(中國地震局地應力研究所，北京，100085)
為了解決滑坡監測中不確定性高的問題，需要各種類型的監測系統相互配合。系統介紹了三峽庫區萬州、奉節、巫山等地地質災害監測預警的研究工作，包括基於3S技術和地面變形監測網的研究區典型區域滑坡監測網，研制的新型無線滑坡遙測網，以及移動測斜儀、激光測距儀等專用設備。根據近年來取得的壹些典型監測成果，分析了不同技術和方法在地質災害監測預警中的有效性。
關鍵詞:3S技術三峽庫區滑坡監測預警系統
1簡介
1998以來，中國地震局地應力研究所(以下簡稱地應力所)地質災害項目組依托國務院三峽建委移民局“三峽工程萬州庫區GPS滑坡監測示範研究”和科技部“十五”計劃“示範區新型高效地質災害遙測網絡技術系統研究”。在重慶市政府和移民局“奉節、巫山高邊坡、高擋墻穩定性監測”項目和“利用PSInSAR遙感技術監測三峽庫區滑坡、岸坡變形”項目的支持下，在萬州、巫山、奉節三地移民局和國土局的配合下，庫區地質災害監測預警系統的研究得到了廣泛而深入的開展。監測對象從滑坡、危巖、庫岸變形擴展到高擋墻、高邊坡、移民建築地基的穩定性。監控技術體現了多學科的融合。
近年來，項目組在地質調查的基礎上，利用3S技術建立了地質災害地理信息系統。開展全球衛星定位(GPS)滑坡變形監測和多手段儀器監測；它還融合了成熟先進的傳感器和測量技術、計算機信息處理技術和通信技術。以GSM/GPRS為通信平臺的無線遙測網絡可以選擇連接不同的傳感器，監測地表變形、深部位移、地下水動態、聲發射、裂縫變化、降雨，以及庫岸、抗滑樁等工程結構的內力和推力。在遙感(RS)技術應用方面，采用國際上新提出的角反射器技術輔助InSAR信號處理，並建立了試驗床網絡。截至目前，項目組在庫區庫岸和滑坡的變形監測和災害預警系統工作中取得了多項階段性成果。壹些典型地區的監測結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
對庫區崩塌滑坡進行監測的主要目的是全面了解和掌握崩塌滑坡的演化過程，及時捕捉崩塌滑坡災害的特征信息，為崩塌滑坡災害的正確評估分析、預測和治理提供可靠的數據和科學依據。同時，監測結果也是檢驗崩塌滑坡分析評價和滑坡治理效果的尺度。
為了實現上述目標，庫區地質災害監測系統的總體設計思路是:
(1)根據不同滑坡的地質結構和變形階段特征，采用不同的方案和手段進行監測；
(2)鑒於滑坡、崩塌變形破壞過程的高度不確定性，宜采用多種手段對同壹滑坡進行監測，形成點、線、面、面、地下相結合的立體監測網絡，相互補充、相互制約；
(3)在群測群防工作的基礎上，發展常規人工儀器觀測和無線自動遙測技術，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 .地質災害監測方法和技術
根據滑坡和滑坡變形監測的物理量，考慮到變形測量的精度要求和監測工作的效率，結合目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、流量傾斜和裂縫監測技術測量地表變形，部分地段還采用全站儀、水準測量等傳統方法；鉆孔測斜儀監控深層位移；孔隙水壓力計監測地下水的動態變化；鋼筋應力計和錨索(桿)應力計分別用於監測抗滑樁中鋼筋、錨索和錨桿的應力變化；同時利用遙測網絡技術采集包括地表變形、深部位移、地下水、鋼筋計、危巖聲發射等多種動態監測數據。下面簡要介紹這些方法的特點和應用領域。
3.1 GPS大地網
全球定位系統(GPS)是由美國國防部開發的導航、定位和定時系統。它由24顆衛星組成，等間距分布在6個軌道平面上，高度約為20000公裏。地球上任何地方，任何時間，在15的高度角。在上述天空中，至少可以同時觀測到四顆或更多的衛星。用戶用地面的接收機接收這些衛星發射的信號，測量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GPS定位技術的開發和應用發展迅速。例如，在長江三峽工程的壩區建立了GPS監測網。實踐證明，高性能GPS的水平定位精度可以達到毫米級，完全可以用於崩塌、滑坡的位移監測。
與傳統的大地測量方法相比，GPS測量技術應用於滑坡監測具有以下優點:①觀測點之間無需通視，選點方便；(2)不受天氣條件限制，全天可觀測；③可同時確定觀測點的三維坐標；④新壹代GPS接收機具有操作簡單、體積小、功耗低的特點。因此，該方法已廣泛應用於滑坡變形監測、施工安全監測和滑坡治理效果監測。但由於監測站建設和數據采集周期長，這種方法很少用於災害的短期預警。
3.2專用儀表監控網絡
在這些測量方法中，許多傳統的測量儀器仍被廣泛使用，如經緯儀、全站儀、水準儀、鉆孔測斜儀等，主要用於各種工程管理項目的施工安全監控。除上述儀器外，我們還從三峽庫區的具體環境條件出發，結合地質災害監測其他方面的需要，研制了便攜式測斜儀、移動式激光測距儀等設備，彌補了GPS觀測因房屋和山坡的遮擋而不便於測量的不足，從而全面監測位於山谷坡地地形上的庫區新城鎮滑坡面變形、房屋和地基變形。在壹些工程治理後的重點滑坡和變形體中，結合治理效果的監測，還采用了大量的鋼筋計和錨桿(索)計來監測抗滑樁的內應力和滑坡推力。
各種移動儀器在地表的觀測具有監測參數多、靈敏度高、測量範圍大、效率高、成本低、操作簡單等特點。因此，這種測量方法適用於滑坡治理施工的安全監測和效果監測，與以往的GPS流動站觀測方法相同，也廣泛應用於各種地質災害的中長期監測和預報。
3.3地質災害無線遙測網絡
目前，國外崩塌滑坡監測預警技術已發展到較高水平。壹是全自動、多參數監測的遙測網絡得到廣泛應用；其次，在地質災害模型預測預警系統方面，利用3S(GPS、GIS和RS)技術開展了地質災害的空間分析、模型預測和預警系統研究。雖然我國在上述方面還有較大差距，但近年來，鐵道部、交通部等壹些科研院所和少數礦區已經嘗試利用小型遙測臺網對滑坡災害進行監測預報。2002年，中國地震局地殼所在的三峽庫區首次建成地質災害監測預警多參數無線遙測網絡。
“RDA地質災害無線遙感網絡”是地殼開發的基於GSM/GPRS技術的新型無線遙感網絡。該系統主要由監控分站群、監控預警數據中心和GPRS數據通信公網三部分組成(系統組成見圖1)。GPRS是在GSM基礎上發展起來的無線分組交換數據承載業務。與GSM/SMS的電路交換數據傳輸方式相比，GSM/GPRS采用分組交換數據傳輸方式，提高了傳輸速率，有效利用了無線網絡信道資源，充分實現了移動互聯網功能，對於每壹個用戶始終在線具有明顯的優勢。
圖1 GPRS滑坡無線遙測系統
根據單個滑坡監測的需要，可確定遙測子站的數量，每個遙測子站可選擇連接不同的傳感器，監測滑坡的地表位移和深部位移，或地表傾角、裂縫變化和降雨量，以及監測護岸、抗滑樁等工程結構的內力和推力。監測預警數據中心系統的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，超限自動報警。同時，數據中心站可以向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。).該系統可以連接到區域監測預警中心的本地計算機網絡，支持基於GIS的減災決策支持系統的運行。市縣地質災害監測指揮中心的電腦屏幕，可以準實時地密切監視滑坡的加速變形趨勢，支持庫岸和滑坡破壞事件的短臨滑坡預報，還可以進行地質災害事件的現場監測和救援指揮。自2002年我們在萬州WJW滑坡建成第壹個遙測臺網以來，在萬州和巫山已有近20個滑坡和塌方被RDA無線遙測臺網監測，積累了豐富的數據。地質災害無線遙感系統主要有以下特點:
(1)監測參數多，精度高。
該系統集成了8種滑坡監測儀器，包括:滑坡地表變形(位移和沈降)、傾斜變形測量儀、裂縫測量儀、滑坡微破裂聲發射信號記錄儀、地下層滑動變形測斜儀、孔隙水壓力測量儀、鋼筋測力計、錨索(桿)張力計。這些測量儀器測量精度高，動態範圍大。
(2)自動遙測，無人值守
遙測儀器內置微處理器和無線數傳模塊，動態範圍大，可自動監測和無線傳輸，可采用交流電源或太陽能電池供電。
(3)無障礙設計
研制的儀器滿足測量和數據傳輸的無障礙設計要求，具有安裝方便、環境適應性好的優點。
(4)依靠先進的通信技術
這種遙測網絡綜合運用了最新的GSM/GPRS通信技術，不僅適應三峽庫區的地形條件，而且安裝維護方便，具有高容量、廣覆蓋、低成本的特點。
3.4崩塌滑坡應急監測系統
過去，無論是三峽庫區還是中國其他地區，發現崩塌滑坡征兆時，往往因為缺乏應急監測手段、未能積累詳細數據、錯過研究時機而喪失生命。在RDA遙測網絡的基礎上，我們將通信改為GSM/SMS，即短消息方式，以使系統更適應公共通信網絡，設置更簡單可靠。這在遠程監控環境和緊急監控場合尤為重要。
應急監測系統優化了地表傾角、激光測距和裂縫測量儀等手段。壹旦有群眾報告或儀器監測顯示滑坡體有加速變形的跡象，他們就可以趕到現場，及時安裝網絡，實施24小時連續監測。它不僅可以有效地避免突發事件的發生，而且為研究滑坡的變形和破壞階段積累了寶貴的數據。2003年，應萬州地方政府要求，公路橋梁應急監測收到良好效果。
3.5合成孔徑幹涉雷達InSAR測量技術
合成孔徑雷達(幹涉合成孔徑雷達)的縮寫。
)測量技術(measurement technology)是利用相鄰航路上觀測到的同壹區域兩幅SAR圖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。
幹涉雷達有很多優點:具有全天候工作能力，發射的微波對地面物體有壹定的穿透能力，可以提供光學遙感無法提供的信息，是壹種主動工作模式。對於歐洲雷達衛星ERS-1/2和加拿大雷達衛星RADRSAT-1，采用幹涉測量法生成DEM監測地面位移變化，精度可達毫米量級。因此，這種技術手段特別適用於監測和預報大規模的滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面沈降等地質災害，是壹種快速、經濟的高科技空間探測手段。
三峽地區植被豐富，雨量充沛，地貌差異較大，不利於幹擾雷達信號的處理。有人在這方面做過嘗試，但沒有成功。因此，地殼應力研究所與德國地球科學中心(GFZ)合作，采用新引入的角反射器技術來輔助InSAR信號處理。角反射器(Corner reflector)是壹種由三塊有角的金屬板制成的裝置，可以將照射在其中的雷達波反射回原來的方向，反射回來的信號相對於周圍環境明顯增強。通過在工作空間內均勻布置人工角反射器，並確定壹些穩定點作為自然反射點，便於圖像配準和精確計算角反射器的位移。對於三峽庫區這麽大的區域，僅用GPS或其他儀器設備在有限的點上測量滑坡變形是有限的。因此，探索利用InSAR技術開展三峽庫區滑坡監測具有重要意義。2003年，我們已經在萬州和巫山安裝了14角反射器進行實驗監測和研究，還聯合進行了GPS變形監測作為對比。
4 .地質災害監測預警GIS系統
地質災害監測地理信息系統是能夠有效管理各種四維空間(包括地理坐標和時間變化)數據的信息系統。它以滑坡等監測對象為基礎，將地形、城市規劃、監測點分布等空間數據按其空間位置存儲到計算機中。通過數據庫模塊、曲線顯示模塊和數據分析模塊，實現了監測數據的存儲、更新、查詢、趨勢分析、繪圖顯示和圖表、表格輸出等功能。
該系統主要由地理信息子系統、地質基礎數據文檔管理子系統、地質災害監測數據庫子系統和監測數據分析子系統四部分組成。
自65438-0998在重慶萬州區開展地質災害監測與研究以來，地殼所首先致力於建立基於GIS的地質災害數據與信息管理平臺，並於2000年成功開發了“萬州庫區移民地理信息系統”。之後逐步完善了相關的數據庫管理系統，豐富了數據分析模塊，增加了自動報警功能，實現了具有數據管理和分析的滑坡監測預警GIS系統，並陸續推廣到巫山、奉節兩縣。
該系統采用面向對象的編程語言Visual C++6.0作為開發工具，MapInfo作為基本開發平臺。地質災害監測數據庫由Microsoft SQL Server 2000創建，數據庫連接和訪問采用ADO技術。地質災害監測預警GIS系統以大比例尺電子地圖為工作地圖，可隨意縮放漫遊，可自動尋找地圖目標，並與數據庫關聯。該系統為各種工程地質和水文地質數據的管理、上述地質災害的監測網絡和監測數據、數據的分析和顯示，包括群測群防工作的管理提供了有效的平臺，從而為滑坡穩定性的研究奠定了良好的基礎(系統的總體結構如圖2所示)。
圖2地質災害監測預警GIS系統總體結構框圖
根據上述功能的要求，系統可以輸出表達數據處理和空間分析結果的圖形、圖表和三維模擬圖等多種可視化形式。圖3是巫山縣GIS系統的壹個界面，顯示了山體滑坡、道路和四類監測站的分布情況，就是壹個例子。
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.移動傾斜監測站；4.GPS坐標控制點
數據分析過程基本上有以下三個方面:
(1)整個監測系統獲得的數據，包括自動傳輸和移動觀測，經核對確認後，可存入當地地質環境監測站的基礎數據庫。
(2)基於GIS的地質災害趨勢分析與預警技術研究，包括監測結果統計分析、時間序列分析、地表位移矢量圖分析、滑坡深度-位移曲線分析、位移-降雨量分析等。，進而確定不同地質環境下的滑坡預警閾值。
(3)獲得的滑坡變形時變曲線及其二維平面分布圖像結果可用於進壹步的滑坡穩定性分析和研究。
5各種監測技術的應用及典型監測結果
5.1滑坡變形監測GPS技術
從1999年底開始，萬州庫區建成了擁有120多個流動站的GPS滑坡變形監測網，到2002年底，* * *完成了8次測量。結果表明，大多數滑坡的近期變形速率較低，在5毫米/年以下；而半邊石壩、實驗小學等少數滑坡的年變形率分別為84mm和49mm分別是。官塘口、青草背等滑坡也有明顯變形。圖4為萬州市滑坡變形的分區特征:變形較大的區域多為陡坡，部分為古滑坡分布區；近期變形主要與人類工程活動和強降雨有關。
萬州區滑坡變形分布示意圖。
1.GPS滑坡監測點；2.滑坡；3.滑動矢量；4.變形小的穩定區域
上述成果對庫區城鎮建設規劃具有指導意義。據了解，壹些基礎設施項目選在了上述變形區。自2002年初開工以來，三通壹平屢遭阻撓，歷時三年進行基本建設，付出了沈重代價。對這些穩定性差的滑坡加強了跟蹤監測和研究。如2003年萬州SMB滑坡持續變形崩塌，其北部地區自5月以來變形嚴重。圖5顯示了三個具有代表性的基線變化，縱坐標代表日降雨量和GPS基線長度的變化，單位為mm。從圖中可以看出，2003年第壹季度該地區的形變速率並不高。4月18(圖中108)暴雨84mm後，滑坡變形明顯加快。G123-134為接近主滑動方向的測量基線，至6月累計變形達400米左右。除了本區人類工程活動引發的滑坡變形因素外，強降雨的影響也不容小覷。
又如奉節新縣城崩塌滑坡50余處，其中三馬山、寶塔坪、白衣庵、南竹園對新建縣城影響最大。由於新縣地處地質構造復雜，巖層較為破碎，沖溝發育，高階地狹窄，連續性差。新建安置區大多分布在陡峭的溝渠和谷坡上，人工開挖的高陡邊坡隨處可見，具有高度高、連續分布長的特點。斜坡的高度可達30 ~ 40米，長度可達數百米。高邊坡穩定性是奉節縣最大的潛在地質災害之壹。
2002年，我們在奉節建立了GPS和地表傾斜變形監測網，共有290個監測樁。到2003年中期，全縣變形分布近8km2，如圖6所示，變形最大的區域是西部朱彜河谷斜坡的高邊坡。這些地區多為高階地和陡坡，主要地質災害為建築荷載引起的天然高陡邊坡失穩和古滑坡。因平整施工場地，削坡填趾填谷，導致高邊坡和回填邊坡失穩。
圖5 SMB滑坡地表變形GPS測量結果
圖6奉節新縣城2003年形變等值線圖
5.2滑坡治理工程安全施工階段的監測技術
該階段的監測工作主要用於評價施工過程中滑坡(危巖)的穩定性，及時反饋、跟蹤和控制施工過程，為原設計和施工組織的改進提供最直接的依據，並對可能出現的險情及時發出報警信號，從而調整相關施工工藝和步驟，避免惡性事故的發生。實現信息化建設，以取得最佳的經濟效益。目前，安全監測中使用了大量的專用儀器，這是廣大工程技術人員所熟悉的。這裏僅舉壹個例子來說明“RDA地質災害無線遠程監測網”的應用結果。自2002年5月起，在萬州WJW滑坡區建立了無線遙測網絡。該滑坡是三峽庫區二期工程的地質災害治理工程。2002年6月開工，2003年2月竣工。圖7顯示了沿滑坡主要滑動方向的激光測距遙測結果。雖然施工包括59根抗滑樁的開挖和澆築，但由於設計和施工合理，整個施工期滑坡位移只有幾毫米。可見，遙測網的連續監測能夠及時準確地掌握滑坡的變形動態，保證施工安全。
5.3工程治理效果的監測
以萬州WJW滑坡為例。滑坡治理工程采用以預應力錨桿抗滑樁為主，地表排水和生物工程為輔的綜合治理方案。處理效果監測網絡采用GPS、深層位移、孔隙水壓力測量、鋼筋應力計等儀器監測手段，並在關鍵部位設置遙測網絡進行連續監測。
萬州WJW滑坡治理工程安全監測位移曲線。
圖8為3002號遙測子站2003年8月至5438年6月+2月A2抗滑樁觀測結果的日變化曲線。從圖中可以看出，滑坡的內力變化(鋼筋計和錨桿計觀測)和深層位移變化與地下水孔隙水壓力變化(滲透計觀測)有明顯的關系；根據氣象資料，滑坡孔隙水壓力的變化也與降雨量有直接關系。但從總體趨勢來看，抗滑樁的內力和深層位移變化不大，說明WJW滑坡治理後基本處於穩定狀態，與其他監測點的儀器測量結果基本壹致。
圖8 3002遙測子站觀測結果曲線顯示
圖9是巫山GIS系統上分析顯示的WZB邊坡傾斜變形矢量圖，是利用儀器監測網監測工程治理效果的壹個實例。從矢量圖可以看出，四個測點的傾角與坡向基本壹致，2003年的累計角度變量≤ 0.02，表明治理後的邊坡穩定性較好。
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。滑坡區高程在278 ~ 492m之間，為河谷斜坡，坡角10 ~ 30。該滑坡為第四系坡積物，含礫石和粉質粘土，厚度0 ~ 12m，總體積約15000 m3。由於該區域為斜坡區，在道路和房屋建設中必須對原有斜坡進行不同程度的開挖和切割，2001已發現變形。地質勘察資料顯示，殘聯滑坡邊界明顯，滑面正在逐漸形成，屬於漸進式滑坡。雖然在2002年對其進行了兩次治理，但其西區在2003年仍出現了明顯的變形，危及其下的道路和移民建築的安全。
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)
應巫山縣國土資源局的要求，於2003年9月安裝了遙測網絡。殘聯滑坡遙測網安裝在最能反映滑坡變形特征的部位，四個遙測分站沿主滑動方向組成壹條測線。
激光測距監測數據隨時間變化，如圖10所示。最後壹條曲線是測距結果，測線長度為51.3m，因滑坡向下滑動而縮短的測線，單位為mm；下壹條是環境溫度曲線，單位為℃，橫坐標為測量時間，以年-月-日-小時格式顯示。
從2003年9月12日到2004年2月3日，大致可以分為兩個階段:
第壹階段:9月12日至9月27日，滑坡中部抗滑樁完成前，因開挖調整邊坡內應力。受滑坡上部荷載的影響，土體被向前擠壓。滑坡中下部向自由面的蠕動變形明顯，滑動速率幾乎均勻，約2 mm/d，16天總變化量為30mm。
第二階段:滑體中部部分抗滑樁完成後，位移速率減緩至0.5 ~ 1mm/d；到2004年2月上半月，變化僅為0.1mm/d/d，這說明抗滑治理工程遏制了滑體的變形，達到了應急治理的目的。
6結論
(1)基於3S技術和地面變形監測網，基本建立了研究區典型地段的滑坡監測系統。利用GPS等空間技術可以獲得滑坡變形的區域分布，不僅有利於確定需要監測的滑坡，而且對庫區城市改造規劃具有指導意義。遙測網絡可以快速測量變形速率，是掌握滑坡動態變形趨勢和實施應急監測的有效工具。
(2)為了解決滑坡監測中高度不確定性的問題，需要使用各種類型的儀器。作者研制的新型滑坡無線遙測網、移動式測斜儀和激光測距儀精度高、性能穩定，具有較大的推廣價值。
(3)由於滑坡和高邊坡的地質環境和影響因素不同，其破壞機制和危險程度也不同。正確認識和區分滑坡和高邊坡的地質景觀，合理布置穩定性監測點，對穩定性監測、分析和評價具有重要意義。
在此，我要感謝參與這項工作的、陳誠、範、等同誌。
參考
【1】卓寶熙。“3s”地質災害信息立體防控體系的建立及其現實意義[J].中國地質災害與防治學報，1998，9 (4): 252 ~ 257。
崔正權，李寧。邊坡工程-理論與實踐的最新發展[M]。北京:中國水利水電出版社，1999
歐陽祖喜，張宗潤，張璐，等。重慶市萬州區三峽工程移民地理信息系統。見:地殼結構與地應力(12)。北京:地震出版社，1999: 140 ~ 146。
歐陽祖喜，張勇，張宗潤，等。全球衛星定位技術在三峽庫區滑坡監測中的應用。見:地殼結構與地應力(13)。北京:地震出版社，2000: 185 ~ 191。
歐陽祖喜，丁凱，石傑山，等。壹種新型的地質災害無線遠程監測網絡。中國地質災害與防治學報，2003，14 (1): 90 ~ 94。
歐陽祖喜，汪明荃，張宗潤，等。利用GPS技術研究三峽工程萬州庫區滑坡穩定性。中國地質災害與防治學報，2003，14 (2): 76 ~ 81。
歐陽祖喜，石傑山，汪明荃，等。RDA型滑坡變形無線遙測臺網。參見:中國土木工程學會第九屆全國土力學與巖土工程會議論文集。北京:清華大學出版社，2003:1261 ~ 1266。
陳明金，歐陽祖喜，石傑山，等。基於GPRS技術的地質災害無線遙感系統。自然災害學報，2004，13 (3): 65 ~ 69。
陳明金，歐陽祖熙。預應力錨桿抗滑樁內力反算。見:地殼結構與地應力集(17)。北京:地震出版社，2004: 139 ~ 145。
[10]歐陽祖喜，張宗潤，丁凱，等.基於3S技術和地面變形觀測的三峽庫區典型地段滑坡監測系統。巖石力學與工程雜誌，2005(待出版)。