三峽水庫庫岸與滑坡變形監測及災害預警系統初探

1信息網絡與監測系統庫夏巖石的褶皺發育，形成了庫夏河谷的地理位置。該區屬暴雨多發地區，也是滑坡、泥石流等地質災害多發區，生態環境比較脆弱。山區城鎮建設通常會遇到高切坡、深填方等工程地質問題。這些滑坡、高邊坡、棄土棄渣堆放場雖然已經或正在進行治理，但有的高邊坡和高擋墻已出現不同程度的變形、開裂，甚至滑移、坍塌。因此，對庫區城鎮范圍的滑坡、高邊坡、高檔墻及其鄰近移民房屋地基基礎的變形開展監測并積累數據，對這些潛在災害點的災害預警和穩定性進行評價，以及與今后的工程治理設計有關的研究都是十分必要的。地理信息系統(GIS)是一種對空間信息以數字形式進行編輯、存儲、管理和分析的軟件平臺。在GIS平臺上對地形、地質、水文以及關于庫岸與崩滑體穩定性的各種監測數據進行管理與分析是十分有效的。全球衛星定位系統(GPS)已成功地應用于大地測量、導航和工程變形監測等領域，與常規大地測量手段相比較，具有不受通視條件限制、全天候和高精度等特點。運用GPS監測系統可以實現在較大的時、空尺度上掌握滑坡和區域地質穩定性分布的特點。此外，衛星遙感技術近年來有了較大的發展，遙感系統(remotesensingsystem,RS)中的雷達干涉測量(INSAR)則是新近發展的一種快速獲取地面變形三維信息的技術，將成像雷達系統對同一區域的多次觀測形成干涉，可檢測出地表厘米級的微小變化。20世紀90年代以來，上述3S技術的迅速發展，為地質災害的防治開辟了新的前景，引起了國內外諸多學者關注。筆者在三峽庫區開展的工作旨在運用3S技術的基礎上，整合現今成熟的、先進的傳感器測量技術、計算機信息處理技術與通訊技術，研究“三峽庫區庫岸與滑坡變形監測及災害監測預警系統”(以下簡稱為“災害監測預警系統”)，并在庫區選擇1或2個區、縣先期建設試驗監測網進行試驗觀測。期望通過對一些典型的滑坡與危險庫岸段進行全面監測，開展相應的滑坡變形破壞預警模型研究，逐步完善災害監測預警系統并推廣應用，以最大限度地減少災害帶來的損失。本文介紹了筆者自1998年以來在重慶市萬州庫區和奉節、巫山兩縣對滑坡、高邊坡與高擋墻進行地質調查，建立地質災害地理信息系統(GIS)，開展全球衛星定位(GPS)以及遙感(RS)變形監測與無線遙測臺網監測所獲得的初步成果和認識。2崩、滑體監測網GPS衛星定位系統是本項研究中進行庫岸與滑坡變形監測的主要手段。對沿水庫呈狹長條帶分布的崩、滑體布設的監測網，測量基線一般在3km以內。業已完成的現場試驗觀測表明，用GPS作地表相對變形測量，基線長度水平分量誤差可望達到≤±3mm，垂直分量誤差≤±6mm。2.1gps滑動誤差分析網絡變形監測系統一般由基準點、工作點與變形監測點構成。GPS滑坡變形監測網含下述3類網點。2.1.1變形量的標準和分析位置固定或變化小的點，作為監測網的坐標基準和分析比較變形量的依據?；鶞庶c通常埋設在穩固的基巖上，或設在變形范圍以外，要求盡可能穩定并便于長期保存。2.1.2工作點測量中直接使用基準點不方便或不合理，這時就要利用一些過渡點，稱為“工作點”，將其埋設在被觀測對象附近，并要求在觀測期間內保持穩定。2.1.3城市控制網點位于滑坡、高邊坡或者建筑物及地基上，能反映監測對象變形的測點。筆者在各地建設的基準網，其作用是與三峽庫區GPS首級監測控制網站(含13個GPS基準站)結合，以提供各個區域GPS監測網的坐標基準。每個縣的控制網點數為5～10個。這些點一般應選在遠離庫岸、有基巖出露或相對比較穩定的地點。由于三峽庫區GPS首級坐標控制網站尚未建成提供服務，筆者目前是依據城市規劃控制點來建立地方坐標系的。重慶市萬州移民開發區處在滑坡多發地區，有崩、滑體115處。由于這些滑坡體前緣多位于135m回水位以下，故在二期水位運行期間，干、支流兩岸岸坡及崩滑體可能進入變形、滑移階段，潛在的地質問題將會逐步暴露。為了掌握萬州區各個滑坡變形的特點，給有關基礎設施建設提供選址依據，筆者于2000年在萬州庫區建成了含120個流動站的GPS滑坡變形監測網。每個滑坡上有3～6個變形監測點不等，城區有30余處滑坡納入監測之中。2.2gps基準問題GPS測量得到的基線向量屬于WGS–84坐標系的三維坐標差，而在工程實際中所使用的數據和圖件一般是基于國家大地坐標系或地方坐標系的平面坐標。因此，首先必須明確GPS網采用的坐標系統和起算數據，這就是所謂的基準問題。GPS網的基準設計包括位置基準、尺度基準和方位基準。位置基準一般可由更高級的GPS基準站的坐標給定，也可選擇已有的城市控制點的坐標確定。重慶市巫山移民新縣城所選用的控制點及其坐標見表1。在聯測了上述控制點后，巫山縣GPS監測網的各項基準都隨之確定。在以后的測量中，可以進行坐標轉換，并獲得可資運用的地方坐標，即Beijing–54坐標系下的數據，這樣GPS監測獲得的滑坡變形結果就能夠直接輸入到巫山地質災害GIS分析系統中進行存儲與顯示。2.3同步圖形擴展方式首先要根據地質勘察的資料，在滑坡、庫岸變形的特征部位，且滿足GPS觀測條件的地點建立基座的水泥監測樁，形成含前述3類(網點的滑坡)變形監測網。GPS滑坡變形監測采用同步圖形擴展方式，這是在進行GPS監測時最常用的方式。把多臺接收機放在不同的流動站上進行同步觀測，完成一個同步網的觀測后，再把其中的幾臺接收機移動至下一組測站。在2組觀測之間，即2個同步圖形之間有一些公共點相連，直到布滿全網。這種布網方式作業方法簡單，圖形強度較好，擴展速度較快，故在實際工作中得到廣泛應用。目前，在萬州、巫山與奉節等地基本上每隔2個月開展一次GPS測量，雨季時應視需要進行加密監測。3遙感技術用于滑動變形監測3.1地質調查研究在滑坡監測中應用遙感技術的思路是：(1)應用高分辨率和多波段遙感圖像研究滑坡體幾何形態；(2)應用干涉雷達技術研究滑坡的變形和運動規律。地質災害的形成與多種地質因素有關，需要廣泛開展地質、地理和水文等多學科的研究，需要處理大量數據，所以必須借助先進的科技手段，才能有效地開展研究工作。運用遙感技術，開展對航片、衛片資料的分析并結合重點地質單元的調查，可以對三峽庫區的基本地質環境、山地災害分布及庫岸的性狀做出評定。遙感有多種平臺，可利用TM影像和SPOT影像來研究庫區岸坡植被、水系等環境因素的分布與改變，以輔助分析確定庫區危險庫岸段。3.2滑坡體邊坡監測三峽地區植被茂盛，雨水充沛，地貌變動較大，不適于干涉雷達信號的處理，曾有人做過嘗試未獲成功。為此，本項研究采用了國際上新提出的角反射器技術以輔助進行INSAR信號處理。角反射器是用3塊角形金屬板制作的一種裝置(見圖1)，能對照射其上的雷達波可按原方向反射回去，反射信號得到顯著的增強。通過在工作區范圍內均勻布設人工角反射器，并確定一些穩定的點作為天然反射點，便于圖像的配準和精確計算反射點的位移。對于三峽庫區如此大的范圍，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技術開展大范圍的滑坡監測，具有重要的意義。該項研究系中國地震局地殼應力研究所與德國地球科學研究中心(GFZ)的合作項目，已經在萬州和巫山兩地安裝了14個角反射器，多選在大型滑坡及穩定性較差的庫岸段，以進行試驗監測和研究。從2004年初開始以一個月的周期獲取INSAR數據，同時還聯合進行了GPS變形監測作為對比。4地下滲流場及抗滑樁應力的觀測與分析除了采用前述的GPS,RS空間技術獲得滑坡與庫岸變形監測數據外，還運用便攜式傾斜儀開展地表傾斜變形觀測，使用滑坡無線遙測臺網進行滑坡、高邊坡等動態變形的連續監測。在一些重點滑坡、變形體上，結合地質勘探進一步做了滲流場(含氣象因素)的監測，以及抗滑樁應力的觀測和研究。配合在庫區以3S技術為基礎建立的監測網，本“災害監測預警系統”設計中，特別針對危險庫岸與重點滑坡，將傳統的滑坡變形監測方法與現今成熟且先進的傳感器技術、計算機信息處理技術及通訊技術整合成一體，最終形成從點到面、從地上到地下、信號頻段從低頻到高頻的滑坡災害立體監測預警網絡，基本涵蓋了滑坡與庫岸從緩慢變形、勻速變形時段的監測到加速變形乃至臨近破壞的全過程監測預警的需要。4.1建立傾斜觀測墩在地表開展傾斜觀測具有效率高、成本低以及操作簡單等特點，因此，這種測量方法適用于滑坡與護岸等工程構筑物因開挖及沉降引起的旋轉變形監測。特別對于三峽庫區移民新城區高邊坡、高擋墻和房屋的變形監測，更可以彌補GPS方法因視空遮擋難以觀測的不足，獲得可靠的數據。在需要測量的位置應事先建立傾斜觀測墩，其上的金屬底盤形成的平面能夠與該處地表水平面同步變化。所采用的STM型流動傾斜觀測儀具有0.001°的測量靈敏度，儀器能夠存儲2000組測值，數據下載到微機后即可計算出每個測點地表的傾角與傾向。至今為止已在萬州等3個區、縣建立了地面傾斜監測網，共有傾斜觀測墩500多個，其中大部分已監測了近2a。4.2基于gis的遙感應急救援GPRS是在GSM基礎上發展起來的一種無線分組交換的數據承載業務。相對于GSM的電路交換數據傳送方式，GPRS采用分組交換數據傳送方式，在傳輸速率、無線網絡信道資源的有效利用、全面實現了移動Internet功能以及每個用戶永遠在線等方面具有非常明顯的優勢。RDA型地質災害無線遙測臺網系筆者開發的基于GPRS技術的新型遙測臺網。該地質災害無線遙測系統主要由監測子站群、監測預警數據中心、救災防災指揮中心和GPRS數據通訊公網等4個部分組成，系統結構框圖見圖2。根據需要，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、深部地層變形、定點傾斜、聲發射、裂縫變化、雨量以及監測護岸及抗滑樁等工程構筑物內部應力及所受的推力等。這些遙測儀器均具有全自動工作、內置無線數據傳輸模塊、功耗低、可用交流電源或太陽能電池供電、符合無障礙設計要求、安裝方便以及環境適應性好等特點。遙測系統軟件功能包括接收各地質災害點遙測子站發送的數據、數據入庫、顯示變形趨勢曲線和超限自動報警等。同時，遙測臺網中心站可對各個遙測子站發出指令，改變其工作參數，如數據采樣間隔可選擇5min,1h,24h等。系統可接入地區監測預警中心微機局域網，支持運行基于GIS的減災決策支持系統。在市、縣級地質災害監測指揮中心的計算機屏幕上可以實時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年在萬州吳家灣滑坡建成第一個遙測臺網以來，在萬州和巫山，運用RDA型地質災害無線遙測臺網監測的滑坡已有近20處，積累了豐富的數據。4.3將應急監測系統打造成測距的設計以往無論在三峽庫區還是在其他地方，發現有滑坡跡象時常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。RDA型遙測臺網的通訊選用無線方式顯著增強了遙測臺網的環境適應性與機動性，特別是在監測點多、環境偏遠以及應急監測的場合，這一點顯得尤為重要。筆者在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；并優選了傾斜、激光測距、光電沉降遙測儀等組成滑坡變形應急監測系統。一當有群眾報告，或者通過監測發現某滑坡有加速變形跡象，便能馬上趕往現場，迅速安裝臺網，開展24h連續監測。這不但能夠有效避免不測事件的發生，還可以積累研究滑坡變形破壞的寶貴資料。筆者在萬州應地方政府的要求，對公路、橋梁開展的應急監測便收到了良好的效果。5依托數據庫管理系統，強化分析研判筆者在1998～2000年研制出基于GIS的萬州滑坡監測分析系統，之后逐步完善了相關的數據庫管理系統，充實了數據分析模塊，增加了自動報警功能，實現了含數據管理、分析于一體的滑坡監測預警GIS系統，并相繼推廣到巫山、奉節兩縣。5.1監測數據綜合分析地質災害監測預警GIS系統以大比例尺電子地圖作為工作用圖，可以任意縮放、漫游、能夠自動查找地圖目標，并與數據庫相關聯。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一個有效的平臺，進而為滑坡穩定性的研究打下了很好的基礎。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結果。圖3所示為重慶市巫山GIS系統，顯示出4類監測站的分布，圖中1代表GPS靜態監測站，2代表GPS動態監測站，3代表流動傾斜監測站，4代表GPS控制點。圖4為在巫山GIS系統上分析并顯示的WZB邊坡傾斜變形矢量圖，圖中顯示出4個測點的傾向均順著坡向，2003年累計變化小于0.02°，穩定性較好。5.2滑坡分析軟件在區域監測、規劃數據分析流程基本上有如下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數據，經過校核確認無誤后，即可存入當地地質環境監測站基礎數據庫。(2)基于地理信息系統的地質災害分析管理軟件可以進行統計分析、時間序列分析、地表位移矢量圖分析、滑坡的深度–位移曲線分析以及位移–降雨量分析等。(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，可用于開展進一步的滑坡穩定性分析研究。正在開展的研究工作包括：(1)以區域滑坡危險性評價和風險區劃為主的滑坡災害長期預測；(2)基于GPS和定期監測信息的中期預測；(3)基于實時和遙測信息為主的滑坡事件短期預測。5.3自動傳遞短信息報警系統本災害監測預警系統目前具有初步的超限自動報警功能，即在遙測臺網實時監測的基礎上設置超限報警閾值，一旦滑坡出現異常變化速率，超過報警閾值，除中心站主機發出聲、光信號外，系統還自動向值班人員發送短信息報警。6監測結果與典型滑動滑動穩定性評價6.1變形區與變形速率自1999年底萬州滑坡GPS監測網建成到2002年底共完成了8期測量，多數滑坡近期變形速率較低，在5mm/a以下。但是半邊石壩與吳家灣等少數滑坡變形速率分別達84和49mm/a，關塘口、青草背等滑坡也有明顯變形，萬州城區滑坡現今變形有如圖5所示的分區特點。變形大的地區多是陡坡，并且是古滑坡分布地區，近期的變形主要和人類工程活動及強降雨量等因素有關。上述結果對于萬州庫區城鎮的建設規劃有指導意義。據了解個別基礎設施項目選在這些變形區域，自2002年開工，屢屢受阻，至今無法投入建設。對這幾處穩定性差的滑坡體加強了跟蹤監測，例如SMB滑坡2003年曾繼續發生變形垮塌，其北部區域5月以來發生了嚴重變形。圖6給出了SMB滑坡地表變形GPS測量成果(時間段：2003年1～6月)。由圖6可以看出，2003年1季度該區變形速率不高，4月18日(即圖中第108日)降大雨84mm后，滑坡變形明顯加速，G123–134與G123–128是接近主滑方向的測量基線，到6月累計變形量分別達到300,400mm左右?？梢姡嗽搮^是古滑坡分布地區外，強降雨的影響不可低估。6.2邊坡穩定性分析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、白衣庵和南竹園等大型滑坡對新建縣城基礎穩定性的影響為最大。由于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，并以高度大、連續分布長為特點，邊坡高度可達30～40m，長度數百米。高邊坡的穩定性是奉節縣城最大的潛在地質災害問題。2002年在奉節建立了含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范圍的變形分布如圖7所示，發生最大變形的地區是西部朱衣河谷坡一帶的高邊坡。這些地帶大多是高階地、陡坡，由此引發的主要地質災害問題是建筑載荷導致的自然高陡邊坡、古滑坡失穩以及因平整建筑場地而切削邊坡、填平坡腳、溝谷而產生的高邊坡與回填邊坡的失穩等。6.3滑體變形特征分析殘聯滑坡體位于巫山新縣城中心地帶，滑坡區內高程為278～492m，為河流谷坡地形，坡角一般為10°～30°?；麦w為第四紀坡積物，含碎石、粉質粘土，厚度為0～12m，總體積約15×104m3。由于本區域為斜坡區，公路及房屋等建設需對原始斜坡進行不同程度的開挖和切坡，2001年已發現有變形發生。地質勘察資料表明殘聯滑坡周界明顯，滑面漸趨形成，屬推移式滑坡。巫山殘聯滑坡遙測臺網安裝在最能反映滑體變形特征的部位，4臺遙測子站沿主滑方向形成一條測線。遙測臺網激光測距的監測數據隨時間的變化如圖8所示，上面的曲線是測距結果，測線長51.3m多，滑坡向下滑移對應測線縮短；下面是環境溫度曲線，橫坐標為測量時間，按年月日時分格式顯示。從2003年9月～2004年2月可大體分為3個階段。第1階段：2003年9月12～27日為滑坡體中部抗滑樁完工之前，由于開挖引起了邊坡內部