三峽庫區(qū)萬州—巫山段地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警研究

歐陽祖熙　張宗潤　陳明金　師潔珊　陳征　韓文心

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（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京，100085）

【摘要】為了較好地解決滑坡監(jiān)測中高度的不確定性問題，需要配合使用多種類型的監(jiān)測系統(tǒng)。本文系統(tǒng)介紹了三峽庫區(qū)萬州、奉節(jié)、巫山等地開展的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警研究工作，包括基于3S技術(shù)和地面變形監(jiān)測臺網(wǎng)建立的研究區(qū)典型地段滑坡監(jiān)測網(wǎng)、研制的新型滑坡無線遙測臺網(wǎng)，以及流動傾斜儀、激光測距儀等專用設(shè)備。通過近年來獲得的一些典型監(jiān)測結(jié)果剖析了不同技術(shù)和方法在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警相關(guān)方面應(yīng)用的有效性。

【關(guān)鍵詞】三峽庫區(qū)　滑坡　監(jiān)測預警系統(tǒng)　3S技術(shù)

1　引言

自1998年以來，中國地震局地殼應(yīng)力研究所（以下簡稱地殼所）三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害項目組依托國務(wù)院三峽建設(shè)委員會移民局“三峽工程萬州庫區(qū)GPS滑坡監(jiān)測示范研究”，科技部“十五”攻關(guān)項目“示范區(qū)新型、高效地質(zhì)災(zāi)害遙測臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)研究”，重慶市政府和移民局下達的“奉節(jié)、巫山高邊坡與高擋墻穩(wěn)定性監(jiān)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(guān)于“應(yīng)用PSInSAR遙感技術(shù)監(jiān)測三峽庫區(qū)滑坡及庫岸變形”等項目的支持，在萬州、巫山、奉節(jié)三地移民局和國土局的配合下，廣泛深入地開展了庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究。監(jiān)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(chǔ)的穩(wěn)定性，監(jiān)測技術(shù)體現(xiàn)了多學科的融合。

幾年來，在進行地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，項目組運用3S技術(shù)，建立地質(zhì)災(zāi)害地理信息系統(tǒng)（GIS）；開展全球衛(wèi)星定位（GPS）滑坡變形監(jiān)測及多手段儀器監(jiān)測；并整合現(xiàn)今成熟的、先進的傳感器與測量技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)與通訊技術(shù)，以 GSM/GPRS為通訊平臺的無線遙測臺網(wǎng)，可以選擇連接不同的傳感器來監(jiān)測崩、滑體地表變形、深部位移、地下水動態(tài)、聲發(fā)射、裂縫變化、雨量，以及庫岸及抗滑樁等工程構(gòu)筑物內(nèi)部應(yīng)力及所受的推力等；在遙感（RS）技術(shù)應(yīng)用方面，將國際上新近提出的角反射器技術(shù)用以輔助進行InSAR信號處理，建立了試驗臺網(wǎng)。迄今，項目組在庫區(qū)庫岸與滑坡變形監(jiān)測及災(zāi)害預警系統(tǒng)的工作中已獲得了多項階段性成果，一些典型地區(qū)的監(jiān)測成果為政府減災(zāi)決策提供了重要依據(jù)。

2　庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計的指導思想

庫區(qū)崩塌、滑坡監(jiān)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(zāi)變的特征信息，為崩塌、滑坡災(zāi)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(jù)。同時，監(jiān)測結(jié)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(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計思想為：

（1）針對不同崩、滑體的地質(zhì)構(gòu)造與變形階段特征，應(yīng)采用不同的方案、手段進行監(jiān)測；

（2）鑒于崩、滑體變形破壞過程的高度不確定性，同一崩滑體上宜采用多種手段監(jiān)測，形成點、線、面、地表與地下相結(jié)合的立體監(jiān)測網(wǎng)，使其互相補充、檢核；

（3）在群測群防工作的基礎(chǔ)上，發(fā)展常規(guī)人工儀器觀測與無線自動遙測的技術(shù)、建立靜態(tài)和動態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測預警網(wǎng)絡(luò)，分別服務(wù)于地質(zhì)災(zāi)害的長期、中期預測和短期預警。

3　地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法與技術(shù)

依據(jù)崩、滑體變形監(jiān)測的物理量，兼顧變形測量對精度的要求和監(jiān)測工作的效率，結(jié)合當前國內(nèi)外監(jiān)測技術(shù)和方法的發(fā)展水平，在實際應(yīng)用中采用GPS、InSAR、激光測距、流動傾斜、裂縫監(jiān)測技術(shù)測量地表形變，一些地段也采用了傳統(tǒng)方法如全站儀和水準測量；鉆孔測斜儀監(jiān)測深部位移；孔隙水壓力計監(jiān)測地下水動態(tài)變化；鋼筋應(yīng)力計與錨索（桿）應(yīng)力計，分別用于監(jiān)測抗滑樁內(nèi)部鋼筋和錨索、錨桿的受力變化；同時，采用遙測臺網(wǎng)技術(shù)采集包括地表變形、深部位移、地下水、鋼筋計、危巖聲發(fā)射等在內(nèi)的各種動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。下面簡要評述這些方法的特點與適用領(lǐng)域。

3.1　GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）大地測量網(wǎng)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）是美國國防部研制的導航定位授時系統(tǒng)，由24顆等間隔分布在6個軌道面上、大約20000km高度的衛(wèi)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(wèi)星。用戶在地面用接收機接收這些衛(wèi)星發(fā)射來的信號，測定接收機天線到衛(wèi)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(fā)和應(yīng)用GPS定位技術(shù)的發(fā)展速度很快，如在長江三峽工程壩區(qū)已建立了GPS監(jiān)測網(wǎng)，實踐證實，高性能配置的GPS水平定位精度可達毫米級，完全可用于崩塌、滑坡的位移監(jiān)測。

相對于傳統(tǒng)的大地測量方法，GPS測量技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測有以下優(yōu)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新一代 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于滑坡變形監(jiān)測、施工安全監(jiān)測以及滑坡工程治理效果監(jiān)測之中。但是，由于監(jiān)測站建設(shè)和獲取數(shù)據(jù)周期較長，在災(zāi)害的短期預警中該方法用得較少。

3.2　專用儀器監(jiān)測網(wǎng)

在此類測量方法中，有多種傳統(tǒng)的測量儀器目前仍在廣泛使用，如經(jīng)緯儀、全站儀、水準儀和鉆孔測斜儀等，它們主要用于各種工程治理項目的施工安全監(jiān)測中。除了前述的儀器外，我們還從三峽庫區(qū)的具體環(huán)境條件出發(fā)，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害其他方面監(jiān)測工作的需要，開發(fā)了便攜式傾斜儀、流動激光測距儀等設(shè)備，彌補GPS觀測受房屋、山坡遮擋而不便施測的不足，以便對位于河谷斜坡地形上的庫區(qū)移民新城鎮(zhèn)的滑坡地表變形、房屋及地基基礎(chǔ)變形進行全面監(jiān)測。在一些經(jīng)過工程治理的重點滑坡、變形體上，結(jié)合治理效果監(jiān)測，還大量運用了鋼筋計和錨桿（索）計以監(jiān)測抗滑樁內(nèi)部應(yīng)力及滑坡的推力。

在地表開展各種流動儀器觀測具有監(jiān)測參量多，靈敏度高，測量范圍較大，效率高，成本低，操作簡單等特點，因此這類測量方法適用于滑坡治理施工安全監(jiān)測和效果監(jiān)測，與前一種GPS流動站觀測法相同，也大量應(yīng)用于多種地質(zhì)災(zāi)害的中、長期監(jiān)測預報中。

3.3　地質(zhì)災(zāi)害無線遙測臺網(wǎng)

目前，國外崩塌、滑坡監(jiān)測預警技術(shù)已發(fā)展到一個較高的水平。首先是較普遍采用了全自動、多參數(shù)監(jiān)測的遙測臺網(wǎng)；其次，在地質(zhì)災(zāi)害模型預報和預警系統(tǒng)方面，已運用3S(GPS、GIS和RS）技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害空間分析、模型預報和預警系統(tǒng)研究。國內(nèi)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(shù)礦區(qū)已嘗試采用小型遙測臺網(wǎng)進行滑坡災(zāi)害的監(jiān)測預報；2002年，中國地震局地殼所在三峽庫區(qū)又率先建立了用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警的多參數(shù)無線遙測臺網(wǎng)。

“RDA型地質(zhì)災(zāi)害無線遙測臺網(wǎng)”系地殼所開發(fā)的基于GSM/GPRS技術(shù)的新型無線遙測臺網(wǎng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測子站群、監(jiān)測預警數(shù)據(jù)中心和GPRS數(shù)據(jù)通訊公網(wǎng)等三部分組成（系統(tǒng)構(gòu)成見圖1）。GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無線分組交換的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。相對于GSM/SMS的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GSM/GPRS采用分組交換數(shù)據(jù)傳送方式，提高了傳輸速率，有效利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，全面實現(xiàn)了移動Internet功能，對于每個用戶永遠在線等方面具有非常明顯的優(yōu)勢。

圖1　GPRS滑坡無線遙測系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)單體滑坡監(jiān)測的需要，可以確定所需遙測子站的個數(shù)，各遙測子站可以選擇連接不同的傳感器來監(jiān)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(jiān)測護岸、抗滑樁等工程構(gòu)筑物內(nèi)部應(yīng)力和所受的推力等。監(jiān)測預警數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)軟件功能包括接收各地質(zhì)災(zāi)害點遙測子站的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)入庫、顯示變形趨勢曲線和超限自動報警等功能。同時，數(shù)據(jù)中心站可對各遙測子站發(fā)出指令，改變其工作參數(shù)，如數(shù)據(jù)采樣間隔（5分鐘、1小時、24小時等）。系統(tǒng)可接入地區(qū)監(jiān)測預警中心微機局域網(wǎng)，支持運行基于GIS的減災(zāi)決策支持系統(tǒng)。市、縣級地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測指揮中心的計算機屏幕上可以準實時地密切監(jiān)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(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害事件進行現(xiàn)場監(jiān)測和救助指揮。從2002年我們在萬州WJW滑坡建成第一個遙測臺網(wǎng)以來，在萬州和巫山運用“RDA型地質(zhì)災(zāi)害無線遙測臺網(wǎng)”監(jiān)測的崩、滑體已有近20處，積累了豐富的數(shù)據(jù)。該地質(zhì)災(zāi)害無線遙測系統(tǒng)主要具有以下特點：

（1）監(jiān)測參量多，精度高

系統(tǒng)集成了包括：滑坡地表變形（位移、沉降）、傾斜變形測量儀、裂縫測量儀、崩滑體微破裂聲發(fā)射信號記錄儀、鉆內(nèi)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(jiān)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(tài)范圍。

（2）自動遙測，無人值守

遙測儀器均內(nèi)置微處理器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，動態(tài)范圍大，全自動監(jiān)測，無線傳輸，可用交流電源或太陽能電池供電。

（3）無障礙設(shè)計

所研制的儀器在測量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢蠠o障礙設(shè)計要求，因而有安裝方便，環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點。

（4）依托先進的通訊技術(shù)

本遙測臺網(wǎng)綜合運用了最新發(fā)展的GSM/GPRS通訊技術(shù)，既適應(yīng)三峽庫區(qū)的地形條件，便于安裝和維護，又具有高容量、覆蓋范圍廣以及成本較低等特點。

3.4　崩塌滑坡應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)

以往，無論在三峽庫區(qū)還是我國其他地方，發(fā)現(xiàn)有崩塌滑坡跡象時，常因缺乏應(yīng)急監(jiān)測手段，未能詳細積累數(shù)據(jù)，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(wǎng)的基礎(chǔ)上，將通訊改為GSM/SMS，即短信息方式，目的是使系統(tǒng)對通信公網(wǎng)的適應(yīng)能力更強，架設(shè)更簡便可靠。在監(jiān)測環(huán)境偏遠以及應(yīng)急監(jiān)測的場合，這一點顯得尤為重要。

應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)選了地表傾斜、激光測距、裂縫測量儀等手段。一旦有群眾報告或者通過儀器監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某地滑坡有加速變形跡象，便能急速趕赴現(xiàn)場，及時安裝臺網(wǎng)，實施24小時連續(xù)監(jiān)測。既能有效避免不測事件的發(fā)生，還可積累研究滑坡變形破壞階段的寶貴資料。2003年，應(yīng)萬州地方政府的要求對公路、橋梁開展的應(yīng)急監(jiān)測便收到了良好的效果。

3.5　合成孔徑干涉雷達InSAR測量技術(shù)

合成孔徑雷達干涉（InSAR

InSAR—Interferometry Synthetic Aperture Radar的縮寫。

）測量技術(shù)，是利用相鄰航線上觀測的同一地區(qū)的兩幅SAR影像的相位差來獲取地面數(shù)據(jù)的測量技術(shù)，其主要特點是利用雷達數(shù)據(jù)中的相位信息。

干涉雷達優(yōu)點較多：具全天候工作能力，發(fā)射的微波對地物有一定穿透能力，能提供光學遙感所不能提供的信息，且為主動式工作方式。對于歐洲雷達衛(wèi)星 ERS-1/2和加拿大雷達衛(wèi)星RADRSAT-1，采用干涉技術(shù)來產(chǎn)生 DEM，監(jiān)測地面位移變化，精度可以達到毫米量級。因此，該技術(shù)手段特別適用于大面積的滑坡、崩塌、泥石流以及地裂縫、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預報，是一項快速、經(jīng)濟的空間探測高新技術(shù)。

三峽地區(qū)植被茂盛，雨水充沛，地貌差異較大，不利于干涉雷達信號的處理，曾有人在該地區(qū)做過嘗試未獲成功。為此，地殼應(yīng)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(shù)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一種裝置，它對照射其內(nèi)的雷達波可按原方向反射回去，反射信號相對于周圍環(huán)境有顯著的增強。通過在工作區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)人工角反射器，并確定一些穩(wěn)定的點作為天然反射點，便于圖像的配準和精確計算角反射器的位移。對于三峽庫區(qū)如此大的范圍，僅僅利用有限的點位進行 GPS或其他儀器設(shè)備測量滑坡體形變是有局限的，因此，探索利用InSAR技術(shù)開展三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測，具有重要的意義。2003年，我們已經(jīng)在萬州和巫山兩地安裝了14個角反射器，進行試驗監(jiān)測和研究，同時還聯(lián)合進行 GPS變形監(jiān)測作為對比。

4　用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警的GIS系統(tǒng)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測地理信息系統(tǒng)是一個能夠有效管理各種四維空間（含地理坐標和時間變化）數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。它以崩滑體等監(jiān)測對象為基礎(chǔ)，把地形、城市規(guī)劃、監(jiān)測點分布等空間數(shù)據(jù)，按其空間位置存入計算機；通過數(shù)據(jù)庫模塊、曲線顯示模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)主要由四部分組成：地理信息子系統(tǒng)、地質(zhì)基礎(chǔ)資料文獻管理子系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。

地殼所自1998年在重慶市萬州區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與研究工作以來，首先致力于建立基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)和資料管理平臺，在2000年研制成功“萬州庫區(qū)移民工作地理信息系統(tǒng)”。之后，又逐步完善相關(guān)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，充實數(shù)據(jù)分析模塊，增加自動報警功能，實現(xiàn)了含數(shù)據(jù)管理、分析于一體的滑坡監(jiān)測預警GIS系統(tǒng)，并相繼推廣到巫山、奉節(jié)兩縣。

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Visual C++6.0為開發(fā)工具，以MapInfo為基本開發(fā)平臺；地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)庫利用Microsoft SQL Server 2000創(chuàng)建，通過ADO技術(shù)進行數(shù)據(jù)庫連接、訪問。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警GIS系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。該系統(tǒng)為管理各種工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，為管理上述幾類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的分析與結(jié)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(wěn)定性的研究打下了很好的基礎(chǔ)（系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2）。

圖2　地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警GIS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)前述功能的要求，該系統(tǒng)可以輸出多種表達數(shù)據(jù)處理及空間分析結(jié)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(tǒng)的一個界面，顯示出滑坡、道路及四類監(jiān)測站的分布，即為一例。

圖3　巫山GIS系統(tǒng)顯示的GPS和傾斜監(jiān)測站分布圖

1.GPS靜態(tài)監(jiān)測站；2.GPS動態(tài)監(jiān)測站；3.流動傾斜監(jiān)測站；4.GPS坐標控制點

數(shù)據(jù)分析流程基本上有如下的3個方面：

（1）整個監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，包括自動傳輸與流動觀測的，經(jīng)過校核確認無誤后，即可存入當?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

（2）基于地理信息系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害趨勢分析及預警技術(shù)研究，包括進行監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)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，并進而確定在不同的地質(zhì)環(huán)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(jié)果，可用于做進一步的滑坡穩(wěn)定性分析研究。

5　各類監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與典型監(jiān)測結(jié)果

5.1　GPS技術(shù)用于滑坡變形監(jiān)測

自1999年底萬州庫區(qū)建成含120余個流動站的GPS滑坡變形監(jiān)測網(wǎng)，到2002年底，共完成了8期測量。結(jié)果顯示，多數(shù)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(shù)滑坡年變形速率分別達84mm和49mm；關(guān)塘口、青草背等滑坡也有明顯變形。圖4顯示了萬州城區(qū)滑坡現(xiàn)今變形的分區(qū)特點：變形大的地區(qū)多為陡坡，有的是古滑坡分布地區(qū)；近期的變形主要和人類工程活動以及強降雨等因素有關(guān)。

圖4　萬州城區(qū)滑坡變形分布示意圖

1.GPS滑坡監(jiān)測點；2.滑坡；3.滑移矢量；4.變形較小的穩(wěn)定地區(qū)

上述結(jié)果對于庫區(qū)城鎮(zhèn)的建設(shè)規(guī)劃有指導意義。據(jù)了解，有的基礎(chǔ)設(shè)施項目選在上述變形區(qū)域內(nèi)，自2002年初開工，場平屢屢受阻，歷時3年無法開展基本建設(shè)，付出了沉重的代價。對這幾處穩(wěn)定性差的滑坡體，加強了跟蹤監(jiān)測和研究。例如萬州 SMB滑坡2003年繼續(xù)發(fā)生變形垮塌，其北部區(qū)域5月以來曾發(fā)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年一季度該區(qū)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(qū)是因人類工程活動觸發(fā)滑坡變形因素外，強降雨的影響不可低估。

又如奉節(jié)新縣城地區(qū)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。由于新縣城地處復雜的地質(zhì)構(gòu)造部位，巖層較為破碎，沖溝發(fā)育，高階地較窄，且連續(xù)性差。新建移民區(qū)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(xù)分布長為特點，邊坡高度可達30～40m，長度數(shù)百米。高邊坡的穩(wěn)定性問題是奉節(jié)縣城最大的潛在地質(zhì)災(zāi)害問題之一。

2002年我們在奉節(jié)建立了含290個監(jiān)測樁的GPS和地表傾斜變形監(jiān)測網(wǎng)。到2003年中，整個縣城近8km2范圍的變形分布如圖6所示，發(fā)生最大變形的地區(qū)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，表現(xiàn)的主要地質(zhì)災(zāi)害問題是建筑載荷導致的自然高、陡邊坡、古滑坡失穩(wěn)；因平整建筑場地而切削邊坡，填平坡腳、溝谷，產(chǎn)生的高邊坡與回填邊坡的失穩(wěn)等。

圖5　SMB滑坡地表變形 GPS測量成果

圖6　2003年奉節(jié)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(jiān)測技術(shù)

本階段的監(jiān)測工作主要用于評價滑坡（危巖）治理施工過程中滑坡的穩(wěn)定程度，及時反饋、跟蹤和控制施工進程，對原有的設(shè)計與施工組織的改進提供最直接的依據(jù)，對可能出現(xiàn)的險情及時發(fā)出報警信號，以便調(diào)整有關(guān)施工工藝和步驟，避免惡性事故的發(fā)生。做到信息化施工，以期取得最佳的經(jīng)濟效益。目前，在安全監(jiān)測中使用了大量的專用儀器布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)，這已為廣大工程技術(shù)人員所熟悉，這里僅舉一例說明“RDA型地質(zhì)災(zāi)害無線遙測臺網(wǎng)”的應(yīng)用成果。從2002年5月起在萬州 WJW滑坡建立了無線遙測臺網(wǎng)。該滑坡為三峽庫區(qū)二期地質(zhì)災(zāi)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(jié)果。盡管施工包括59個抗滑樁的開挖與澆注，但由于設(shè)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(wǎng)連續(xù)監(jiān)測，可以及時準確掌握滑坡變形動態(tài)，確保施工安全。

5.3 工程治理效果監(jiān)測

仍以萬州WJW滑坡為例。該滑坡治理工程采取以預應(yīng)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(jiān)測網(wǎng)采用了GPS、深部位移、孔隙水壓力測量和鋼筋應(yīng)力計等儀器監(jiān)測方法，在關(guān)鍵部位還設(shè)置了遙測臺網(wǎng)進行連續(xù)監(jiān)測。

圖7　萬州 WJW滑坡工程治理施工安全監(jiān)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(jié)果的日變化曲線。由圖可見：錨拉抗滑樁內(nèi)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(guān)關(guān)系；根據(jù)氣象資料，滑坡孔隙水壓力的變化與降雨亦有直接關(guān)系。但是從總趨勢看，抗滑樁內(nèi)力、深部位移變化不大，說明 WJW滑坡經(jīng)過治理后基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與其他監(jiān)測點儀器巡測的結(jié)果基本一致。

圖8　3002遙測子站觀測結(jié)果曲線顯示

圖9 為巫山GIS系統(tǒng)上分析、顯示的WZB邊坡傾斜變形矢量圖，是使用儀器監(jiān)測網(wǎng)進行工程治理效果監(jiān)測的實例。如矢量圖所示，4個測點的傾向均與坡向大體一致，2003年累計角變量≤0.02°，說明經(jīng)過治理后的邊坡穩(wěn)定性良好。

5.4　滑坡變形應(yīng)急監(jiān)測

巫山縣殘聯(lián)滑坡位于巫山新縣城中心地帶，滑坡區(qū)內(nèi)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(zhì)粘土，厚度0～12m，總體積約15萬m3。由于本區(qū)域為斜坡區(qū)，公路及房屋等建設(shè)須對原始邊坡不同程度的開挖、切坡，2001年已發(fā)現(xiàn)有變形發(fā)生。地勘資料表明殘聯(lián)滑坡周界明顯，滑面漸趨形成，屬推移式滑坡。2002年雖經(jīng)兩度治理，其西區(qū)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(lián)滑坡激光測距曲線（2003年9月～2004年2月）

應(yīng)巫山縣國土局要求，2003年9月安裝了遙測臺網(wǎng)。殘聯(lián)滑坡遙測臺網(wǎng)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一條測線。

激光測距的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間的變化如圖10所示。上條曲線為測距結(jié)果，測線長51.3m，滑坡向下滑移對應(yīng)測線縮短，單位為mm；下條為環(huán)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：

第一階段：9月12日到9月27日為滑坡體中部抗滑樁完工之前，由于開挖引起邊坡內(nèi)部應(yīng)力調(diào)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后，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(jié)論

（1）基于3S技術(shù)和地面變形監(jiān)測臺網(wǎng)，基本建立了研究區(qū)典型地段滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。運用GPS等空間技術(shù)可以獲得滑坡變形區(qū)域分布狀況，不但有利于確定需要重點監(jiān)測的滑坡，而且對庫區(qū)城鎮(zhèn)改造規(guī)劃有指導意義。遙測臺網(wǎng)可快速測定變形速率，是掌握滑坡動態(tài)變形趨勢與開展應(yīng)急監(jiān)測的有效工具。

（2）為了較好地解決滑坡監(jiān)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(wǎng)和流動傾斜儀、激光測距儀，精度高，性能穩(wěn)定，有較大的推廣價值。

（3）由于滑坡、高邊坡所處地質(zhì)環(huán)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(qū)分滑坡與高邊坡的地質(zhì)環(huán)景，合理布置穩(wěn)定性監(jiān)測點位，對其穩(wěn)定性監(jiān)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、范國勝、李濤等同志表示感謝。

參考文獻

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GIS在地質(zhì)學中的應(yīng)用

石油和礦產(chǎn)勘查要求多種數(shù)據(jù)集進行綜合分析。過去對數(shù)據(jù)存檔、檢索及迭加分析通常使用圖件或表格數(shù)據(jù),對比與綜合要花費大量時間,遙感與GIS技術(shù)則為這些多源勘探數(shù)據(jù)綜合處理提供了現(xiàn)代化手段。

在石油等礦產(chǎn)勘查時,地質(zhì)學家首先要對各種地質(zhì)圖件、地球物理和地球化學數(shù)據(jù)、地震剖面以及遙感圖像等數(shù)據(jù)進行綜合分析,以便能清楚地了解各種不同數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系。

地質(zhì)數(shù)據(jù)通常也是由點、線、多邊形三種形態(tài)構(gòu)成的。點數(shù)據(jù)以地球化學分析數(shù)據(jù)最典型,它與某一特定的取樣點有關(guān);線數(shù)據(jù)可以是一條巖性分界線或一條斷裂;多邊形數(shù)據(jù)如某種巖類的出露范圍。這些數(shù)據(jù),有的采用圖件形式,用顏色表示巖石類型(專題圖),符號表示地球化學取樣點位置,用等值線表示磁場測量值。許多地質(zhì)數(shù)據(jù)還以報告、圖形或?qū)嶒炇医Y(jié)果表格等形式提供。在GIS中,這些不同的數(shù)據(jù)集(如地球化學分析數(shù)據(jù)、航磁調(diào)查數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖和地形圖以及遙感數(shù)據(jù))經(jīng)過數(shù)字化、編碼、矢量到網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生連續(xù)或離散的數(shù)據(jù)集,存入建立起目標區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫,圖13-1給出了地質(zhì)地表數(shù)據(jù)的輸入,分析和建庫的過程。

在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中,地質(zhì)數(shù)據(jù)按專題內(nèi)容分層存貯,幾何特征以圖形圖像表達,屬性數(shù)據(jù)則記錄在二維關(guān)系表中,兩者為一對一或一對多的關(guān)系。于是,在這個數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,勘探工作區(qū)的所有地球物理、地球化學、巖石學及輻射場的數(shù)據(jù)都可以納入數(shù)據(jù)庫。一旦工作區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫被建立,地質(zhì)學家便可以利用已有的專家(概念)模型來指導數(shù)據(jù)分析。例如,在石油勘探中,首先利用石油存貯條件與變量之間已知的物理、化學和地質(zhì)聯(lián)系來分析數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù),對直接或間接與這些聯(lián)系有關(guān)的數(shù)據(jù)進行分析、處理、生成各種派生數(shù)據(jù)。表13-1顯示某工作區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)集。用這些數(shù)據(jù)所提供的信息來選定油氣儲藏有利地區(qū)。

如將重力和航磁數(shù)據(jù)疊合,有助于對基底形態(tài)的分析。又由于基底形態(tài)對沉積蓋層構(gòu)造發(fā)育有影響,因而據(jù)重力和航磁的一階、二階導數(shù)可推斷出構(gòu)造的總體特征。又如,基底隆起地區(qū)可能影響蓋層構(gòu)造特征,基底凹陷的地區(qū)沉積厚度較大,可能成為盆地的沉積中心。

圖13-1 地質(zhì)地表數(shù)據(jù)處理、分析及建庫流程圖

背斜構(gòu)造是重要儲油構(gòu)造。是油氣勘探數(shù)據(jù)庫的重要內(nèi)容。構(gòu)造的向下延伸范圍是一個最有價值的參數(shù),目前的技術(shù)水平還難以確定。在數(shù)據(jù)庫中,背斜用多邊形表示,并以背斜軸為中心向下延展來定性表達背斜的地下影響范圍。

斷層對油氣的生、儲、蓋都很重要。斷層等密度圖與線性體等密度圖是用任一網(wǎng)格單元范圍內(nèi)斷層/線性體出現(xiàn)的頻數(shù)來定義的。用鄰域分析法計的研究區(qū)內(nèi)圍繞每一象元的5×5象元陣列中斷層出現(xiàn)的次數(shù)。結(jié)果圖顯示出斷層/線性體密度。將斷層等密度和線性體等密度圖進行疊加,合成出一幅描述斷裂密度的新圖。對蓋層斷裂密度高值地區(qū)進行分析,判明它對區(qū)域油氣運移和儲集的具體作用。

表13-2給出某研究區(qū)域模型及其對應(yīng)的權(quán)重,系統(tǒng)據(jù)此運行后生成一個新圖像。圖像的像元值等于各輸入的權(quán)值求和,將它們進一步分段,便可以表達工作區(qū)中油氣產(chǎn)出有利性的不同級別,最后圈出高概率產(chǎn)油區(qū)。

這種技術(shù)方法同樣適用于其它礦產(chǎn)勘查、區(qū)域成礦預測,工程地質(zhì)災(zāi)害評估與預測等。

GIS技術(shù)的引入可能極大改變地質(zhì)學家的工作模式,使地學工作者面臨的對多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、配準、存儲、分析、綜合與檢索工作,變得形象直觀、靈活多樣、快速準確,使各種地學模型的生成和發(fā)展,在技術(shù)上有了主要的支撐系統(tǒng)。

表13-1 原始和派生地質(zhì)數(shù)據(jù)

表13-2 模型的輸入與數(shù)字加權(quán)

GIS可以用于地質(zhì)災(zāi)害和土地污染模擬嗎？

當然可以。地理信息系統(tǒng) (GIS) 是表達處理以及分析與地理分布有關(guān)的專業(yè)數(shù)據(jù)的一種技術(shù)，它提供了一種快速展示有關(guān)地理信息和分析信息的新的手段和平臺。 從20世80年代以來，GIS在災(zāi)害管理中得到逐步深入的應(yīng)用：從簡單的災(zāi)害數(shù)據(jù)管理、多源數(shù)據(jù)集數(shù)字化輸入和繪圖輸出，到DTM和DEM模型的建立和使用；從GIS結(jié)合災(zāi)害評價模型的擴展分析；到GIS與決策支持系統(tǒng)的集成；再到WebGIS。GIS的核心是空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，由空間數(shù)據(jù)處理和空間數(shù)據(jù)分析構(gòu)成。運用GIS所具有的數(shù)據(jù)采集和提取、轉(zhuǎn)換與編輯、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)的重構(gòu)與轉(zhuǎn)換、查詢與檢索、空間操作與分析、空間顯示和成果輸出及數(shù)據(jù)更新等功能，我們可以根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害評估的需要，建立以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的、用于地質(zhì)災(zāi)害評價的空間分析模型，評價結(jié)果可以圖層的形式顯示或者報表、表格形式輸出，為專業(yè)部門或決策部門提供災(zāi)害管理和決策依據(jù)。武漢智博創(chuàng)享已經(jīng)在這方面有不少案例了，可以網(wǎng)上查查看。

RS 和GIS 的區(qū)別。。。 檢測災(zāi)害的是哪個..

GIS通常會和RS結(jié)合來使用。

GIS和RS結(jié)合可以用來進行災(zāi)害監(jiān)測，比如常見的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)、森林防火監(jiān)測系統(tǒng)、地震預警系統(tǒng)。舉例地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，其一般原理是，將RS獲取的衛(wèi)星圖片存入GIS影像庫，并通過GIS系統(tǒng)提供的功能對進行處理、解譯、人工判別、人工智能分析，再對比不同時期（比如半年前）的影像內(nèi)容來判定某一地區(qū)的地質(zhì)表面是否發(fā)生變化、發(fā)生了多大變化，并將其量化到GIS系統(tǒng)，GIS依據(jù)這些數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)的處理模塊來實現(xiàn)某一地區(qū)是否會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測。

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