滑坡监测的方法简述

缪静芳

摘要：介绍了滑坡监测的内容，以及一些常用的滑坡监测技术方法。本文着重介绍了近些年

不断发展的GPS监测系统、分布式光纤传感器、TDP测试技术、无线传感器在滑坡形监测中的应用。并且指出了不同滑坡监测方法的适用范围和相应的优缺点。 关键词：滑坡；滑坡监测；GPS系统； TDR监测；分布式光纤传感器；无线传感器；

1 引言

滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素的影响，致使部分或全部土体（或岩体）在重力作用下，沿着地面软弱面（或软弱带）整体地或分散地顺坡向下滑动的地质现象。

我国是地质灾害多发国家之一，尤以滑坡灾害的影响最为严重。据不完全统计，中国有70多座城市和460多个县市受到滑坡灾害的威胁及危害，平均每年至少造成15-23亿元的经济损失。如果能够对滑坡进行监测, 实现滑坡危害的早期预报, 就可以最大限度地减少和防止滑坡所造成的损失。因此, 监测既是滑坡调查、研究和防治工程的重要组成部分，又是崩塌滑坡灾害预测预报信息获取的一种有效手段。

2 滑坡监测的内容

滑坡动态监测的内容包括滑坡变形监测、建筑物变形监测、地下水动态监测和滑坡推力实测。目前，国内外滑坡动态监测的技术方法已经发展到一个较高水平，已由过去的人工监测逐渐过渡到仪器检测，并正向高精度的自动化遥测系统发展。监测仪器也在不断更新，随着计算机技术和测量技术的不断发展，激光测距仪和高精度电子经纬仪等先进设备，正在逐步成为滑坡动态监测的新手段。 3 滑坡监测的方法

从滑坡的监测内容来看，滑坡监测应该是由多种监测方法相结合的。对于不同的监测目的、不同的滑坡发育阶段及不同的滑坡类型所选择的滑坡监测方法也不同。目前滑坡动态监测中使用的技术大致可归纳为宏观简易地质检测法、大地精密测量法、设站观测法、仪器仪表监测法和综合自动遥测法。

3.1 宏观简易地质检测法

这种方法主要是对滑坡发育过程中的各种迹象，如地裂隙、房屋、泉水动态等进行定期监测、记录，掌握滑坡的动态变化和发展趋势。其中，最常用的是对地表裂隙、建筑物变形的监测。在裂隙处设置简易监测标志，定期测量裂隙长度、宽度、深度的变化，以及裂隙的形态和开裂延伸方向等。由于滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和大小不同，滑速也不同，因而不同部位产生不同力学性质的裂隙，有滑坡后部的拉张裂隙、滑坡体中前部两侧的剪切裂隙、滑体前缘的鼓张裂隙和滑坡舌部的扇形裂隙。除此之外，还有一些滑坡标志，如封闭洼地、滑坡鼓丘、滑坡泉、马刀树、醉汉林等。该方法的特点是获取的信息直观可靠，简单经济，实用性较强，适应于对正在发生病害的边坡进行观测。但也存在内容单一、精度低和劳动强度大等缺点。

3.2大地精密测量法

该方法即采用高精度光学和光电测量仪器，如精密水准仪、全站仪等仪器，通过测角和测距来完成监测任务。监测边坡的二维( X、Y 方向)水平位移常用前方交会法、距离交会法：监测水平单向位移常用视准线法、小角法、测距法：监测边坡的垂直位移常用几何水准测量法、精密三角高程测量法。

大地精密测量法长期以来受到滑坡工程监测人员的高度重视，是由于具有如下优点：能确定边坡地表变形范围；量程不受限制；能观测到边坡体的绝对位移量；精度高；通

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过三维测量能提供点位坐标和高程；测量数字化，和计算机技术结合形成系统，实时性强；一机多测点，效率高。适用于不同变形阶段的位移监测。但是这种方法的缺点是受到地形条件和气象条件的限制，工作量大，周期长，连续观测能力差。 3.3 仪器仪表监测法

滑坡稳定性的监测涉及到一系列的影响滑坡特定的因素及其随时间的变化量，如降雨量、土壤潮湿度、地下水位及移动特征，其中最重要的是两个因素是移动特征和地下水位。滑坡的移动特征则由滑动面的深度、方向、移动量和移动速度等指标来表示，通过监测这些指标中得一项或者多项就能达到监测滑坡的目的。其常用的仪器如表1所示。 表1 监测常用仪器、测量指标、适用范围和特点 测量仪器 精密测尺 引张线仪 裂缝探测仪 水准仪 经纬仪 倾斜仪 测距仪 全站仪 地面摄影仪 航空摄影仪 全自动全站仪 GPS技术 测量指标 △距离 △距离 △距离 △H △角度 △高度角 △距离 △角度，△距离 △E，△N，△H △高度角 △X,△Y,△Z 技术实用范围 <30m <10~80m <5m 不限制 不限制 10度左右 1~14km 距离<100m 高度<500m 测量精度 0.5mm/30m 0.3mm/30m 5mm 0.2~1mm/km 5” 5~10mm+1~2ppm 1~5mm+1~5ppm 2”~5”；2~5mm 20~100m 100m 2~5mm 人工 人工 自动化、远程化 人工 自动化、远程化 特点 人工、精度低 自动化、远程化 △角度，△距离 <1000m 一般在20km以内 5~10mm+5ppm 3.4综合自动遥测法 综合自动遥测法采用自动化程度高的远距离遥控监测系统或空间技术卫星遥测，自动采集、存储、打印和显示滑坡变形监测数据，并绘制出各种变化曲线、图表。该方法的优点是：监测内容丰富，自动化程度高，可全天候观测，并远距离传输，省时省力的特点。缺点是受外界因素干扰，传感器、仪器易出故障，长期稳定性差。适用于滑坡变形处于速变及临滑状态时的中、短期监测及防治施工期安全监测。由于传感器仪器的质量不过关，国内用的不多，公开报道的应用实例是该法曾经用于重庆市万县豆芽棚滑坡治理效果检验监测。

3.5 发展的新方法

3.5.1 GPS滑坡监测系统

GPS 作为现代大地测量的一种技术手段，可以实现三维大地测量，作业简单方便，具有测站间无需通视、能同时测定点的三维位移、不受气候条件的限制、易于实现全系统的自动化、可消除或削弱系统误差的影响和可直接用大地高进行垂直形变测量等优点。特别是在滑坡监测中，主要关注两期监测中所求得监测点的坐标之间的差异，而不是监测点本身的坐标。这样两期监测中所含的共同系统误差虽然会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量，因此，GPS 技术在变形监测中迅速得到了推广，成为一种新的很有前途的滑坡监测方法。

2）GPS 滑坡变形监测的方法

a) 周期性模式。当滑坡的变形速率相当缓慢，在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时，用几台GPS 接收机，人工定期逐点采集数据，通过后处理获得各期之间的变形。

b) 连续性模式。连续运行GPS 监测技术主要利用GPS 高精度、自动化、全天

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候以及测点之间无须通视等优点，已广泛应用地壳形变监测等领域。根据数据处理方式的不同，连续运行GPS 监测技术被分为实时动态监测和固定连续运行参考站。实时动态监测主要用来监测目标的动态变形，数据采集密度高，实时计算出每个历元的位置。

3）GPS天线阵列监测系统

对于GPS自动化监测系统，在实际应用中，精密的测量型GPS接收机价格非常高，导致系统的建设成本很大。因此，高成本大大制约了其在滑坡监测中得应用。而GPS天线阵 列监测技术就是在监测点上安置一个GPS天线，通过一个天线电缆与接收机连接，系统能够按照串口的设置，自动连接获取各个天线的卫星接收信号。因此在增加监测点数时，不要增加GPS 接收机，只需要增加接收天线和与之连接的天线电缆，从而硬件成本大幅降低。另外一个区域只有一台GPS 接收机，减少系统的通讯成本和数据处理复杂度，而GPS天线阵列的数据处理方式与连续运行监测技术的数据处理方式一样，使得获取监测点精度也比较高。 3.5.2 TDR监测技术

时域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR）是一种远程遥感测试技术，产生于20 世纪30 年代，现在，在滑坡监测的应用方面也取得了很大的成效。

1）TDR 基本原理

同轴电缆中TDR 与雷达技术的工作原理基本相同，其区别在于传播介质不同。在同轴电缆TDR测试过程中，采用同轴电缆作为传输具有一定能量的瞬时脉冲的传播介质，电脉冲信号在同轴电缆中传播的同时，能够反映同轴电缆的阻抗特性。当电缆发生变形时, 它的特性阻抗将发生变化。当测试脉冲遇到电缆的特性阻抗变化时，就会产生反射波。对反射波信号的传播时间进行测量, 就可以确定其传播时间和速度, 由此可以推断出同轴电缆特性阻抗发生变化的位置；通过对反射信号振幅的分析, 就可进一步推算电缆的状态等。因此，同轴电缆的TDR技术又称之为“闭路雷达”。 2）TDR滑坡监测 TDR 滑坡稳定性监测系统的组成及埋设如图1所示。首先，在待监测的岩体或土体中钻孔，将同轴电缆放置于钻孔中，顶端与TDR 测试仪相连，并以砂浆填充电缆与钻孔之间的空隙，以保证同轴电缆与岩体或土体的同步变形。岩体或土体的位移和变形使埋置于其中的同轴电缆产生剪切、拉伸变形，从而导致其局部特性阻抗的变化，电磁波将在这些阻抗变化区域发生反射和透射，并反映于TDR 波形之中。通过对波形的分析，结合室内标定试验建立起的剪切和拉伸与TDR 波形的量化关系，便可掌握岩体或土体的变形和位移状况。

图1 TDR滑坡稳定性监测系统的组成及埋设

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与传统的测斜仪相比，TDR 测试技术具有以下优点：

（1）信号可信度高、测试过程快速方便、耗电量低，且一套TDR 设备可同时监测几百个测点。

（2）将TDR 技术与GIS 技术相结合，可利用通讯网络远距离传输监测数据及信号。 （3）技术人员只需在室内便可对各个测点进行远程监控，监测工作安全性大大提高。 3.5.3分布式光纤传感技术

1）分布式光纤传感技术原理

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、长距离传输的优点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。其中，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)是

最具代表性的两种分布式光纤传感技术。

2）光纤传感滑坡监测方法

在滑坡监测中，光纤的选择更为重要。因为滑坡体的应变往往都比较大，恰当的光纤选择能使监测寿命提高。目前常用于监测的光纤有裸纤和紧套型光纤两种。裸纤虽然测量灵敏度很高，但量程小，易于折断，施工难度大，适应于小应变测量；紧套型光纤由纤芯、包层、涂敷层和护套组成，具有耐腐蚀性强、防水性能好的优点，比裸纤更能抵抗应力作用，量程略大，并且不易断点，有利于施工。选用紧套型光纤可提高监测寿命， 因此滑坡监测用光纤常选择紧套型光纤。光纤网络布置一般有两种形式：一维网络形式，光纤连续地沿灾害体自下而上作蛇形布置, 这种方式适合于监测一个方向的位移变化情况；二维网络形式，光纤首先连续地沿灾害体自下而上布置，然后，连续地沿水平方向从左至右或从右至左作蛇形布置，这种方式适合于监测两个方向的位移变化情况。在铺设光纤时，应根据典型工作区滑坡体的特点，确定具体的光纤网络的布置方式。在监测实际工程应用中，光纤铺设基本有两种方法，全面接触式铺设和定点接触式铺设，全面接触式铺设的特点是可以全面监测地质灾害体的变形情况，监测对象为整个滑坡体。定点接触式铺设的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在变形处的变形情况，监测对象为滑坡变形缝等潜在变形处。

FBG与BOTDR两种光纤传感技术各有优缺点: FBG传感器灵敏度高，能够非常准确地测量应变，虽多个FBG串联组成的FBG传感网络能实现准分布测量，但其用于响应外部被测量的敏感单元是预先设置的传感阵列， 因此需对这些离散分布的传感点进行测量，灵活性较低；BOTDR传感元件为光纤，可实现分布式、长距离、不间断测量, 受其技术本身的限制，测量的空间分辨率最高只能达到1 m。如果将FBG与BOTDR技术联合起来监测滑坡，在整个滑坡体上铺设监测光纤，利用BOTDR技术可获得整个滑坡体的概要信息； 在滑坡体变形的关键部位——变形缝安装FBG传感器，利用其监测灵敏度高的特点，获得滑坡某些关键部位的应变值。这样，将FBG与BOTDR两种技术结合起来监测滑坡，既克服了BOTDR监测分辨率不高的缺点，又弥补了FBG只能实现离散点测量的不足，从而可实现由点到线再到面的滑坡监测，获得滑坡体较完整的应变信息。

3.5.4基于无线传感器网络的滑坡监测

1）监测预警系统的总体结构

在大范围监控、预警的基础上，以局域网为研究平台，主要致力于数据采集和发送的有效性及处理上的精确性，监测预警系统的总体结构如图2所示，可分为2个部分:上层的监控中心和下层的监控基站。监控基站和监控中心通过以太网连接起来，此外管理人员也可以通过自定义网络访问监控基站。监控基站和众多的无线传感器节点一起组成无线传感器网络。无线传感器网络具有很好的扩展性，随意地增减节点，对网络的拓扑结构和组网模式无太大影响，因而可以方便地根据实际情况增加或减少监控节点的数量。

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图2 系统结构图

2）适用于滑坡监测的无线传感器网络设计

这种无线传感器网络由众多具有感知和路由功能的无线传感器节点组成，能够协作实时监测，感知并采集各种环境对象的信息，将其通过多跳转发传送回主机进行分析、处理。以这些工作节点为依托，通过无线通信组成网络拓扑结构。系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上看，他们只是其功能的一个子集，称为RFD（精简功能设备），这种设备不具有路由功能；另外还有一些节点负责与控制子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称为FFD (全功能设备或协调器) 。如图3所示为一个典型的远程数据采集并返回到计算机终端的应用。每个节点由一个MCU作为主控设备。通过倾角传感器可以监测滑坡的运动状况，通过液位传感器监测地下水位深度，数据采集间隔也可以由中心服务器灵活控制，在旱季可以调整为每24 h采集并传递1次数据，从而节省能量并避免大量的冗余数据。而在雨季危险期,其采集间隔可以密集到5 min/ 次，从而保证实时监测预警功能。每个信号采集节点通过ADC从模拟传感器得到实时数据，按照ZigBee 协议把数据打包，并通过射频芯片及前端天线发送给簇内的RFD；经过RFD预处理之后，再由RFD路由转发到远端计算机；结合地貌特点、滑坡的分布特点，多个水流量检测点之间的相互关系等多种地质学、水流动力学等方面的知识进行数据的融合和处理。在每个节点的外部可外接相应的PIO 芯片和其他外围电路进行交互。

图3 无线传感器网络拓扑结构示意图

在整个硬件平台的设计中，节能是一个重要因素，它决定着传感器网络的寿命。当节点目前没有传感任务并且不需要为其他节点转发数据时，关闭节点的无线通信模块、数据采集模块等以节省能耗，即让其置于睡眠状态。为控制子节点选择合适的地点，提供较充足的能源，以便延长节点使用寿命，提高监测预警系统有效性。在软件设计上,通过动态电源管理(Dy2namic Power Management ,DPM) 技术使系统各个部分都运行在节能模式。在关闭空闲

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模块状态下，传感器节点或其他部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有“感兴趣”的事件发生。

4 结束语

随着科学技术的不断发展，我们的监测技术已经越来越多，技术的发展也越来越完善。随着遥感卫星科技的不断进步，我们利用高科技手段作为监测工具的趋势已经日趋明显。我们需要从日新月异的科技发展中找到适合我们专业的方法。目前的滑坡监测不仅仅是单个监测方法就能完成的，需要我们综合运用各种监测手段，将他们有效的结合在一起。每个监测方法都有自己的优点和缺点，几个方法综合使用就能互补，更好地为滑坡监测服务。从而减少滑坡带来的危害与损失。

参考文献

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史彦新1, 2 , 张青2 , 孟宪玮2

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冯春1 ，张军2 ，李世海1 ，许利凯1

1中国科学院力学研究所，北京100190; 2 重庆市地质环境监测总站，重庆400015)

［3 ］一种基于无线传感器网络的滑坡监测系统设计

李 波,赖于树,黄 倩,文建祥 (重庆三峡学院 重庆 404000)

［4 ］滑坡地质灾害监测方法综述

刘 东(湖南化工地质工程勘察院,湖南长沙410004)

［5 ］BOTDR光纤温度监测技术在土木工程中得应用研究 崔何亮，施斌‘徐洪钟，张丹，丁勇

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1.浙江大学软弱土和环境土工教育部重点实验室，浙江杭州 310058；

2.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州 310058；3.浙江大学建筑设计研究院，浙江杭州 310027)

［7 ］GPS 技术在滑坡变形监测中的应用

俞得响1 ，邹双朝2

1 中铁渤海铁路轮渡有限责任公司，山东烟台264000； 2 长江科学院工程安全监测与防治研究所，湖北武汉430010)

［8 ］滑坡监测的指标体系与技术方法

周平根

(中国地质环境监测院, 北京 100081)

［9 ］矿山滑坡天线阵列变形监测系统的方案与测试

常松卫1，邹进贵2，袁细保3，张洪波2，邹双朝2

（1. 河南省新密市国土资源局，河南新密452370；2. 武汉大学测绘学院，湖北武汉430079； 3. 江西省测绘局第一测绘院，江西南昌330001）

［10 ］滑坡监测的一种新技术—天线阵列滑坡监测系统

邹双朝, 王新洲 , 邹进贵

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长江科学院工程安全所, 武汉 430010 武汉大学灾害监测与防治研究中心, 武汉 430079

［11］基于光纤传感的边坡工程监测技术

朱鸿鹄1 , 殷建华1 , 洪成雨1 , 靳 伟2 , 何毅良3

(11香港理工大学土木及结构工程学系, 香港; 21香港理工大学电机工程学系, 香港; 31香港奥雅纳工程顾问有限公司, 香港)

［12］滑坡防治技术——理论探讨与工程实践 商真平 魏玉虎 姚兰兰等编著 黄河水利出版社 ［13］滑坡文集（第十九集）

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