嶗山地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)構建＊

焦方暉，賈永剛＊＊，王治良，楊忠年，譚長偉

（1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東青島266100；2.青島市國土資源與房屋管理局嶗山國土資源分局，山東青島266061；3.青島市勘察測繪研究院，山東青島266033）

嶗山地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)構建＊

焦方暉1，賈永剛1＊＊，王治良2，楊忠年1，譚長偉3

（1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東青島266100；2.青島市國土資源與房屋管理局嶗山國土資源分局，山東青島266061；3.青島市勘察測繪研究院，山東青島266033）

青島市嶗山區(qū)具有特殊的自然地理和地質環(huán)境條件，在內、外動力地質作用以及人類活動的影響下，引發(fā)了崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質災害。本文在詳細調查區(qū)內地質災害隱患點的基礎上，現(xiàn)場布設以滑坡力、裂縫變形、危巖體位移等自動傳感監(jiān)測裝置，監(jiān)測數(shù)據通過采集發(fā)送裝置無線傳輸?shù)竭h程服務器，在地質災害遠程監(jiān)測預警平臺上分析處理后實時發(fā)布到網絡，若監(jiān)測數(shù)據達到或超出報警值則由平臺對外及時進行預警，構建了1套綜合的嶗山地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)。

地質災害；遠程監(jiān)測；預警；系統(tǒng)

嶗山位于青島東南黃海之濱，經濟發(fā)達，是馳名中外的國家風景名勝區(qū)，由于其特殊的自然地理和地質環(huán)境條件，加上內外動力地質作用以及人類活動的影響，引發(fā)了崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質災害［1］，威脅著當?shù)鼐用窦坝慰偷娜松砗拓敭a安全。近年來，大平嵐的2次崩塌災害以及返嶺前滑坡和河東村泥石流的發(fā)生，都給人民生命財產安全和當?shù)亟洕斐闪藫p失。嶗山國土局、青島地質工程勘察院針對已發(fā)生的災害及隱患展開綜合治理［2－3］，山東省地質環(huán)境監(jiān)測站設計了嶗山區(qū)地質災害治理施工方案［4］。但是，嶗山地質災害的防治工作主要是災后搶險，缺乏對重大災害隱患點的動態(tài)變化的必要監(jiān)控，無法實現(xiàn)防患于未然。

監(jiān)測預警是有效預防災害發(fā)生的重要途徑之一［5］。在早期受技術條件限制，主要是根據人工觀測地表變化特征、地下水以及周圍動植物的異常來推斷確定災害發(fā)生的可能性。隨著科技進步，特別是計算機技術、電子技術在地質及巖土工程中的廣泛應用，既推動了監(jiān)測儀器本身的進步，又使得監(jiān)測內容擴大和預警水平提高，促進了地質災害監(jiān)測預警的實用性和可靠性［6］。相對于人工及常規(guī)儀器監(jiān)測方法存在監(jiān)測不連續(xù)、預警滯后等不足，遠程實時監(jiān)測預警通過網絡實現(xiàn)對地質災害的遠程自動監(jiān)控［7］，及時反映各災害體的實時情況和發(fā)出預警，極大地降低地質災害造成的危害［8－10］?；诖?，本文在現(xiàn)場勘察的基礎上，結合以往的地質調查資料，在現(xiàn)場布置以滑坡力、裂縫變形、危巖體位移為參數(shù)的自動監(jiān)測裝置，同時構建綜合的地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了災害實時監(jiān)測預警及信息網絡發(fā)布，使嶗山地質災害由被動搶險轉為主動預防，將隱患消滅在萌芽狀態(tài)，為當?shù)氐牡刭|災害防治工作提供科學依據。

1 嶗山地質災害發(fā)育特征

在內外動力地質作用及人類活動的共同影響下，嶗山區(qū)旅游沿線地質災害及隱患發(fā)育類型主要分為滑坡、崩塌及泥石流3種類型。據青島市勘察測繪研究院在2009年6月的調查統(tǒng)計［11］，區(qū)內旅游沿線地質災害及隱患點151處，包括滑坡18處，泥石流7處，崩塌126處。其中已發(fā)生災害13處，包括滑坡3處，泥石流2處，崩塌8處。

表1 嶗山區(qū)旅游沿線地質災害類型及分布Table 1 Type and distribution of geological hazards

1.1 滑坡災害發(fā)育特征

嶗山區(qū)旅游沿線滑坡災害及隱患共18處，其中9處為自然形成，9處為人類工程地質活動形成。

在9處自然形成滑坡中，物質組成以山前剝蝕斜坡堆積的坡洪積物為主，巖性為山前組漂石及漂石夾砂礫石、黏性土為主，地形坡度一般大于40（°），滑動面位于基巖強風化帶與中等－微風化帶界面之間，滑坡體周邊存在小型斷裂構造，加劇了基巖的風化、破碎程度，在連續(xù)降雨過程中，滑動帶飽和，摩擦力減小，從而極易形成災害性滑坡。在9處人類工程地質活動形成的滑坡中，有2處為基巖滑坡，分別為石老人滑坡和雨林谷滑坡；有3處為人工回填的路基沉降引起路面開裂，路堤側墻變形較大，從而形成滑坡隱患，如巨峰索道口西蟾蜍南側滑坡；有4處為道路開挖而形成的坡度大于60（°）的臨空面，物質組成為山前坡洪積物，如北九水外六水南側滑坡。

1.2 崩塌災害發(fā)育特征

嶗山區(qū)旅游沿線崩塌災害及隱患共126處，其中自然形成62處，由人工開挖坡角形成64處。

在62處自然形成崩塌中，絕大部分為滑移式崩塌，山坡陡峭、坡度超過30（°）、坡面巨大滾石堆積，底部與山體接觸不牢；部分屬于巖體“X”節(jié)理裂隙發(fā)育，球狀風化強烈，形成球狀、蘑菇狀孤石；少部分屬于傾倒式崩塌，巨大的巖體后緣形成近似直立的張開裂隙，地形陡立，裂隙面傾向與坡面傾向一致，構成危巖體。在人為開挖坡角形成的不穩(wěn)定斜坡上的崩塌中，有11處為坡殘積物，結構松散，巨大礫石占20%～60%，在長期沖刷及浸泡作用下易失穩(wěn)造成崩塌，另外53處均在旅游沿線劈山修路形成的陡立邊坡上，大部分由于節(jié)理切割形成楔形體而產生滑塌，部分為坡頂形成的球狀孤石，少部分為人為施工爆破遺留的分離體。

1.3 泥石流災害發(fā)育特征

嶗山區(qū)旅游沿線泥石流災害及隱患共7處，其中已發(fā)生2處。

在已發(fā)生的2處泥石流中，災害點均處于山前斜坡地帶，存在小型“V”型沖溝，坡面坡殘積物發(fā)育，覆蓋層厚度0.5～2m，植被覆蓋率較低，小塊梯田較多，山坡坡度大于25（°），坡積物結構相對松散，在降雨強度大、坡積物浸潤飽和的條件下，形成坡面型泥石流。沙子口西麥窯村村北泥石流隱患點，因人防洞室開挖，在“V”型溝谷中形成了廢棄碎石堆，在暴雨季節(jié)極易形成棄渣泥石流。在太清宮東側的土峰頂西坡和東北坡形成的4處泥石流中，地貌上為“V”型溝谷，山體坡度約50（°）～60（°），災害主要發(fā)生在山谷出口處的扇地中下部，威脅道路及通訊設施，山谷及兩側均為白堊系萊陽群砂礫巖風化碎屑及崩塌塊石，厚度0.5～1.0m，植被較發(fā)育，屬溝谷型泥石流。

2 嶗山地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

根據嶗山區(qū)旅游沿線地質災害隱患點的類型、規(guī)模及危險性程度的不同，對規(guī)模大、危險性大的地質災害隱患點采用自動監(jiān)測的方式。重點滑坡監(jiān)測方案：安裝滑坡力傳感器進行滑坡力監(jiān)測、安裝裂縫變形傳感器進行變形監(jiān)測，安裝雨量計進行降雨量觀測，另外還要對滑坡點進行定期巡查，隨時調查滑坡體情況、動物或其他異常。重點崩塌監(jiān)測方案：安裝裂縫變形傳感器進行變形監(jiān)測、安裝激光測距儀進行位移監(jiān)測。重點泥石流監(jiān)測方案：安裝雨量計進行降雨量監(jiān)測，另外還要泥石流分布點進行定期巡查，隨時調查堆積物的變化，定期或不定期的進行清除。

參照監(jiān)測方案，進行了嶗山地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)設計。在災害點布設自動傳感監(jiān)測裝置、數(shù)據采集與發(fā)送以及供電裝置，傳感器監(jiān)測到的數(shù)據先由采集裝置采集，再由發(fā)送裝置通過GPRS傳輸?shù)竭h程服務器上，經過監(jiān)測預警平臺分析處理后實時發(fā)布到網絡。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計的總體框架Fig.1 System framework

3 現(xiàn)場自動監(jiān)測裝置布設

3.1 滑坡力自動監(jiān)測

滑坡地質災害發(fā)生之前，邊坡巖土體內應力會連續(xù)發(fā)生變化，當滑動力大于巖土體的抗滑力后，會發(fā)生變形和滑動。滑坡力自動監(jiān)測的工作原理為通過監(jiān)測滑坡發(fā)生前巖土體內部力的連續(xù)變化來判斷滑坡體的安全狀況?；铝鞲衅魇菐в写┬目椎亩噤撓覊毫鞲衅?，直接安裝在監(jiān)控錨索外端部，完成滑動力感應任務。

3.1.1 鉆探取樣及孔內測試 首先在滑坡體上進行鉆探打孔。鉆孔深度為30m，直徑為108mm。成孔后在孔內分別進行波速和高密度電阻率測試：聲波測試數(shù)據顯示，波速值位于1 600～3 200m／s之間，波速值整體上是隨著深度增加呈上升趨勢，結合取得的巖芯，上部地層為強分化到中風化松散巖層，厚度大約有22m，22m以下地層波速值較大，為微風化花崗巖；電阻率測試數(shù)據顯示，電阻率值整體上也是隨深度的增加而上升的，明顯的變化界限也是出現(xiàn)在22m左右。巖芯的現(xiàn)場編錄和孔內測試的結果，為準確判斷滑動面提供參考依據。

3.1.2 安裝錨索及滑坡力傳感器 錨索材料是高強度、低松弛預應力鋼絞線。采用從孔底到孔口返漿式注漿，如圖2（A）。在錨索裝好后，泥漿完全固結并達到要求強度時再進行安裝滑坡力傳感器。安裝時，先將滑坡力傳感器安裝在錨固鋼板上，錨索從滑坡力傳感器中心孔穿過放置平穩(wěn)（見圖2B）?；铝鞲衅靼惭b定位后應及時調零，讀取初值。用張拉機進行預應力張拉，預應力張拉過程由滑坡力傳感器進行監(jiān)控。錨索張拉分預張拉、張拉、超張拉進行，施加好預應力后，記錄滑坡力傳感器測力值并進行鎖定，滑坡力傳感器即安裝完成。為了保護傳感器，在傳感器外側用混凝土進行密封，留有導線出口。將導線用PVC軟管進行保護，挖槽順延邊坡引入數(shù)據采集箱內，再將導線槽用水泥封好。

圖2 （A）錨索安裝；（B）滑坡力傳感器安裝；（C）滑坡力傳感器現(xiàn)場保護Fig.2 （A）Anchor installation；（B）Landslide force sensor installation；（C）Protection of Landslide force sensor on site

圖3 危巖體自動監(jiān)測Fig.3 Unstable rocks automatic monitoring

3.2 危巖體（崩塌）自動監(jiān)測

崩塌活動是在各種動力作用下，巖土體發(fā)生變形崩落的現(xiàn)象。它的形成可分為3個階段：第1階段為不穩(wěn)定因素積累階段；第2階段為重力崩墜階段；第3階段為平衡恢復階段。監(jiān)測重點放在第1階段，此階段巖土體在長期的地質營力作用下，產生節(jié)理、裂隙或斷裂，完整性受到破壞，產生位移，為崩塌活動奠定了基礎。危巖體（崩塌）監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測危巖體的位移變化來分析危巖體的微小形變，判斷危巖體是否移動。在現(xiàn)場將激光傳感器放入保護盒內并固定在電線桿頂部，為了減小激光的損耗，提高測量精度，在被監(jiān)測危巖體上粘貼反光膜，激光探頭朝向反光膜（見圖3）。

3.3 裂縫自動監(jiān)測

裂縫變形測量系統(tǒng)是監(jiān)測坡體開裂縫兩側相對張開、閉合、位錯、下沉運動量及速率變化的直觀可靠的必要手段，裂縫傳感器對坡體進行相對位移監(jiān)測，實際測量精度可達0.01mm。在坡面裂縫的一側將鋼管與法蘭盤焊接，打入地下4m進行固定。儀器房構筑在支撐樁所在位置，采用鐵籠結構，上部白鐵皮封頂，防盜、防雨，采集箱放置在高約20cm的承臺上，防止由雨水形成的徑流損壞采集系統(tǒng)，房頂架設大功率太陽能電池板，為系統(tǒng)運行提供電源（見圖4）。

圖4 裂縫自動監(jiān)測Fig.4 Cracks automatic monitoring

圖5 雨量自動監(jiān)測Fig.5 Rainfall automatic monitoring

3.4 降雨量自動監(jiān)測

降雨是導致地質災害的1個重要誘發(fā)因子。在久雨、暴雨山區(qū)、溝谷兩側及公路兩側山坡發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流的總數(shù)和密度與降雨量大小密切相關。同時地質災害的發(fā)生也與持續(xù)降雨時間密切相關，降雨引起的地質災害一般發(fā)生在降雨中后期或滯后幾天（一般3d內），滯后的時間不超過10d。降雨量自動監(jiān)測通過安裝自動雨量計來完成降雨過程的自動測量及數(shù)據采集。自動雨量計用螺栓將儀器底座固定在混凝土基柱上，承雨口應水平。雨量計導線長度應盡可能短，加套保護管后埋地布設。

3.5 數(shù)據采集發(fā)送及供電

數(shù)據采集裝置包括采集模塊、無線模塊、電源模塊。采集模塊的作用是連接傳感器并采集監(jiān)測數(shù)據；無線模塊是組建局域網，將多個傳感器聯(lián)接到一起，統(tǒng)一發(fā)送；電源模塊由太陽能電池板和蓄電池組成，當光線不能保證太陽能電池板正常工作時，由蓄電池提供電源，并能利用太陽能電池板對蓄電池進行充電。數(shù)據發(fā)送裝置包括無線模塊、GPRS模塊、電源模塊。數(shù)據傳輸采用GPRS無線傳輸接入Internet。將數(shù)據采集與發(fā)送箱通過安裝夾具固定于電線桿上端，同時將數(shù)據發(fā)射天線置于箱子頂部，保證數(shù)據信號暢通。將太陽能電池板固定于夾具內部，然后架設于電線桿頂端，調整電池板的朝向，確保電池板能接受盡可能多的太陽輻射，可以對儀器正常工作所需電源提供有效地保障。

4 監(jiān)測預警信息網絡平臺實現(xiàn)

監(jiān)測數(shù)據在現(xiàn)場采集后，傳輸至監(jiān)測預警信息網絡平臺，平臺建立在遠程服務器上，采用ASP技術進行開發(fā)，通過基礎信息庫、監(jiān)測數(shù)據庫和預警數(shù)據庫提供各類信息瀏覽和查詢，主要功能有：向監(jiān)測現(xiàn)場傳感器發(fā)布數(shù)據采集控制指令并接收監(jiān)測數(shù)據；對監(jiān)測數(shù)據進行相應的轉換計算，并將成果數(shù)據存儲在數(shù)據庫；以Web形式向Internet用戶發(fā)布監(jiān)測數(shù)據、曲線及預警信息。

監(jiān)測數(shù)據發(fā)布是以曲線和數(shù)據表2種形式在網上實時發(fā)布、實時更新。預警信息發(fā)布是將監(jiān)測數(shù)據輸入到預警數(shù)據庫中，經過與預警判據對比分析后再由平臺發(fā)布。通過室內和現(xiàn)場試驗，并對國內地質災害預報預警理論進行分析［13－16］，初步確定出嶗山各類地質災害基于監(jiān)測數(shù)據的預警判據。參照國土資源部關于地質災害預報預警等級標準，嶗山地質災害共劃分為5個等級：一級為災害發(fā)生可能性很?。ú话l(fā)布）；二級為災害發(fā)生可能性較?。ú话l(fā)布）；三級為災害發(fā)生可能性較大（注意級）；四級為災害發(fā)生可能性大（預警級）；五級為災害發(fā)生可能性很大（警報級）。嶗山地質災害等級劃分及預警判據如表2所示：

表2 地質災害監(jiān)測預警等級劃分及預警判據Table 2 Grade partition and warning criterion for monitoring and early warning of geological hazards

圖6 監(jiān)測預警信息網絡平臺Fig.6 Releasing interface on internet about the monitoring and early warning information

最終，從地質災害現(xiàn)場采集的監(jiān)測數(shù)據以及經過分析處理后預警信息都通過平臺對外發(fā)布，實現(xiàn)了地質災害的遠程監(jiān)測預警。地質災害監(jiān)測預警信息網上發(fā)布界面如圖6所示。

5 結語

本文根據嶗山地質災害防治工作的實際需要，通過在災害現(xiàn)場布設自動監(jiān)測裝置，遠程進行實時監(jiān)控，并構建了地質災害遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于監(jiān)測數(shù)據的預報預警。系統(tǒng)自2010年6月開始運行以來，經過了6個月的理論分析與實踐檢驗，能較為及時、準確地反映當前監(jiān)測點的實際情況，提高了相關部門的綜合反應能力，對地質災害防治信息化建設具有示范價值和現(xiàn)實意義。

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Construction of Remote Monitoring and Early Warning System in Laoshan Geological Hazards

JIAO Fang－Hui1，JIA Yong－Gang1，WANG Zhi－Liang2，YANG Zhong－Nian1，TAN Chang－Wei3
（1.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Bureau of Land and Resources of Laoshan District，Qingdao 266061，China；3.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266033，China）

Due to special geographical and geological conditions，Laoshan area suffered the following geological hazards：collapse，landslides，mud－rock flows which were induced by the inner and outer dynamic geological processes，as well as human activities.According to the comprehensive survey and investigation on all kinds of geological hazards in this region，we arrange automatic monitoring device on site included the landslide force，crack deformation and dangerous rock displacement.The data is acquired and transmitted to the remote server so as to be analyzed and published on the website.When the data is up to or over the warning value，the website publishes the early warning in time.At last，the remote monitoring and early warning system are designed and developed.

geological hazards；remote monitoring；early warning；system

X141

A

1672－5174（2012）1－2－049－05

青島市嶗山國土資源局“青島市嶗山區(qū)青山滑坡自動監(jiān)測預警示范”項目資助

2011－01－07；

2011－03－04

焦方暉（1984－），女，碩士生。E－mall：fhwwt＠163.com。

＊＊通訊作者：E－mail：yonggang＠ouc.edu.cn

責任編輯 龐 旻