基于BDS的高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)研究與應(yīng)用

　　摘要：針對(duì)張河灣蓄能電站區(qū)域出現(xiàn)多處高邊坡、巖質(zhì)危巖體現(xiàn)象，為有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，選取該區(qū)域危害較大的三處邊坡進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)災(zāi)害隱患點(diǎn)現(xiàn)狀與誘因分析，選用高精度北斗接收機(jī)對(duì)三處邊坡進(jìn)行表面位移監(jiān)測(cè)，并利用拉線式位移計(jì)對(duì)四處裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。基于C++與Java云端，結(jié)合VisualStudio2015開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建設(shè)完成了一套地質(zhì)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，可自動(dòng)、連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)張河灣水電站區(qū)及周邊地質(zhì)形變，并對(duì)超限值自動(dòng)預(yù)警。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌握邊坡變化狀態(tài)，有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，從而將損失降到最低。

　　本文源自測(cè)繪與空間地理信息,2020(10):138-141.《測(cè)繪與空間地理信息》(月刊)創(chuàng)刊于1978年，由黑龍江省測(cè)繪學(xué)會(huì)主辦。反映測(cè)繪學(xué)科及地理空間信息科學(xué)前沿理論和技術(shù)并指導(dǎo)地理信息工作者從事科研、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的技術(shù)性、知識(shí)性刊物，主要刊載測(cè)繪高新技術(shù)、地球空間信息和地理信息系統(tǒng)的前沿理論與技術(shù);地理信息系統(tǒng)工程建設(shè)的技術(shù)總結(jié)與經(jīng)驗(yàn)交流;測(cè)繪行業(yè)管理與改革的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn);測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)交流、科研成果推廣及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)介紹等;測(cè)繪學(xué)和地理信息學(xué)中的理論探討;國(guó)內(nèi)外地理信息學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及測(cè)繪科技報(bào)道與介紹;測(cè)繪科普知識(shí);測(cè)繪儀器新發(fā)展等。榮獲連續(xù)多年獲中國(guó)測(cè)繪協(xié)會(huì)期刊獎(jiǎng)。

　　自然斜坡或人工邊坡在各種動(dòng)力因素和環(huán)境條件的影響和作用下，喪失坡體穩(wěn)定性，產(chǎn)生變形破壞，誘發(fā)滑坡災(zāi)害，這一災(zāi)害過(guò)程是動(dòng)態(tài)變化發(fā)展的過(guò)程[1,2]。監(jiān)視和觀測(cè)滑坡在孕育、發(fā)展和災(zāi)變過(guò)程中的各種特征因素和參量，即稱為邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[3]。張河灣電站區(qū)域內(nèi)分布著大大小小的各種巖質(zhì)高陡邊坡，部分邊坡存在體積較大的危巖體，在各種環(huán)境因素作用下，極易發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害影響范圍包含了辦公場(chǎng)所及交通道路，威脅了礦區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)的安全及其生產(chǎn)活動(dòng)[4]。因此，開(kāi)展邊坡安全監(jiān)測(cè)、分析判斷邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)、降低邊坡工程安全風(fēng)險(xiǎn)，是指導(dǎo)邊坡工程建設(shè)和保障蓄能電站運(yùn)營(yíng)安全的重要保障。

　　目前，對(duì)這些災(zāi)害體采用的是人工測(cè)量的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此種方法不僅不能準(zhǔn)確地分析邊坡的形變情況，而且人工方式有滯后性，不能在災(zāi)害發(fā)生前及時(shí)預(yù)警[5]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電站庫(kù)區(qū)周圍危巖體形變的連續(xù)性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，基于BDS建立一套技術(shù)成熟有效的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理并配套實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，可以提高災(zāi)害監(jiān)測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性，能大大降低災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的損失[10,11]。

　　1、高邊坡外業(yè)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

　　1.1表面位移監(jiān)測(cè)

　　表面位移是反映監(jiān)測(cè)對(duì)象穩(wěn)定與否的重要內(nèi)容，也是變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不可缺少的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。北斗位移監(jiān)測(cè)是目前應(yīng)用最廣的表面位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，其采用的是靜態(tài)相對(duì)定位的測(cè)量方式[12]。通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)安裝監(jiān)測(cè)站，變形區(qū)域外的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)安裝基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳解算軟件，靜態(tài)解算后得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化值，從而達(dá)到測(cè)量監(jiān)測(cè)站位移量的目的。靜態(tài)相對(duì)定位監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

　　圖1靜態(tài)相對(duì)定位監(jiān)測(cè)原理

　　圖中A、B指兩臺(tái)GNSS接收機(jī)，其中一臺(tái)安置在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，另一臺(tái)安置在變形區(qū)域內(nèi);AB連線為兩測(cè)站基線向量。S1～S4指向兩接收機(jī)發(fā)射信號(hào)的4顆衛(wèi)星(可接收信號(hào)的衛(wèi)星數(shù)量不少于4顆)。

　　1.2裂縫監(jiān)測(cè)

　　裂縫監(jiān)測(cè)的目的是測(cè)量與評(píng)估監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)裂縫的延伸情況。通過(guò)監(jiān)測(cè)危巖體中裂縫兩側(cè)相對(duì)張開(kāi)、閉合變化，了解危巖體的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)。將拉繩式位移計(jì)的兩端固定在裂縫的兩側(cè)，位移計(jì)的鋼絲繩隨之拉長(zhǎng)，引起振弦頻率的變化，通過(guò)將頻率差值濾波、調(diào)零與放大，輸出與一個(gè)與鐵芯移動(dòng)量相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，從而得到裂縫的張合變化量。裂縫傳感器工作原理如圖2所示。

　　圖2裂縫傳感器工作原理

　　2、監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)

　　2.1系統(tǒng)建設(shè)思路

　　整個(gè)系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，采用高精度北斗定位接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集解算，并結(jié)合裂縫計(jì)，通過(guò)先進(jìn)成熟的信號(hào)采集、控制網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、太陽(yáng)能新能源技術(shù)、智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)高邊坡變形信息，即表面位移、裂縫的張合情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)預(yù)警[13,14,15]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

　　圖3系統(tǒng)框架圖

　　2.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)用于高邊坡變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將將外業(yè)采集數(shù)據(jù)終端與控制終端相連，結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件，為用戶提供實(shí)時(shí)、全天候、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)變形情況，并對(duì)超限情況進(jìn)行預(yù)警。為確保項(xiàng)目信息的完整性以及數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化，系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、項(xiàng)目詳情、預(yù)警與設(shè)備與人員管理等功能，并可對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析成圖，為用戶掌握監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)安全情況提供保障。本系統(tǒng)主要功能模塊見(jiàn)表1。

　　表1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

　　3、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　3.1張河灣蓄能電站邊坡監(jiān)測(cè)

　　高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司某抽水蓄能電站周圍的高邊坡上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和可行性論證完成了監(jiān)測(cè)危巖體選定工作，本次共在老辦公區(qū)上側(cè)崩落體、電纜橋東側(cè)崩落體以及交通巷道上側(cè)崩落體上3處安置GNSS表面位移監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站位于監(jiān)測(cè)的危巖體上，離邊坡外緣3—5m，依次為監(jiān)測(cè)站#1、監(jiān)測(cè)站#2與監(jiān)測(cè)站#3。監(jiān)測(cè)站安裝流程如下:

　　1)在觀測(cè)桿頂端安裝GNSS天線與調(diào)平法蘭底座，天線線纜延法蘭中心和觀測(cè)柱穿至設(shè)備機(jī)柜;GNSS天線需進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，由調(diào)平法蘭調(diào)節(jié)螺柱進(jìn)行控制。

　　2)在觀測(cè)柱頂端GNSS天線平面以下安裝太陽(yáng)能電池板，電池板電源輸出線纜延至設(shè)備機(jī)柜;注意太陽(yáng)能電池板的安裝角度，保證其接受到的平均光照最大。

　　3)在設(shè)備機(jī)柜內(nèi)進(jìn)行接收機(jī)、供電控制器、防雷器的安裝固定，安裝SIM卡，柜內(nèi)設(shè)備固定后將機(jī)柜安裝至觀測(cè)柱上，并與觀測(cè)柱進(jìn)行固定。

　　4)安裝放置地埋電池箱，并將電池箱電源線延至設(shè)備機(jī)柜，做好各外部線纜接頭的防水處理。

　　以交通巷道處監(jiān)測(cè)站布設(shè)情況為例，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4所示。

　　圖4監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及設(shè)備安裝

　　3.2邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

　　在數(shù)據(jù)采集端完成后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)表面位移監(jiān)測(cè)站接入軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。由上文可知，各GNSS監(jiān)測(cè)站均安裝在危巖體上，以穩(wěn)定區(qū)域上建設(shè)的基站為參考，基于相對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)解算，以監(jiān)測(cè)站的移動(dòng)情況作為危巖體的變形情況。分別對(duì)3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)2019年2月到6月采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　監(jiān)測(cè)站#1位于張河灣蓄能電站的北東角，下部是電站的老辦公樓、員工宿舍以及食堂，危害性大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位發(fā)育有兩條裂縫，其中，西側(cè)裂縫長(zhǎng)約30m，南端寬約2m，北端閉合，裂縫面近直立，深大于10m;東側(cè)裂縫長(zhǎng)約5m，寬約0.5m，裂縫面近直立，深大于3m。分析得:Y軸方向的變形速率較大，變形速率為3.2289mm/月，X軸方向?yàn)?.0198mm/月，Z軸方向變形較慢，變形0.9333mm/月。變化曲線如圖5所示。

　　圖5監(jiān)測(cè)站#1形變時(shí)序曲線

　　監(jiān)測(cè)站#2位于張河灣蓄能電站的中間位置，點(diǎn)位現(xiàn)場(chǎng)無(wú)明顯裂縫發(fā)育。分析得:Y軸方向的變形速率較大，變形速率為1.554mm/月，X軸方向?yàn)?.6034mm/月，Z軸方向變形0.9685mm/月。變化曲線如圖6所示。

　　圖6監(jiān)測(cè)站#2形變時(shí)序曲線

　　監(jiān)測(cè)站#3位于張河灣蓄能電站的北西角，點(diǎn)位現(xiàn)場(chǎng)有裂縫發(fā)育，裂縫長(zhǎng)度約3m，深度大于5m。分析得:X軸方向的變形速率較大，變形速率為0.7192mm/月，Y軸方向?yàn)?.4114mm/月，Z軸方向變形0.1943mm/月。變化曲線圖如圖7所示。

　　圖7監(jiān)測(cè)站#3形變時(shí)序曲線

　　經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到監(jiān)測(cè)站在一段時(shí)間的變化速率曲線、加速度曲線、最大值曲線與最小值曲線，以邊坡監(jiān)測(cè)站#1在一周內(nèi)的變化結(jié)果為例，如圖8所示。

　　3.3裂縫監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

　　選取了老辦公區(qū)后側(cè)山體的2條裂縫，其中西側(cè)裂縫長(zhǎng)約30m，南端寬約2m，北端閉合，深大于10m，設(shè)計(jì)布置3個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)站;東側(cè)裂縫長(zhǎng)約5m，寬約0.5m，深大于3m，設(shè)計(jì)布置1個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)站。

　　圖8變化曲線

　　本次監(jiān)測(cè)共布設(shè)4個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)站，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。

　　圖9裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

　　由圖9可知，在此段時(shí)間內(nèi)，各個(gè)裂縫變形量較小，基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)觸發(fā)預(yù)警的情況。通過(guò)系統(tǒng)查詢功能，可查詢不同監(jiān)測(cè)時(shí)段的預(yù)警信息，若沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)警情況，則界面顯示當(dāng)前暫無(wú)預(yù)警數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證該系統(tǒng)預(yù)警功能的可行性，在預(yù)警模塊內(nèi)將平面位移閾值設(shè)置為10mm，選取3個(gè)測(cè)站進(jìn)行測(cè)試，以2018年6—11月時(shí)間段某一GNSS設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，處理后的預(yù)警信息可生成相應(yīng)的預(yù)警簡(jiǎn)報(bào)，并以文本的形式導(dǎo)出，便于查看。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了以BDS為基礎(chǔ)的高邊坡地質(zhì)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝監(jiān)測(cè)站，變形區(qū)域外的穩(wěn)定區(qū)域安裝基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到解算軟件，經(jīng)靜態(tài)解算得到監(jiān)測(cè)站的位移變化值。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的閥值后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警，并能以短信、電話形式通知到相關(guān)責(zé)任人，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高邊坡地質(zhì)災(zāi)害的有效監(jiān)測(cè)。張河灣水電站高邊坡現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)的有效性，且系統(tǒng)對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)具有普遍適用性，可大力推廣應(yīng)用，對(duì)提升高邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性具有重要意義。

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