长江大学学报(自然科学版) 2010年9月第7卷第3期:理工
JournalofYangtzeUniversity(NatSciEdit) Sep.2010,Vol.7No.3:Sci&Eng·345·
滑坡地质灾害监测方法概述
油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学), 蒋兴超 (湖北荆州434023)
[摘要]通过对近年来滑坡地质灾害的分析揭示滑坡地质灾害监测的重要性,阐述了滑坡地质灾害的监测
内容,重点介绍了GPS监测法、遥感检测法、TDR监测法、INSAR监测法、分布式光纤传感技术监测
法、测量机器人监测法等滑坡地质灾害监测方法。
[关键词]滑坡;地质灾害;监测方法
[中图分类号]P642.22;TU459
[文献标识码]A [文章编号]1673-1409(2010)03-N345-03
地质灾害种类繁多,按不同的划分原则,有多种分类方案。肖和平等[1]认为我国地质灾害可以分为10大类38种,其中发生频率较高且社会危害性较大的是崩滑流灾害(崩塌、滑坡、泥石流)和地面变形灾害(地面塌陷、地面沉降、地裂缝)。据中国地质环境信息网公布的统计数据显示,我国2005～2009年上半年崩滑流灾害比地面变形灾害发生的频率高许多,其中滑坡和崩塌的发生几率居于前2位,特别是滑坡地质灾害,就2005～2009年上半年的数据分析表明,每年滑坡的数量所占比重分别为52.7%、86.1%、61.0%、53.0%和55.5%[1]。因此,滑坡地质灾害在所有地质灾害中所占比重都在50%以上,其中2006年滑坡地质灾害尤为严重,达到86%。这些地质灾害造成每年数十亿人民币的损失。由此可见,滑坡地质灾害对人民生命财产的危害性非常巨大,对滑坡地质灾害进行深入的研究是一项非常有必要而且具有重大社会价值的工作。滑坡地质灾害的研究除了对于其形成机理的研究之外,寻找高效、可行的预测技术显得尤为重要。为此,笔者对滑坡地质灾害监测方法进行阐述。
1 滑坡地质灾害监测的意义
地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和植被等因素可以引起改变斜坡外形和使岩土性质恶化,这些都是影响滑坡形成的因素[2]。因此,开展对上述因素的有效监测,并综合运用各种参数,采用合适的预测模型对滑坡进行有效预测。通过滑坡监测,可以了解和掌握滑坡体的演变过程,及时捕捉崩滑灾害的特征信息,为正确分析、评价滑坡以及滑坡预测、预报等提供可靠资料和科学依据。滑坡地质灾害预测在工农业生产中具有重大意义,体现在滑坡地质灾害预测可以为重大国民经济建设的规划提供宏观灾害的预防、减灾与避灾的科学依据,为具体建筑物和建设场地选择不易形成滑坡的安全地带,可以及时预报滑坡所可能产生的灾害性运动以及工程或建筑物所不允许的危险位移量;当滑坡要产生不可避免的大位移时,预告灾害事故的可靠时间,防止或减少人员伤亡及经济损失,可以为国家或地方政府决策部门制定滑坡高灾害区的土地使用法规和防治规则提供科学依据。
2 滑坡地质灾害监测的内容
滑坡地质灾害监测内容随着滑坡监测技术的改进、方法的完善、理论的创新不断发展和丰富,其包括滑坡形变监测、滑坡变形破坏的相关因素监测及滑坡诱发因素监测3方面的内容。同时,对不同地质条件、不同成因的滑坡,在监测中所采用的监测内容也不尽相同。具体内容如表1所示[3]。
3 滑坡地质灾害监测的方法
滑坡的监测方法多种多样,有的基于人为观察,有的基于现代高科技手段,前者比较便利,是一种 [收稿日期]2010-06-23
[作者简介]蒋兴超(1980-),男,2005年大学毕业,硕士,讲师,现主要从事油气地球化学方面的教学与研究工作。
·346· 长江大学学报(自然科学版)
表1 滑坡地质灾害监测内容2010年9月
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9 项 目地质宏观形迹地表变形深部位移地下水地声地应力地表水气象人类活动 具体内容滑坡裂隙、建筑物裂缝、地表隆起、位移、地面沉降、塌陷、地裂缝、房屋树木的倾斜、泉水动态等滑体的三维位移量、位移方向、位移速率等绝对位移量;滑体重点变形部位、裂缝、滑带等点与点之间的相对位移量深部裂缝、滑带等点与点之间的绝对位移量和相对位移量钻孔、井水水位、孔隙水压、水量、水温、水质、土体的含水量、裂缝的充水量和充水程度、泉水的动态变化危岩体变形破坏时所释放应力波的强度和信号特征监测滑体内不同部位的应力变化和地表应力变化情况与滑体有关的河、沟、渠的水位、水量、含砂量等动态变化及农田灌溉用水的水量和时间降雨量、降雪量、融雪量、气温、蒸发量等人类工程活动、人类生产活动、人类生活活动
定性监测;后者是随着科技的进步,将各种手段、仪器应用到地质灾害监测中,因而是一种定量监测,其中包括GPS监测法以及TDR、INSAR等监测方法。在进行滑坡地质灾害监测时,无论采用哪种监测方法,若单独使用都有其一定的局限性,因而需要结合监测的内容,根据实际情况综合运用各种方法,这样才能对滑坡地质灾害进行有效监测。笔者将几种重要的定量监测方法加以介绍。
3.1 GPS监测法
GPS监测法是目前应用较多的监测方法。该方法不受气候条件的限制,可以进行全天候全时段的监测,而且其定位精度高、操作简单。值得注意的是,如果确定的监测精度过高,会造成人力和物力的浪费。因此,有必要研究滑坡监测精度、复测周期及位移速度之间的相互关系,在此基础上,结合监测的具体对象确定滑坡监测精度及复测周期的合理方法。如严忠权等[4]在对重庆万州区傅家岩滑坡的监测中,根据GPS法,得到监测点位移量,计算出位移速度,然后根据位移速度,比较了该滑坡不同阶段的特征性,得到滑坡体现今所处位置,为滑坡预报提供了依据。
3.2 遥感监测法
滑坡卫星遥感解译技术已成为快捷的泥石流、滑坡遥感调查方法。国外通常采用航空摄影与彩色红外摄影及热红外扫描来调查滑坡,利用不同时相的航空遥感图像监测其动态变化。但是,在利用遥感监测法时需要根据任务要求,合理选择遥感资料和工作方法,这是实现调查目标的重要环节。利用遥感技术可以不直接接触有关目标物来收集信息并对其进行识别分类、判读和分析。2003年7月13日,三峡库区湖北省秭归县沙溪镇千将坪村发生特大型滑坡灾害后,研究人员利用先进的数字遥感技术,结合滑坡前后的高分辨率遥感数据、地形图资料和野外所测的GPS控制点,制作出研究区滑坡前后的数字高程模型,同时采用合理的图像处理技术,获得了滑坡前后正射影像图。利用三维可视化技术,采用人机交互解译滑坡,分别对滑体的滑动方向、距离和堆积体面积进行了定量计算。通过综合分析,认为千将坪“7.13”滑坡是古滑坡的大规模复活,三峡库区蓄水和降雨综合作用是促使滑坡复活的主要诱发因素[6]。
3.3 TDR监测法
TDR即时间域反射测试技术(TimeDomainReflectometry,TDR)是一种电子测量技术,多年来一直用于各种物体形态特征的检测和空间定位[7][5]。TDR监测法用于滑坡监测时,向埋入监测孔内的电
[8]缆发射脉冲信号,当遇到电缆在孔中产生变形时,就会产生反射波信号。经过对反射信号的分析,就能确定电缆发生形变的程度和位置。这种方法具有成本低、节省监测时间的特点。史彦新等在对四川省
雅安市陇西河左岸的滑坡进行监测时使用了TDR监测系统。研究发现,该系统可以监测滑坡变形,且监测的变形位置与钻探揭示的滑带位置以及钻孔倾斜仪的监测结果相吻合。
3.4 INSAR监测法
合成孔径雷达干涉(INSAR)测量是一项新的空间测量技术,其使用卫星或飞机搭载的合成孔径雷达系统获取高分辨率地面反射复数影像,每一分辨元的影像信息中不仅含有灰度信息,而且还包含干涉所需的相位信号。INSAR技术通过2次或多次平行观测或2幅天线同时观测,获取地面同一地物的复图像对[2],并得到该地区的SAR影像干涉相位,进而获得其三维信息。利用一些特殊的数据处理方
第7卷第3期:理工蒋兴超:滑坡地质灾害监测方法概述 ·347·法(如:干涉配准、噪声去除等)和几何转化来获取数字高程模型或探测地表形变[2]。王涛等[9]在对天津蓟县的五名山滑坡监测中运用了该方法,收到了很好的效果。
3.5 分布式光纤传感技术监测法
光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些参数(如强度、相位、频率、偏振态等)变化的测量,实现对环境参数的测量。分布式光纤传感技术以其可复用、分布式、长距离传输的优势成为光纤传感技术中最具前途的技术之一,是光纤传感监测技术的发展趋势,其包括光纤布拉格光栅传感技术(FBG)与布里渊光时域反射传感技术(BOTDR)。在位于重庆市巫山县新县城中心地带的残联滑坡的监测中,研究人员应用了该技术,从2006年10月始至2007年8月,FBG监测点的应变已从37.65με变化到51.57με。在获得滑坡体沿剖面方向的应变分布情况后,对变形关键部位加强了监测
3.6 测量机器人监测法[10]。
测量机器人是在全站仪基础上集成步进马达和CCD影像传感器构成的视频成像系统,是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。在滑坡及水工建筑物变形自动化监测中,测量机器人正逐渐成为首选的自动化测量技术设备。近年来,研究人员在对金坪子滑坡等滑坡监测中成功运用了该方法,实现了快速和高精度监测[11]。4 结 语
滑坡是一个广泛发育的地质灾害,给国家和人民生命财产造成巨大损失。在进行滑坡地质灾害研究时,应基于不同情况下滑坡发育的不同机理来选择合适的滑坡预测方法。同时,预测滑坡不能仅局限于某一种方法,而应运用各种方法,取长补短,对滑坡的孕育过程进行综合预测和评价,为滑坡的治理作出合理的预判,最大程度地避免滑坡地质灾害的产生。
[参考文献]
[1]肖和平,潘芳喜.地质灾害与防御[M].北京:地震出版社,2000.
[2]张书余.地质灾害气象预报基础[M].北京:气象出版社,2005.
[3]白成亮,郑治.我国滑坡灾害监测预报研究现状[J],黑龙江交通科技,2006,153(11):36～38.
[4]严忠权,王兰中.GPS技术在傅家岩滑坡滑坡监测预报中的应用[J].人民长江,2008,39(16):29～30.
[5]MantovaniF,SoetersR,VanwestenCJ.RemoteSensingteehniquesforlandslidestudiesandazardzonationinEurope[J].Geomor-
Phology,1996,(15):213～225.
[6]杨金中,杨日红.遥感技术在三峡库区千将坪滑坡研究中的应用[J].国土资源遥感,2007,74(4):85～89.
[7]Topp,GC,YanukaM,ZebchukWD.DeterminationofElectricalConductivityUsingTimeDomainReflectometry:SoilandWater
ExperimentsinCoaxialLines[J].WaterResourcesResearch,1988,24(7):945～952.
[8]史彦新,张青.TDR技术在雅安峡口滑坡监测中的应用[J].勘察科学技术,2005,(1):55～57.
[9]王涛,詹华明.PSInSAR技术监测天津蓟县滑坡预研究[J].遥感应用,2008,(3):81～86.
[10]史彦新,张青,孟宪玮.分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2008,38(5):820～824.
[11]赖金富,李向新,王正祥.测量机器人在金坪子滑坡变形监测中的应用[J].测绘信息与工程,2008,33(2):22～23.
[编辑] 李启栋
长江大学学报(自然科学版) 2010年9月第7卷第3期:理工
JournalofYangtzeUniversity(NatSciEdit) Sep.2010,Vol.7No.3:Sci&Eng·345·
滑坡地质灾害监测方法概述
油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学), 蒋兴超 (湖北荆州434023)
[摘要]通过对近年来滑坡地质灾害的分析揭示滑坡地质灾害监测的重要性,阐述了滑坡地质灾害的监测
内容,重点介绍了GPS监测法、遥感检测法、TDR监测法、INSAR监测法、分布式光纤传感技术监测
法、测量机器人监测法等滑坡地质灾害监测方法。
[关键词]滑坡;地质灾害;监测方法
[中图分类号]P642.22;TU459
[文献标识码]A [文章编号]1673-1409(2010)03-N345-03
地质灾害种类繁多,按不同的划分原则,有多种分类方案。肖和平等[1]认为我国地质灾害可以分为10大类38种,其中发生频率较高且社会危害性较大的是崩滑流灾害(崩塌、滑坡、泥石流)和地面变形灾害(地面塌陷、地面沉降、地裂缝)。据中国地质环境信息网公布的统计数据显示,我国2005～2009年上半年崩滑流灾害比地面变形灾害发生的频率高许多,其中滑坡和崩塌的发生几率居于前2位,特别是滑坡地质灾害,就2005～2009年上半年的数据分析表明,每年滑坡的数量所占比重分别为52.7%、86.1%、61.0%、53.0%和55.5%[1]。因此,滑坡地质灾害在所有地质灾害中所占比重都在50%以上,其中2006年滑坡地质灾害尤为严重,达到86%。这些地质灾害造成每年数十亿人民币的损失。由此可见,滑坡地质灾害对人民生命财产的危害性非常巨大,对滑坡地质灾害进行深入的研究是一项非常有必要而且具有重大社会价值的工作。滑坡地质灾害的研究除了对于其形成机理的研究之外,寻找高效、可行的预测技术显得尤为重要。为此,笔者对滑坡地质灾害监测方法进行阐述。
1 滑坡地质灾害监测的意义
地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和植被等因素可以引起改变斜坡外形和使岩土性质恶化,这些都是影响滑坡形成的因素[2]。因此,开展对上述因素的有效监测,并综合运用各种参数,采用合适的预测模型对滑坡进行有效预测。通过滑坡监测,可以了解和掌握滑坡体的演变过程,及时捕捉崩滑灾害的特征信息,为正确分析、评价滑坡以及滑坡预测、预报等提供可靠资料和科学依据。滑坡地质灾害预测在工农业生产中具有重大意义,体现在滑坡地质灾害预测可以为重大国民经济建设的规划提供宏观灾害的预防、减灾与避灾的科学依据,为具体建筑物和建设场地选择不易形成滑坡的安全地带,可以及时预报滑坡所可能产生的灾害性运动以及工程或建筑物所不允许的危险位移量;当滑坡要产生不可避免的大位移时,预告灾害事故的可靠时间,防止或减少人员伤亡及经济损失,可以为国家或地方政府决策部门制定滑坡高灾害区的土地使用法规和防治规则提供科学依据。
2 滑坡地质灾害监测的内容
滑坡地质灾害监测内容随着滑坡监测技术的改进、方法的完善、理论的创新不断发展和丰富,其包括滑坡形变监测、滑坡变形破坏的相关因素监测及滑坡诱发因素监测3方面的内容。同时,对不同地质条件、不同成因的滑坡,在监测中所采用的监测内容也不尽相同。具体内容如表1所示[3]。
3 滑坡地质灾害监测的方法
滑坡的监测方法多种多样,有的基于人为观察,有的基于现代高科技手段,前者比较便利,是一种 [收稿日期]2010-06-23
[作者简介]蒋兴超(1980-),男,2005年大学毕业,硕士,讲师,现主要从事油气地球化学方面的教学与研究工作。
·346· 长江大学学报(自然科学版)
表1 滑坡地质灾害监测内容2010年9月
序号
1
2
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7
8
9 项 目地质宏观形迹地表变形深部位移地下水地声地应力地表水气象人类活动 具体内容滑坡裂隙、建筑物裂缝、地表隆起、位移、地面沉降、塌陷、地裂缝、房屋树木的倾斜、泉水动态等滑体的三维位移量、位移方向、位移速率等绝对位移量;滑体重点变形部位、裂缝、滑带等点与点之间的相对位移量深部裂缝、滑带等点与点之间的绝对位移量和相对位移量钻孔、井水水位、孔隙水压、水量、水温、水质、土体的含水量、裂缝的充水量和充水程度、泉水的动态变化危岩体变形破坏时所释放应力波的强度和信号特征监测滑体内不同部位的应力变化和地表应力变化情况与滑体有关的河、沟、渠的水位、水量、含砂量等动态变化及农田灌溉用水的水量和时间降雨量、降雪量、融雪量、气温、蒸发量等人类工程活动、人类生产活动、人类生活活动
定性监测;后者是随着科技的进步,将各种手段、仪器应用到地质灾害监测中,因而是一种定量监测,其中包括GPS监测法以及TDR、INSAR等监测方法。在进行滑坡地质灾害监测时,无论采用哪种监测方法,若单独使用都有其一定的局限性,因而需要结合监测的内容,根据实际情况综合运用各种方法,这样才能对滑坡地质灾害进行有效监测。笔者将几种重要的定量监测方法加以介绍。
3.1 GPS监测法
GPS监测法是目前应用较多的监测方法。该方法不受气候条件的限制,可以进行全天候全时段的监测,而且其定位精度高、操作简单。值得注意的是,如果确定的监测精度过高,会造成人力和物力的浪费。因此,有必要研究滑坡监测精度、复测周期及位移速度之间的相互关系,在此基础上,结合监测的具体对象确定滑坡监测精度及复测周期的合理方法。如严忠权等[4]在对重庆万州区傅家岩滑坡的监测中,根据GPS法,得到监测点位移量,计算出位移速度,然后根据位移速度,比较了该滑坡不同阶段的特征性,得到滑坡体现今所处位置,为滑坡预报提供了依据。
3.2 遥感监测法
滑坡卫星遥感解译技术已成为快捷的泥石流、滑坡遥感调查方法。国外通常采用航空摄影与彩色红外摄影及热红外扫描来调查滑坡,利用不同时相的航空遥感图像监测其动态变化。但是,在利用遥感监测法时需要根据任务要求,合理选择遥感资料和工作方法,这是实现调查目标的重要环节。利用遥感技术可以不直接接触有关目标物来收集信息并对其进行识别分类、判读和分析。2003年7月13日,三峡库区湖北省秭归县沙溪镇千将坪村发生特大型滑坡灾害后,研究人员利用先进的数字遥感技术,结合滑坡前后的高分辨率遥感数据、地形图资料和野外所测的GPS控制点,制作出研究区滑坡前后的数字高程模型,同时采用合理的图像处理技术,获得了滑坡前后正射影像图。利用三维可视化技术,采用人机交互解译滑坡,分别对滑体的滑动方向、距离和堆积体面积进行了定量计算。通过综合分析,认为千将坪“7.13”滑坡是古滑坡的大规模复活,三峡库区蓄水和降雨综合作用是促使滑坡复活的主要诱发因素[6]。
3.3 TDR监测法
TDR即时间域反射测试技术(TimeDomainReflectometry,TDR)是一种电子测量技术,多年来一直用于各种物体形态特征的检测和空间定位[7][5]。TDR监测法用于滑坡监测时,向埋入监测孔内的电
[8]缆发射脉冲信号,当遇到电缆在孔中产生变形时,就会产生反射波信号。经过对反射信号的分析,就能确定电缆发生形变的程度和位置。这种方法具有成本低、节省监测时间的特点。史彦新等在对四川省
雅安市陇西河左岸的滑坡进行监测时使用了TDR监测系统。研究发现,该系统可以监测滑坡变形,且监测的变形位置与钻探揭示的滑带位置以及钻孔倾斜仪的监测结果相吻合。
3.4 INSAR监测法
合成孔径雷达干涉(INSAR)测量是一项新的空间测量技术,其使用卫星或飞机搭载的合成孔径雷达系统获取高分辨率地面反射复数影像,每一分辨元的影像信息中不仅含有灰度信息,而且还包含干涉所需的相位信号。INSAR技术通过2次或多次平行观测或2幅天线同时观测,获取地面同一地物的复图像对[2],并得到该地区的SAR影像干涉相位,进而获得其三维信息。利用一些特殊的数据处理方
第7卷第3期:理工蒋兴超:滑坡地质灾害监测方法概述 ·347·法(如:干涉配准、噪声去除等)和几何转化来获取数字高程模型或探测地表形变[2]。王涛等[9]在对天津蓟县的五名山滑坡监测中运用了该方法,收到了很好的效果。
3.5 分布式光纤传感技术监测法
光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些参数(如强度、相位、频率、偏振态等)变化的测量,实现对环境参数的测量。分布式光纤传感技术以其可复用、分布式、长距离传输的优势成为光纤传感技术中最具前途的技术之一,是光纤传感监测技术的发展趋势,其包括光纤布拉格光栅传感技术(FBG)与布里渊光时域反射传感技术(BOTDR)。在位于重庆市巫山县新县城中心地带的残联滑坡的监测中,研究人员应用了该技术,从2006年10月始至2007年8月,FBG监测点的应变已从37.65με变化到51.57με。在获得滑坡体沿剖面方向的应变分布情况后,对变形关键部位加强了监测
3.6 测量机器人监测法[10]。
测量机器人是在全站仪基础上集成步进马达和CCD影像传感器构成的视频成像系统,是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。在滑坡及水工建筑物变形自动化监测中,测量机器人正逐渐成为首选的自动化测量技术设备。近年来,研究人员在对金坪子滑坡等滑坡监测中成功运用了该方法,实现了快速和高精度监测[11]。4 结 语
滑坡是一个广泛发育的地质灾害,给国家和人民生命财产造成巨大损失。在进行滑坡地质灾害研究时,应基于不同情况下滑坡发育的不同机理来选择合适的滑坡预测方法。同时,预测滑坡不能仅局限于某一种方法,而应运用各种方法,取长补短,对滑坡的孕育过程进行综合预测和评价,为滑坡的治理作出合理的预判,最大程度地避免滑坡地质灾害的产生。
[参考文献]
[1]肖和平,潘芳喜.地质灾害与防御[M].北京:地震出版社,2000.
[2]张书余.地质灾害气象预报基础[M].北京:气象出版社,2005.
[3]白成亮,郑治.我国滑坡灾害监测预报研究现状[J],黑龙江交通科技,2006,153(11):36～38.
[4]严忠权,王兰中.GPS技术在傅家岩滑坡滑坡监测预报中的应用[J].人民长江,2008,39(16):29～30.
[5]MantovaniF,SoetersR,VanwestenCJ.RemoteSensingteehniquesforlandslidestudiesandazardzonationinEurope[J].Geomor-
Phology,1996,(15):213～225.
[6]杨金中,杨日红.遥感技术在三峡库区千将坪滑坡研究中的应用[J].国土资源遥感,2007,74(4):85～89.
[7]Topp,GC,YanukaM,ZebchukWD.DeterminationofElectricalConductivityUsingTimeDomainReflectometry:SoilandWater
ExperimentsinCoaxialLines[J].WaterResourcesResearch,1988,24(7):945～952.
[8]史彦新,张青.TDR技术在雅安峡口滑坡监测中的应用[J].勘察科学技术,2005,(1):55～57.
[9]王涛,詹华明.PSInSAR技术监测天津蓟县滑坡预研究[J].遥感应用,2008,(3):81～86.
[10]史彦新,张青,孟宪玮.分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2008,38(5):820～824.
[11]赖金富,李向新,王正祥.测量机器人在金坪子滑坡变形监测中的应用[J].测绘信息与工程,2008,33(2):22～23.
[编辑] 李启栋