监测到岩体有明显变形时，边坡已经发生了一定程度的滑动破坏。因此，滑坡前的滑动力变化可以作为预测滑坡的充分必要条件。基于此建立“滑坡发生的充分必要条件是滑动力大于滑动面抗滑力，并将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数”的学术思想，采用“穿刺摄动”技术，把锚索穿过滑面，施加一个小的预应力扰动，推导摄动力和滑动力之间的函数关系，从而反映超前滑动力的变化。并确立把对位移裂缝等变化的常规监测转变为“通过监测滑动力变化预测预报滑坡地质灾害”的技术途径 addin ne.ref.{78de1285-02de-4f25-bcd5-15dd4322ba68}[4, 5]。
4、滑坡监测方法
从滑坡的监测内容来看,常用的监测方法有宏观地质监测法、大地精密测量法、gps法,近景摄影测量法。比较先进的监测方法有时间域反射测试光纤技术(tdr)，布里渊散射光时域反射技术(botdr)，干涉合成孔径雷达(insar)技术，差分干涉测量(d-insar)技术，三维激光扫描仪监测技术，热红外成像监测技术，声发射监测技术和基于下滑力监测的远程监测方法的本质监测法等。
4.1常规监测方法
宏观地质监测法主要是对滑坡发育过程中的各种迹象进行监测。大地精密测量法采用仪器测角和测距来完成监测任务。gps作为现代大地测量的一种技术手段，已广泛应用于滑坡地质灾害监测中。近景摄影测量法是把摄影仪放置在2个不同的固定测点上，同时对边坡范围内观测点摄影构成立体像时，利用立体坐标仪量测像片上观测点三维坐标的一种方法。常规滑坡监测方法的特点如下表2所示：
表2. 常规监测方法的特点
常规监测方法 | 监 测 特 点 |
宏观地质监测法 | 优点：信息直观，实用性较强。 缺点：内容单一、精度低和劳动强度大。 |
大地精密测量法 | 优点：适用于不同变形阶段的位移监测。 缺点：受地形条件和气象条件的限制，工作量大，周期长，连续观测能力差。 |
gps法 | 优点：作业简单方便，具有全天候、高精度、全自动等特点。缺点：信号易被遮挡，多路径效应严重，接收机的价格较贵。 |
近景摄影测量法 | 优点：操作方便，可以同时测定多个观测点在某一瞬间的空间位置，所获得的像片资料是滑坡地表变化的实况记录，并且可以随时进行比较。 缺点：观测的**精度低，受气候条件影响较大，但仍可满足滑坡体处于速变、剧变阶段的监测要求。 |
4.2先进监测方法
时间域反射测试光纤技术(tdr)用于滑坡监测时，向埋入监测孔内的电缆发射脉冲信号，当电缆在孔中产生变形时,就会产生反射波信号。通过监测同轴电缆的变形状态，可获取崩滑体地表以下的变形信息 addin ne.ref.{767073d1-acbe-4367-91a4-437b77b89bd2}[6, 7]。布里渊散射光时域反射技术(botdr)适用于岩体的表层和深层监测。目前国内主要用于桥梁、隧道等构筑工程的变形监测，在三峡巫山的滑坡监测中使用了该技术 addin ne.ref.{010dc72d-0830-44fc-a153-7188c2857087}[8]。
insar 技术可以大面积、高效地对滑坡地表形变进行监测，发现一些未知的滑坡。基于多源数据可以提高 insar 监测滑坡的可靠性及精度 addin ne.ref.{5eb23cba-c346-4497-9f53-7c421269fddb}[9, 10]。合成孔径雷达差分干涉技术( d-insar) 是一种空间对地测量技术，利用d-insar 技术可以监测区域地表的变形，是辅助目前传统监测手段的一种切实可行的空间测量技术 addin ne.ref.{71c03477-764e-4a14-8406-a79e1779dd08}[11-13]。
激光扫描技术(lidar)是对待测物进行快速格网式扫描从而获取三维空间坐标信息点的云数据，它可以完整地展现出待测物的表面形态。采用三种方法，数字高程模型比较，断面比较与固定点比较，分析经过前处理的点云数据集，从而得到监测结果 addin ne.ref.{bd92286a-94fd-4ef4-8ba8-1f8ee339c527}[14]。
热红外成像技术用于滑坡监测是一种新的比较有效的手段 addin ne.ref.{061eab56-b934-49c2-9117-65abcbf7bd08}[15]。
声发射监测技术在工程的稳定性评价、预测预报大面积地质灾害等方面取得了可喜的成就。岩石声发射技术在边坡监测方面的应用刚刚起步 addin ne.ref.{fdf76b76-f03e-42c3-8a06-3770e3d3bf97}[16]。
下滑力监测方法为通过恒阻大变形缆索穿过滑动面，对边坡岩体施加一个预应力 p。通过可以直接测出的扰动力 p，可以推导扰动力和滑动力之间的函数关系，*终得到滑动力的变化量 addin ne.ref.{ce1bd0ee-846a-4eb8-8fcf-f644930163e4}[3]。边坡滑动力监测力学模型见图1。由力的平衡原理，推导边坡滑动力为
gt= k1·p + k2
式中: gt———滑动力，kn;
p———扰动力，kn。
k1= cos(α+θ) + sin(α +θ)·tanф，
k2 =g·cosα·tanф+ c·l
式中: g———滑体重力，kn;
α———滑动面与水平面夹角，( °) ;
θ———监测缆索加固角，( °) ;
ф———边坡滑动体各土层内摩擦角加权平均值，( °) ;
c———滑动面各土层黏聚力的加权平均值，kpa;
l———滑动面长度，m。
先进滑坡监测方法的特点如下表3所示：
表3. 先进监测方法的特点
先进监测方法 | 监 测 特 点 |
tdr法 | 优点：价格低廉、监测时间短、可遥测、安全性高、数据快捷、定位准确、全孔连续观测。 缺点：不能监测倾斜且无剪切作用的区域，无法确定滑移方向。电缆破坏后，就很难监测滑坡的位移。 |
botdr法 | 优点：分布式、长距离、灵敏度高、抗电磁干扰，通过合理布设，可以对坡体各个部位进行监测。 缺点：铺设方式、系统维护是技术难点。 |
insar法 | 优点：监测面的形变情况，可以部分代替传统监测方法。 缺点：相干性普遍差，后续数据处理困难。 |
d-insar法 | 优点：具有全天时、全天候、高精度、大范围等特点，它能以小尺度获得地表形变信息。 缺点：局限于地表形变较大、自然环境合适、地势起伏平缓的地区。 |
lidar法 | 优点：不需要合作目标、高精度、高密度、高效率、全数字特征。 缺点：技术要求过高、过程复杂、点云数据量大、特征值提取困难。 |
热红外成像法 | 热红外成像技术通过测定边坡各区域辐射温度的差异,反演岩 体内部含水量的不同,从而推算边坡稳定性。 |
声发射监测法 | 作为一种时空动态监测方法，可作为评价岩体稳定性的重要 监测工具。 |
下滑力监测法 | 监测下滑力。能够适应大变形。 |
5、远程实时监测预警系统
滑坡的失稳破坏，都有一个从渐变到突变的发展过程，要对边坡进行实时监测，掌握边坡的发展趋势。由于目前计算机和无线通信技术的飞速发展，各种自动监测系统相继被开发，并被应用于滑坡灾害的自动监测。
基于变形监测的地形微变远程监测系统(ibis-l)是一种新型的监测手段，它是基于步进频率连续波技术(sf-cw)与合成孔径雷达技术(sar)的一种全新的监测技术 addin ne.ref.{cd94f9b8-b1f7-4df7-a4db-a78d8019f465}[17]。在滑坡、大坝及地表变形等的监测中，地形微变远程监测系统是一种高效、高精度可被广泛运用的手段。
基于普通数码相机进行的近景摄影测量法的滑坡监测预警系统在露天矿边坡监测使用取得一定效果 addin ne.ref.{3f89970a-9003-4fb7-a699-41e2c745cf4d}[18]。
基于下滑力监测的滑坡灾害远程监控(sprm)系统是由中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室主任何满潮院士带领研究团队自主研发的一种新型的边坡稳定性远程智能监测预警系统。该系统以滑动力大于抗剪强度是滑坡产生的充分必要条件为基本研究理念，将边坡滑坡体、滑床和摄动监测锚索之间的相互力学关系作为力学依据，通过对滑动力和抗滑力的不间断动态监测，深入到边坡内部从本质上实现滑坡灾害的远程监控及预警。在边坡内部打入预应力锚索实施监测，具有监测、加固与防治、预报预警一体化的作用效果 addin ne.ref.{eb8ecdab-c32e-4a0b-bd75-caf7cb8f5350}[3-5]。目前，由何满潮院士研发的滑坡远程监测预警系统已经在全国十多个地区近200个监测点进行了推广应用。应用领域涉及金属矿山、露天煤矿、西气东输沿线边坡、高速公路边坡、发震断层活动性监测、古滑坡体稳定性监测、多滑面滑坡体稳定性监测等领域 addin ne.ref.{8bf60e7b-086b-4d09-bd3b-87497ac1cdd5}[3-5, 19-21]。
6、结论
总结了滑坡地质灾害监测的目的、内容和方法。比较现有方法的优缺点，明确了今后滑坡地质灾害监测技术的发展方向。新兴的监测预警系统具有自动高效的优点，可全天候实时连续的观测滑坡状况，是今后滑坡监测发展的主要方向。
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