地质灾害监测预警方法与系统

地质灾害监测预警吴益平中国地质大学（武汉）工程学院2提纲主要监测技术与内容12345地质灾害监测的目的与原则地质灾害监测预警的概念地质灾害区域预警单体地质灾害预警地质灾害监测预警地质灾害预警是一种包括预测与警报的广义“预警”，在时间精度上包括了预测或预估（估测）、预警、预报和警报（数小时）等多个层次，每个层次都是一个政府机构、工程技术与公众社会共同参与的综合体系。•按预警对象的物理参量划分，滑坡泥石流灾害预警可划分为空间预警、时间预警和强度预警三类，一次圆满的预警应包括这三个物理参量，且应该计算做出每个物理参量发生的概率大小（可能性大小），从而确定向社会发布的方式、范围和应急反应对策。表1预警工程的阶段划分阶段时间尺度空间尺度方法数据指标措施预测1～10a大区域区域评价区划地质调查数据库发育度风险度危害度建设规划预防预警1月～1a小区域一次过程观测监测数据库临界区间值局部转移或全部准备避难预报数日局部精密仪器监测分析模型库警戒值搬迁警报数小时局部精密仪器监测灵敏度分析警戒值紧急搬迁表2预警产品等级及色标级别含义色标说明Ⅴ警报级，可能危害特别严重红组织公众应急响应Ⅳ预报级，可能危害严重橙建议公众采取预防措施Ⅲ预警级，可能危害较重黄发布公众知晓Ⅱ预测级，可能危害一般蓝科技与管理人员掌握Ⅰ常规级，一般无危害绿科技人员掌握7地质体内部信息源：位移场（深部断层位移、地面沉降位移、斜坡位移）地应力场（构造应力、自重应力）孔隙水压力场水化学场声波场电磁场……地质体外部信息源：大气要素（降雨、冻融、…)河岸侵蚀人类活动……其它信息源：动物异常行为……地质灾害监测的目的1、及时掌握灾害体变形动态，分析其稳定性，超前做出预测预报，防止灾难发生。2、为灾害治理工程等提供可靠资料和科学依据。3、为政府部门对在地质灾害易发区的经济建设、环境治理等方面的规划和决策提供基础依据。4、向全社会提供崩塌、滑坡监测信息服务。8监测预警工程人们将地质灾害的监测、预报和预警工作的运作体系称为监测预警工程，它包括地质灾害监测预报信息系统的建立和运行，岗位责任人员组织系统的建立和实施，临灾紧急抢险避难行动方案的制订（及后续执行）。监测预警工程的实施中应贯彻以下基本原则，即：（1）监测、预警方法要土洋结合，以有效为准；（2）工作队伍要群专结合，以专带群，重大问题靠专，面上的问题靠群；（3）管理决策要技政结合，技术上负责搞好灾情、险情判断，行政上负责工程系统运行的组织实施。9滑坡常规监测技术•不同类型的滑坡，所采用的监测技术方法各不相同就监测内容来说，常分为：（1）位移监测（2）应力应变监测（3）地下水动态监测（4）地表水动态监测（5）地声监测（6）放射元素监测（7）环境因素监测（8）宏观现象监测……1011位移监测•主要有简易监测（皮尺、钢尺等）、仪器仪表监测（绝对位移监测、裂缝相对位移监测、地面倾斜监测等）几种形式。•一、相对位移监测相对位移监测是设点量测地质体重点变形部位点与点之间的相对位移变化（张开、闭合、下沉、抬升、错动等），从而定量表示变形的一种监测方法。主要用于对裂缝、崩滑带、采空区顶底板软弱夹层、危岩体边界等部位的监测。按所采用的仪表可分为机械式传动仪表观测法(简称机测法)和电子仪表观测法(简称电测法)两类。。12（一）机测法1、主要方法（1）在裂缝或滑面两侧（或上、下）设标记或埋桩，定期用钢尺等直接量测裂缝张开、闭合、位错或下沉等变形；（2）在裂缝、滑带以及建筑物上设置骑缝式标志，如贴水泥砂浆片、玻璃片等，直接量测；（3）在平斜硐及采空区顶板设置重锤，量测硐顶的相对位移和沉降。2、特点（1）简便易行，投入快，成本低，便于群测群防；（2）操作简单，直观性强；（3）精度稍差，观测时劳动强度大。1314▲裂缝两侧设立标杆▲裂缝壁上安装标尺▲在滑坡裂缝两侧设置木桩、标尺，▲埋桩法测量滑坡体后缘位移量可以测量其变形拉裂15图2-6钢尺直接测量裂缝伸缩量16图2-10BGK4420裂缝计（二）电测法电测法往往采用二次仪表观测，即将传感器(探头)埋设于崩滑灾害体变形部位，使用能将传感器电信号转换成人们所感知(或熟识)信息的电子仪表(如频率计之类)观测。特点：（1）仪表灵敏度高、精度高；（2）监测采样速度快，可自动巡回检测，远距离传输；（3）观测的成果资料不及机测可靠度高。电测位移计一定要具备防风、防雨、防腐蚀、防潮、防震、防雷电干扰等性能，以保障仪器仪表的长期稳定性及监测成果资料的可靠度。17二、绝对位移监测有大地测量法、GPS测量法、近景摄影测量法等。（一）大地形变监测1、主要监测方法有：视准线法、小角法、测距法等。2、特点（1）量程不受限制，能大范围全面控制崩滑体；（2）技术成熟、精度高；（3）易受通视条件和气象条件（风、雨、雪、雾）影响；（4）外业工作量大、周期长。183、常用监测仪器一般采用高精度测角、测距的光学仪器和光电测量仪器。4、观测点的布设•观测点分为固定观测点(控制点)和变形观测点，标型均为墩标。固定观测点(控制点)，埋设在滑坡体之外稳定区(基岩)；•变形观测点主要布置在滑坡主轴观测断面线(或利用主勘探线剖面)和监测网通过的滑坡体地面拉伸、压缩变形和上述变形的过渡地段。1920图2-4全站仪应用于边坡监测(二)GPS测量法1、特点（1）观测点之间无需通视，选点方便；（2）观测不受气候条件限制，可进行全天侯监测；（3）可同时进行平面位移与垂直位移监测；（4）可长期连续监测，不会漏掉重大的变形信息；（5）从数据采集、数据处理到分析、管理的全过程易于实现自动化。（6）如果监测点数量多、且要全部进行长期自动化监测时，需要大量的GPS接收机、太阳能供电装置及通讯设备、微机等安装在野外无人值守的监测房内，安全难以得到保证等问题。2、适用范围适用于各种滑坡不同变形阶段的三维位移监测。21229/2002系统配置(续)控制器基准参考测量站roverMeasurementStationroverMeasurementStation办公室基准参考测量站GPS天线太阳能电池板需要有较好的视天移动电话或无线电收发机天线•系统管理•GPS数据处理•数据管理•数据可视化•与各测量站通讯(三)近景摄影测量法1、工作原理通常把近景摄影仪安置在两个不同位置的固定测点，同时对滑坡区观测点摄影构成立体象对，利用立体坐标仪量测象片上各观测点三维坐标的一种方法。在相对精度方面，可以满足崩滑体处于速变、剧变阶段的监测要求。即适合于危岩体临空陡壁裂缝变化或滑坡地表位移量变化速率较大时的监测。2、特点（1）周期性重复摄影，外业工作简便，可同时测定多个测点的空间座标；（2）获得的像片是崩滑体变形的实况记录，可以随时比较分析；（3）设站受地形条件限制，内业工作量大。3、常用仪器：量测摄影机、半量测摄影机、非量测摄影机。2526地面倾斜监测法1、工作原理主要用于监测崩滑体地面倾斜方向和倾角变化。将移动式倾斜仪定期巡回放置于固定专用测点的盘座上，按预定的几个方向各自180°往复测量，为判断测点三维合成位移变形方向及趋势提供直接信息。2、适用范围①主要用于倾倒式崩塌、拉裂式崩塌、切层滑坡等；②对于顺层滑动不宜采用。27深部位移监测一、钻孔测斜法钻孔测斜法是用于观测钻孔内目标深度岩（土）体横向位移矢量的一种原位测试监测手段。测斜仪类型包括：滑动电阻式、滑动电阻片式、钢弦式、伺服加速度计式和电解式。目前以伺服加速度计式应用较广。2829图2-9钻孔倾斜仪30▲管式应变测量计安装图▲测斜孔结构图深部位移监测二、钻孔多点位移监测法钻孔多点位移监测法是用于观测钻孔岩土体单向或三向位移变化的一种原位测试手段，利用钻孔位移计定期逐段测量钻孔的三向位移信息，从而获得岩体内部位移随时间的变化。以水平孔多点位移计最为常用。31应力监测一、岩土体压力计（压力盒）主要有振弦式、液压式和电阻应变计式，以振弦式最为常见。应用技术要求（1）压力盒的量程：压力盒的量程有限，选择量程时，应充分估算预承压大小，同时应考虑滑坡体整体应力结构调整过程中对埋设部位的应力状态影响；根据经验，量程应选为估算预承压的两倍或更高。（2）压力盒的安装：压力盒的安装属一次性隐蔽工程，安装质量的好坏同其运行寿命和测量精度密切相关。首先确认压力盒的承压面，其次要保证安装部位平整并与应力方向垂直；特殊环境下，须考虑压力盒具有耐腐蚀能力。3233▲压力盒应力监测二、锚索（杆）测力计主要有振弦式、电阻应变式等类型，以振弦式应用较广。应用技术要求（1）测力计的安装：严格保证锚垫板的厚度（刚度）和尺寸（保证测力部分完全承压于锚垫板上），锚索测力计承压面与孔轴线垂直，误差应﹤5°，并严格对中；小量程测力计本身和其附件应具有一定的偏载适应能力。（2）量程的选择：锚固工程施工时，锚索（杆）的锁定预应力值一般均小于预应力设计值，故测力计的量程与锚索（杆）的应力设计值保持一致即可。（3）温度干扰：影响测量精度的主要因素是监测运行期环境温度变化，应进行定量的温度校正予以消除。3435伸长仪（Extensometer）36条带式伸长仪应变监测1、工作原理在滑坡体治理过程中，埋入式应变计主要用于测试混凝土结构内部应变信息。当混凝土结构由于受力产生应变时，应变计会随之产生应变变形，从而可测得混凝土结构应变信息。2、仪器设备主要有振弦式、电阻式和光纤式传感器。3、应用技术要求（1）应变计的尺寸：应变计的长度和直径之比要满足一定条件，通常L／R采用15～25范围。（2）应变计的安装：应变计的轴向要对准拟测变形方向。37地下水（动态）监测1、工作原理通过压力传感器直接或间接测量滑坡体（主要是滑带）含水率、孔隙水压力、地下水位、流量、流速和水温等参数随时间的变化。2、应用技术要求（1）设备的安装：分为测压管（有压管和无压管）安装和钻孔中直接安装。在钻孔中直接安装时，传感器周围使用细砂或其它透水材料充填；对于多深度监测，各深度部位之间使用隔水材料隔离止水。（2）由于其传感器安装为隐蔽工程，除要求监测设备具有较高的精度、较大的量程外，还应具备较强的抗干扰及耐腐蚀性。（3）地下水动态观测的持续时间一般不少于1个水文年。3839图2-11水位自动记录仪40图2-12BGK4500S型渗压计41图2-13水位标尺声发射监测1、工作原理材料或岩体结构受力作用时发生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射(AcousticEmission简称AE)，而用仪器检测分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。2、适用范围（1）岩石破裂产生的声发射信号比观测到位移信息超前，因此，声发射监测适用于岩质斜坡处于剧滑临崩阶段的短临前兆性监测。（2）在勘查阶段，一般可不采用。（3）对于噪声环境比较恶劣(如交通繁华地带、施工区)的滑坡意义不大。3、常用仪器美制AE50008型声发射仪、国产YSS-1型岩体声发射仪、YSZ-2型智能化l6通道岩体声发射仪、SJ-1型6通道声发射监测仪、DY-2型地音仪、WD-1型无线电地音仪、YSS岩石声发射参数测定仪等。42其它监测方法一、放射性监测（氡气测量法）放射性元素在衰变过程中产生的氡等射气，其穿透能力比较弱，但是当它们遇到断层及构造裂隙带时，氡射气就会沿裂隙上升到地表并在土壤中富集，氡射气的富集不受地表覆盖层厚度的影响。当滑坡体处于稳定状态时，氡(Rn)的浓度维持一稳定的低水平；当岩土体滑动时，岩(土)中的氡迅速释放，其浓度急剧增大，且随滑坡体的规模大小和变形速度而异。利用测氡技术方法，测量氡异常变化，就能发现和查明这些地质灾害，达到预报的目的。43二、环境因素监测主要是滑坡所处环境的气温及降水量的监测。特别是受水动力诱发的滑坡，降雨量是监测工作的重要参数。1、降雨量监测设备有机械式和电动自记式两大类。监测内容有：年均、月均、日均降水量，最大日降水量、最大小时降水量等。2、岩土体温度监测常用埋入式温度计，测定岩土体温度。三、地震监测、人类工程活动监测用于监测人工开挖、爆破及诱发地震、天然地震(包括治理施工)等破坏性因素的监测。4445宏观