基于BDS的高邊坡地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)建設研究與應用

　　摘要：針對張河灣蓄能電站區(qū)域出現(xiàn)多處高邊坡、巖質(zhì)危巖體現(xiàn)象，為有效預防地質(zhì)災害的發(fā)生，選取該區(qū)域危害較大的三處邊坡進行研究。通過對災害隱患點現(xiàn)狀與誘因分析，選用高精度北斗接收機對三處邊坡進行表面位移監(jiān)測，并利用拉線式位移計對四處裂縫進行監(jiān)測。基于C++與Java云端，結合VisualStudio2015開發(fā)平臺，建設完成了一套地質(zhì)災害在線監(jiān)測與實時預警系統(tǒng)，可自動、連續(xù)、準確地監(jiān)測張河灣水電站區(qū)及周邊地質(zhì)形變，并對超限值自動預警。實踐表明，該系統(tǒng)可以實時掌握邊坡變化狀態(tài)，有效預防地質(zhì)災害發(fā)生，從而將損失降到最低。

　　本文源自測繪與空間地理信息,2020(10):138-141.《測繪與空間地理信息》(月刊)創(chuàng)刊于1978年，由黑龍江省測繪學會主辦。反映測繪學科及地理空間信息科學前沿理論和技術并指導地理信息工作者從事科研、開發(fā)、生產(chǎn)的技術性、知識性刊物，主要刊載測繪高新技術、地球空間信息和地理信息系統(tǒng)的前沿理論與技術;地理信息系統(tǒng)工程建設的技術總結與經(jīng)驗交流;測繪行業(yè)管理與改革的先進經(jīng)驗;測繪生產(chǎn)技術交流、科研成果推廣及教學經(jīng)驗介紹等;測繪學和地理信息學中的理論探討;國內(nèi)外地理信息學術動態(tài)及測繪科技報道與介紹;測繪科普知識;測繪儀器新發(fā)展等。榮獲連續(xù)多年獲中國測繪協(xié)會期刊獎。

　　自然斜坡或人工邊坡在各種動力因素和環(huán)境條件的影響和作用下，喪失坡體穩(wěn)定性，產(chǎn)生變形破壞，誘發(fā)滑坡災害，這一災害過程是動態(tài)變化發(fā)展的過程[1,2]。監(jiān)視和觀測滑坡在孕育、發(fā)展和災變過程中的各種特征因素和參量，即稱為邊坡動態(tài)監(jiān)測[3]。張河灣電站區(qū)域內(nèi)分布著大大小小的各種巖質(zhì)高陡邊坡，部分邊坡存在體積較大的危巖體，在各種環(huán)境因素作用下，極易發(fā)生崩塌等地質(zhì)災害，災害影響范圍包含了辦公場所及交通道路，威脅了礦區(qū)居民生命財產(chǎn)的安全及其生產(chǎn)活動[4]。因此，開展邊坡安全監(jiān)測、分析判斷邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)、降低邊坡工程安全風險，是指導邊坡工程建設和保障蓄能電站運營安全的重要保障。

　　目前，對這些災害體采用的是人工測量的方法進行監(jiān)測，此種方法不僅不能準確地分析邊坡的形變情況，而且人工方式有滯后性，不能在災害發(fā)生前及時預警[5]。為了實現(xiàn)對電站庫區(qū)周圍危巖體形變的連續(xù)性自動化監(jiān)測，基于BDS建立一套技術成熟有效的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過軟件對監(jiān)測站數(shù)據(jù)進行解算處理并配套實時預警系統(tǒng)，可以提高災害監(jiān)測的有效性和準確性，能大大降低災害發(fā)生時造成的損失[10,11]。

　　1、高邊坡外業(yè)監(jiān)測內(nèi)容

　　1.1表面位移監(jiān)測

　　表面位移是反映監(jiān)測對象穩(wěn)定與否的重要內(nèi)容，也是變形監(jiān)測系統(tǒng)中不可缺少的監(jiān)測內(nèi)容。北斗位移監(jiān)測是目前應用最廣的表面位移監(jiān)測技術，其采用的是靜態(tài)相對定位的測量方式[12]。通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)安裝監(jiān)測站，變形區(qū)域外的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)安裝基準站，數(shù)據(jù)實時回傳解算軟件，靜態(tài)解算后得到監(jiān)測點的位移變化值，從而達到測量監(jiān)測站位移量的目的。靜態(tài)相對定位監(jiān)測原理如圖1所示。

　　圖1靜態(tài)相對定位監(jiān)測原理

　　圖中A、B指兩臺GNSS接收機，其中一臺安置在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，另一臺安置在變形區(qū)域內(nèi);AB連線為兩測站基線向量。S1～S4指向兩接收機發(fā)射信號的4顆衛(wèi)星(可接收信號的衛(wèi)星數(shù)量不少于4顆)。

　　1.2裂縫監(jiān)測

　　裂縫監(jiān)測的目的是測量與評估監(jiān)測區(qū)域內(nèi)裂縫的延伸情況。通過監(jiān)測危巖體中裂縫兩側相對張開、閉合變化，了解危巖體的動態(tài)變化和發(fā)展趨勢。將拉繩式位移計的兩端固定在裂縫的兩側，位移計的鋼絲繩隨之拉長，引起振弦頻率的變化，通過將頻率差值濾波、調(diào)零與放大，輸出與一個與鐵芯移動量相對應的信號，從而得到裂縫的張合變化量。裂縫傳感器工作原理如圖2所示。

　　圖2裂縫傳感器工作原理

　　2、監(jiān)測平臺建設

　　2.1系統(tǒng)建設思路

　　整個系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星定位技術，采用高精度北斗定位接收機進行實時坐標數(shù)據(jù)采集解算，并結合裂縫計，通過先進成熟的信號采集、控制網(wǎng)絡通信技術、太陽能新能源技術、智能數(shù)據(jù)分析技術，對高邊坡變形信息，即表面位移、裂縫的張合情況進行實時監(jiān)測并及時預警[13,14,15]。系統(tǒng)架構如圖3所示。

　　圖3系統(tǒng)框架圖

　　2.2系統(tǒng)功能設計

　　該系統(tǒng)用于高邊坡變形監(jiān)測，通過網(wǎng)絡通信技術將將外業(yè)采集數(shù)據(jù)終端與控制終端相連，結合數(shù)據(jù)處理軟件，為用戶提供實時、全天候、準確的現(xiàn)場變形情況，并對超限情況進行預警。為確保項目信息的完整性以及數(shù)據(jù)結果的可視化，系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲與查詢、項目詳情、預警與設備與人員管理等功能，并可對數(shù)據(jù)處理結果分析成圖，為用戶掌握監(jiān)測現(xiàn)場安全情況提供保障。本系統(tǒng)主要功能模塊見表1。

　　表1系統(tǒng)功能設計

　　3、現(xiàn)場應用

　　3.1張河灣蓄能電站邊坡監(jiān)測

　　高邊坡地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)在河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司某抽水蓄能電站周圍的高邊坡上進行了現(xiàn)場安裝應用。首先根據(jù)現(xiàn)場勘查和可行性論證完成了監(jiān)測危巖體選定工作，本次共在老辦公區(qū)上側崩落體、電纜橋東側崩落體以及交通巷道上側崩落體上3處安置GNSS表面位移監(jiān)測站，監(jiān)測站位于監(jiān)測的危巖體上，離邊坡外緣3—5m，依次為監(jiān)測站#1、監(jiān)測站#2與監(jiān)測站#3。監(jiān)測站安裝流程如下:

　　1)在觀測桿頂端安裝GNSS天線與調(diào)平法蘭底座，天線線纜延法蘭中心和觀測柱穿至設備機柜;GNSS天線需進行水平調(diào)節(jié)，由調(diào)平法蘭調(diào)節(jié)螺柱進行控制。

　　2)在觀測柱頂端GNSS天線平面以下安裝太陽能電池板，電池板電源輸出線纜延至設備機柜;注意太陽能電池板的安裝角度，保證其接受到的平均光照最大。

　　3)在設備機柜內(nèi)進行接收機、供電控制器、防雷器的安裝固定，安裝SIM卡，柜內(nèi)設備固定后將機柜安裝至觀測柱上，并與觀測柱進行固定。

　　4)安裝放置地埋電池箱，并將電池箱電源線延至設備機柜，做好各外部線纜接頭的防水處理。

　　以交通巷道處監(jiān)測站布設情況為例，監(jiān)測點位置及設備安裝現(xiàn)場圖如圖4所示。

　　圖4監(jiān)測點位置及設備安裝

　　3.2邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

　　在數(shù)據(jù)采集端完成后，通過網(wǎng)絡通信技術將現(xiàn)場3個表面位移監(jiān)測站接入軟件進行數(shù)據(jù)解算。由上文可知，各GNSS監(jiān)測站均安裝在危巖體上，以穩(wěn)定區(qū)域上建設的基站為參考，基于相對定位技術進行靜態(tài)解算，以監(jiān)測站的移動情況作為危巖體的變形情況。分別對3處監(jiān)測點2019年2月到6月采集到的數(shù)據(jù)進行詳細分析。

　　監(jiān)測站#1位于張河灣蓄能電站的北東角，下部是電站的老辦公樓、員工宿舍以及食堂，危害性大，監(jiān)測點位發(fā)育有兩條裂縫，其中，西側裂縫長約30m，南端寬約2m，北端閉合，裂縫面近直立，深大于10m;東側裂縫長約5m，寬約0.5m，裂縫面近直立，深大于3m。分析得:Y軸方向的變形速率較大，變形速率為3.2289mm/月，X軸方向為1.0198mm/月，Z軸方向變形較慢，變形0.9333mm/月。變化曲線如圖5所示。

　　圖5監(jiān)測站#1形變時序曲線

　　監(jiān)測站#2位于張河灣蓄能電站的中間位置，點位現(xiàn)場無明顯裂縫發(fā)育。分析得:Y軸方向的變形速率較大，變形速率為1.554mm/月，X軸方向為0.6034mm/月，Z軸方向變形0.9685mm/月。變化曲線如圖6所示。

　　圖6監(jiān)測站#2形變時序曲線

　　監(jiān)測站#3位于張河灣蓄能電站的北西角，點位現(xiàn)場有裂縫發(fā)育，裂縫長度約3m，深度大于5m。分析得:X軸方向的變形速率較大，變形速率為0.7192mm/月，Y軸方向為0.4114mm/月，Z軸方向變形0.1943mm/月。變化曲線圖如圖7所示。

　　圖7監(jiān)測站#3形變時序曲線

　　經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)計分析，可以得到監(jiān)測站在一段時間的變化速率曲線、加速度曲線、最大值曲線與最小值曲線，以邊坡監(jiān)測站#1在一周內(nèi)的變化結果為例，如圖8所示。

　　3.3裂縫監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

　　選取了老辦公區(qū)后側山體的2條裂縫，其中西側裂縫長約30m，南端寬約2m，北端閉合，深大于10m，設計布置3個裂縫監(jiān)測站;東側裂縫長約5m，寬約0.5m，深大于3m，設計布置1個裂縫監(jiān)測站。

　　圖8變化曲線

　　本次監(jiān)測共布設4個裂縫監(jiān)測站，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

　　圖9裂縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)

　　由圖9可知，在此段時間內(nèi)，各個裂縫變形量較小，基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)觸發(fā)預警的情況。通過系統(tǒng)查詢功能，可查詢不同監(jiān)測時段的預警信息，若沒有出現(xiàn)預警情況，則界面顯示當前暫無預警數(shù)據(jù)。為驗證該系統(tǒng)預警功能的可行性，在預警模塊內(nèi)將平面位移閾值設置為10mm，選取3個測站進行測試，以2018年6—11月時間段某一GNSS設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，處理后的預警信息可生成相應的預警簡報，并以文本的形式導出，便于查看。

　　4、結束語

　　本文設計了以BDS為基礎的高邊坡地質(zhì)災害在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過在監(jiān)測點上安裝監(jiān)測站，變形區(qū)域外的穩(wěn)定區(qū)域安裝基準站，數(shù)據(jù)實時回傳到解算軟件，經(jīng)靜態(tài)解算得到監(jiān)測站的位移變化值。當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到設定的閥值后系統(tǒng)會自動發(fā)出預警，并能以短信、電話形式通知到相關責任人，從而實現(xiàn)對高邊坡地質(zhì)災害的有效監(jiān)測。張河灣水電站高邊坡現(xiàn)場應用，證明了該系統(tǒng)的有效性，且系統(tǒng)對于地質(zhì)災害監(jiān)測具有普遍適用性，可大力推廣應用，對提升高邊坡地質(zhì)災害監(jiān)測的實時性與準確性具有重要意義。

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