黃土坡滑坡GNSS自動化位移監(jiān)測解決方案

黃土坡滑坡東距巴東老城區(qū)2km，行政區(qū)劃隸屬巴東縣信陵鎮(zhèn)。黃土坡滑坡發(fā)育于三疊系中統(tǒng)巴東組第二段、第三段以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r為主的易滑地層中，是一個多期次形成、結構復雜、由古滑坡體和崩滑堆積體組成的復合巖土混合型地質(zhì)災害體。以三道溝為界，西、東前緣分別為Ⅰ號、Ⅱ號兩個臨江崩滑堆積體，分布高程在250～260m以下；其上由園藝場滑坡和變電站滑坡組成，分布高程在180～600m。黃土坡滑坡區(qū)總面積1.358km2，體積6934.1×104m3（圖1-1）?；聟^(qū)建筑面積30.66×104m2，人口1.8萬人。

滑坡在水庫蓄水后，水下坡體可能沿崩滑堆積體與基巖接觸面產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，直接危及巴東縣城1.8萬人的生命財產(chǎn)安全，預計可能造成的直接經(jīng)濟損失為11.2億元。

黃土坡滑坡概況

2003年以前，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院三峽地質(zhì)災害監(jiān)測中心委托中國地質(zhì)調(diào)查局保定水文方法研究所對該滑坡進行監(jiān)測。受湖北省地質(zhì)災害防治中心委托，2003年3月～2005年9月，湖北省地質(zhì)災害防治工程勘查設計院承擔了黃土坡滑坡監(jiān)測工作。2005年9月，黃土坡滑坡臨江崩滑堆積體塌岸防護及地表排水工程通過了國家級驗收，監(jiān)測工作進入了第三階段（動態(tài)長期監(jiān)測）。湖北省地質(zhì)環(huán)境總站于2005年10月開始承擔黃土坡滑坡治理工程第三階段的監(jiān)測工作。

黃土坡滑坡變形監(jiān)測的目的是：通過對滑坡、塌岸變形、防治工程及環(huán)境條件全方位、多手段的系統(tǒng)監(jiān)測，隨時掌握其變形動態(tài)和變形原因，為塌岸、滑坡變形的預測與防治提供可靠的地質(zhì)依據(jù)，并檢驗治理效果。

目前，主要監(jiān)測任務是：組織實施對黃土坡滑坡防治工程的治理效果監(jiān)測，按月匯總和分析監(jiān)測資料，按時提交監(jiān)測成果（監(jiān)測月報、年報、專報等），及時預警，預防地質(zhì)災害對人民生命財產(chǎn)造成的危害。

黃土坡滑坡GNSS監(jiān)測的總體設計

一，系統(tǒng)設計依據(jù)

七星耀華GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程。本監(jiān)測系統(tǒng)的作用是成為一個功能強大并能真正長期用于結構損傷和狀態(tài)評估，滿足固體建筑物管理和運營的需要，同時又具經(jīng)濟效益的結構健康安全監(jiān)控系統(tǒng)，遵循如下設計原則：

1，遵循簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟合理的指導思想；

2，系統(tǒng)設置立足實用性原則第一，兼顧考慮科學試驗和設計驗證等方面因素；

3，各傳感器的布置、安裝要合理，力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量完成工作；

4，系統(tǒng)應具有可擴展性。

GNSS & CD Monitor監(jiān)測系統(tǒng)的技術設計及工程建造依據(jù)相關的國家標準和相關行業(yè)標準進行，本設計書中所引用的部分技術規(guī)范參見表1。

二，系統(tǒng)硬件總體設計

系統(tǒng)硬件由四大部分組成：

1，傳感器子系統(tǒng)：由布置監(jiān)測點上的各類GNSS組成，主要傳感器采用后安裝方式；

2，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：GNSS天線到GNSS主機由同軸電纜通訊；GNSS主機及其它傳感器與控制中心通訊采用有線或無線的通訊方式；

3，數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：由布置在監(jiān)控中心的小型機系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實時自動處理與Web發(fā)布；

4，輔助支持系統(tǒng)：包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源監(jiān)控等。

三，系統(tǒng)軟件組成

由CD Monitor為核心構成的變形監(jiān)測網(wǎng)絡中的每個GNSS接收機只需要輸出GNSS的原始數(shù)據(jù)和星歷，原始數(shù)據(jù)包含了GNSS解算所有必要的偽距和載波相位數(shù)據(jù)等，星歷指GNSS衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷。數(shù)據(jù)通過廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)絡、串口、無線設備等傳到控制中心，控制中心的CD Monitor軟件根據(jù)每臺GNSS接收機對應的IP地址和端口號，獲得每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)流，CD Monitor軟件對這些原始數(shù)據(jù)進行實時差分解算，得到各個監(jiān)測站的坐標，并存入數(shù)據(jù)庫或發(fā)送給客戶端。

利用CD Monitor軟件能進行7×24小時不間斷觀測。而且，與傳統(tǒng)的RTK方式相比，CD Monitor具有精度更高，實時性更強的特點。CD Monitor支持各種主流品牌的單多頻GNSS接收機混合監(jiān)控。CD Monitor采用了C/S架構，用戶可以進行遠程監(jiān)控。

具體的CD Monitor實時差分變形監(jiān)測軟件的工作流程可用下圖表示：

如圖所示，CD Monitor變形監(jiān)控軟件實現(xiàn)了各個監(jiān)控站的實時差分定位，并具有圖形顯示、接收機設置、監(jiān)控站參數(shù)設置、觀測數(shù)據(jù)記錄、報警等功能。

采用C/S架構的CD Monitor軟件方便用戶在辦公室、監(jiān)控中心、家中監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況。CD Monitor實時差分變形監(jiān)控軟件支持英文和中文。CD Monitor的開發(fā)工具為VC++ 6.0。

四，黃土坡滑坡GNSS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)處理中心建設在大壩控制中心，辦公室有總控計算機、數(shù)據(jù)處理工作站、打印機等硬件設備，而在總控計算機上安裝司南CD Monitor軟件［ CD Monitor軟件由數(shù)據(jù)管理模塊、原始數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫信息管理四個模塊組成。］。

本監(jiān)測區(qū)在監(jiān)測區(qū)附件周邊地質(zhì)條件好處建立1個基準點，在滑坡區(qū)建立9個GNSS監(jiān)測點，在每個監(jiān)測點（包括參考站）設置結構牢固的觀測墩，觀測墩上有強制對中器，固定安裝GNSS接收機，將接收機天線用強制對中基座對中固定安裝在觀測墩上。

控制中心配備一臺高性能服務器，用于數(shù)據(jù)分析和圖形處理，以及終端服務。結合CD Monitor軟件和其他專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，實時對數(shù)據(jù)分析和圖形處理。如下圖，為系統(tǒng)結構拓撲圖。

GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)實施主要包括以下幾個方面：

參考站及監(jiān)測站選址、參考站及監(jiān)測站觀測墩的建設、通訊電纜的鋪設、設備的供電、設備避雷、數(shù)據(jù)通訊、控制中心的建設；

五，黃土坡滑坡GNSS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)技術的先進性

1，采用我國多系統(tǒng)多頻點進行定位，進一步保障和提高了整個系統(tǒng)監(jiān)測的安全性和穩(wěn)定性，而且更適合山谷中的滑坡監(jiān)測。

1）可認為選擇接收機所跟蹤的同步衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，從而降低了軟件解算時更換參考衛(wèi)星帶來的誤差；

2）增多了可跟蹤衛(wèi)星數(shù)，彌補了高軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)少的問題，增加多余觀測，從而較大程度的提高監(jiān)測解算精度；

3）增多了可跟蹤衛(wèi)星數(shù)，使衛(wèi)星分布更合理，降低了DOP值，提高了監(jiān)測解算精度，特別是所能跟蹤衛(wèi)星少時顯得更為重要。

4）增多了可跟蹤衛(wèi)星數(shù)，使得在山區(qū)、大橋等高遮擋區(qū)域長時間、穩(wěn)定、可靠的采用GNSS監(jiān)測成為可能。

2，GNSS接收機及其配套設備，要求包括從數(shù)據(jù)采集、集中傳輸、解算處理、顯示和記錄及避雷和防盜等安全保護設施的全部設備，實現(xiàn)將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心并顯示；

3，監(jiān)測系統(tǒng)無人值守，有人照看、自動運行，年運行可靠率99%以上，系統(tǒng)可滿足7×24小時長時間可靠運行，連續(xù)無故障運行時間超過10萬小時。在沒有太陽的情況下，監(jiān)測系統(tǒng)設備可依靠備用電源連續(xù)工作7天以上；

4，GNSS硬件具有良好的物理性能和工作性能，適合長時間連續(xù)工作，GNSS接收機天線為大地測量型天線；

5，本系統(tǒng)可采用無線網(wǎng)橋通訊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行臏蕦崟r處理；

6，準實時顯示和分析形變量，可間斷性評估滑坡體的健康狀況；

7，數(shù)據(jù)實時輸出；

8，控制中心軟件自動解算，最短反應時間可為幾分鐘到幾小時，并實時進行網(wǎng)平差，自動評估監(jiān)測結果，而且各參數(shù)完全由用戶根據(jù)不同監(jiān)測需求自行設置。

9，設定日常信道報警系統(tǒng)，Web發(fā)布以及可通過短消息或E-MAIL方式報警，無論您在何時何地都可以掌握滑坡體的動態(tài)；

10，通過實時監(jiān)測滑坡點的空間位移，確定滑坡區(qū)的變形狀況、幾何線形等；

11，提供高質(zhì)量的雙星四頻GNSS測量數(shù)據(jù)，實時獲得毫米級精度的位置數(shù)據(jù)，精度為水平：小于±2.5mm+1ppm ，垂直：小于±5mm+1ppm；自動生成報表，形成報表的周期用戶可自行設計，比如一周、一天等，一些必要的輸出信息用戶也可以自動添加或刪除，同時根據(jù)需要可自動生成各點的周變化曲線、月變化曲線等。

六，黃土坡滑坡GNSS監(jiān)測點的布置

黃土坡滑坡GNSS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測單元包括參考站和監(jiān)測站，各站點的具體布置方式根據(jù)以下要求：

1，GNSS參考站

1）GNSS參考站選址

GNSS參考站選址要求應滿足以下要求：

覆蓋并均勻分布整個監(jiān)測區(qū)域，并兼顧參考點距離監(jiān)測點最近的原則；場地穩(wěn)固，年平均下沉和位移小于2mm；視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度不宜超過15°；遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺，電臺，微波站等），其距離不小于200m，遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50m；盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡；觀測墩的高度不低于2米；觀測標志應遠離震動源。

針對黃土坡滑坡項目，考慮到項目部距離監(jiān)測區(qū)距離比較近，同時為了控制中心便于管理和維護，我們將GNSS參考站和控制中心建設在項目部的固定基巖上。

2）儀器設備的選擇

根據(jù)本項目的實際情況并參照《全球定位導航系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設規(guī)范》，本GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)選用七星耀華M900多系統(tǒng)多頻點接收機，與AT360全系統(tǒng)全頻點天線，它是分體式設計。

2，GNSS監(jiān)測站

針對黃土坡滑坡滑坡體的具體情況，在邊坡存在安全隱患的幾個方位分別布置幾條監(jiān)測斷面，然后各條斷面上根據(jù)實際情況設置監(jiān)測點。在各監(jiān)測點上安置接收機，各接收機觀測的數(shù)據(jù)無線的方式實時傳輸?shù)娇刂浦行?，控制中心軟件準實時解算出各監(jiān)測點的三維坐標并保存到數(shù)據(jù)庫，最終通過數(shù)據(jù)分析軟件自動分析各監(jiān)測點的變化量、變化趨勢，并結合其它監(jiān)測設備對排土場整體的穩(wěn)定性進行分析。

黃土坡滑坡滑坡體GNSS監(jiān)測站和參考站一樣，也包括監(jiān)測站選址、監(jiān)測站基建、儀器設備的選擇及設備安裝四個部分：

1）監(jiān)測站站址選擇

根據(jù)各滑坡體監(jiān)測區(qū)域的實際情況，如地質(zhì)條件等及參照《GNSS測量規(guī)范》，具體布置如上圖。

2）監(jiān)測站觀測墩基建

根據(jù)黃土坡滑坡滑坡體監(jiān)測區(qū)域的實際情況及監(jiān)測點所監(jiān)測的內(nèi)容，本GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測站多為普通土層觀測墩或者基巖觀測墩，為了安全期間，各觀測墩建設為1.8米以上為宜。

3）儀器設備的選擇

根據(jù)本項目的實際情況及所要達到的技術指標，并參照《全球定位導航系統(tǒng)測量規(guī)范》，本GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)選用A300多系統(tǒng)多頻點GNSS監(jiān)測專用接收機。

七，邊坡自動化監(jiān)測的優(yōu)點

自動化監(jiān)測系統(tǒng)允許以任意間隔采樣-----典型間隔可以是按分鐘、小時或者按天。測試精度得以提高，數(shù)據(jù)可以遠程處理，從而向項目組提供有用信息。當然，還有其它益處包括：

1）避免人工讀數(shù)和記錄引起的人為誤差。

2）可以實現(xiàn)遠程以及惡劣天氣條件下采集數(shù)據(jù)。

3）每天可進行24小時連續(xù)監(jiān)測。

4）連續(xù)監(jiān)測能快速檢測到臨界變化，能在事態(tài)惡化之前采取處理措施。

5）自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以按程序步驟監(jiān)測限定閥值、變化速率，從而能在超出預定極限值時自動報警。

很多工程師認為自動化監(jiān)測是“黑箱”，可見的查驗以及寶貴的經(jīng)驗都被冷冰冰的電路板和繼電器將所存在的問題通過警報而取代了。事實上，自動化連續(xù)監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)能向工程師提供被監(jiān)測結構很多肉眼不易察覺的新的特征信息。它們拓展了工程師的視野，對結構響應有深入的理解。不僅如此，應用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，結合先進分析工具，工程師能享受到這些廉價的新技術優(yōu)勢，而不用犧牲滑坡區(qū)的安全。

責任編輯：tzh