地质灾害监测中GNSS与多传感器组合技术布点设计

作者简介：张旭（1985-），男，水工环高级工程师。研究方向为水文地质工程地质环境地质。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.031

摘  要：该文探究GNSS与多传感器组合技术在地质灾害监测中的布设方式与应用方法。研究区附近的山体存在滑坡风险，在监测区内布置若干个监测点，将测斜仪、雨量计、孔隙水压力计等传感器放置在监测点上采集位移、降雨量、孔隙水压力等数据。最后利用计算机汇总数据并进行计算、分析，将最终结果直观地呈现在终端屏幕上，让工作人员远程获取监测区的各项信息，实现地质灾害的实时监测。

关键词：地质灾害监测；GNSS；数据采集；传感器；布设

中图分类号：P694        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0128-04

Abstract： This paper explores the layout and application of GNNS and multi-sensor technology in geological hazard monitoring. There is a landslide risk in the mountain near the study area. Several monitoring points are arranged in the monitoring area， and sensors such as inclinometer， rain gauge and pore water pressure are placed on the monitoring points to collect such data as displacement， rainfall and pore water pressure. Finally， the data is summarized and calculated by computer， and the final results are visually displayed on the terminal screen， so that the staff can obtain the information of the monitoring area remotely， and the real-time monitoring of geological disasters is realized.

Keywords： geological hazard monitoring; GNSS; data acquisition; sensor; layout

某山区乡村位于坡角处，山坡绝对高程1 271 m，地貌单元为构造剥蚀侵蚀低中山，山体成分主要为二叠系灰岩、奥陶系灰岩，最大坡度42°，存在一定数量的危岩体，有2处滑坡区。为保障乡村居民的生命和财产安全，需要对滑坡体进行实时监测。在这一背景下，使用GNSS（全球卫星导航系统）和多传感器组合技术，在监测区进行科学补点，对地表水平位移、土体深层位移、降水量进行了动态监测，实时获取和综合分析监测数据，为地质灾害预警与防控工作的开展提供数据支持。

1  监测区地表水平位移监测

1.1  监测点的布设

在监测区域内布设5个监测点位：1#监测点位于村口桥梁附近的空地，2#监测点位于不稳定区域前缘的空地，3#监测点位于不稳定区域后缘的滑坡区，4#监测点位于不稳定区域已修建围护墙的空地，5#监测点位于不稳定区域中部一处厂房的大院内，如图1所示。

1.2  监测仪器的选择和控制网的布设

采用大地变形监测法，监测仪器选用GNSS双频接收机，支持连续观测和定期观测2种方式，垂直精度小于10 mm，水平精度小于5 mm。GNSS控制网内设置4个基准点，选择要求如下：距离信号干扰物不少于200 m，与公路最短距离不少于10 m；在高度角20°范围内没有大面积的障碍物；稳固点埋入基岩的深度不低于20 cm。4个基准点均位于监测区对面稳定的山体上。其中，1#和2#基准点位于稳定基岩上，3#基准点位于山顶，4#基准点位于外侧岩边，每个基准点上各安装1台接收机。完成基准点的布设后，调试接收机。数据传输线的一端连接在GNSS接收机上，另一端连接在电池控制器上，将4个接收机调到同一个频道上。

1.3  水平位移監测频率

结合监测区的气候条件，在汛期（每年的6—8月）每周采集1次观测数据，在非汛期2周采集1次观测数据，如果遇到强降雨等极端天气，可灵活提高观测频率。首次观测时4台仪器同时启动，观测时间不低于4 h；当达到观测时间要求后，将其中2台接收机移动至新的点位，仪器固定并调试完毕后，重复之前的操作步骤继续进行观测；达到观测时数后将其余2台接收机移动至新的点位，重复上述流程，直到观测结束。

2  监测区深层水平位移监测

2.1  数据采集设备

在深层水平位移监测中，使用支持远程控制、内置双轴传感器的YLZ-332测斜仪。测斜仪作为数据采集装置，安装方法如图2所示。

图2  测斜仪安装示意图

在测量放样的基础上，找出标记好的深层水平位移监测点，使用钻孔设备按照垂直于地面的方向进行钻孔，完成钻孔后清理孔内碎石并插入略小于孔径的测斜管，起到保护探头的作用。使用电缆线将探头与数据采集仪连接起来，将探头置于测斜管内缓慢放下。就位后，启动系统运行2 h后，在系统稳定运行后开始记录数据。YLZ-332测斜仪采用太阳能板和蓄电池组合供电，保证了野外数据采集的连续性；为了节约能耗，当需要采集数据时，由计算机远程控制终端发出指令唤醒测斜仪，测量完毕后进入低功耗的休眠状态。

2.2  数据采集过程

2.2.1  监测控制

工作人员利用安装在计算机或者是移动设备上的客户端发送数据采集的请求。服务器响应该请求后，根据工作人员的预设参数定时发送监测指令。该指令首先传达到主机上，主机根据指令内容单点唤醒待机的测斜仪，开始采集数据。监测控制实现流程如图3所示。

2.2.2  数据传输

测斜仪接收到主机发送的指令后，内部的传感器启动运行并测量位移数据。利用光纤将采集到的数据再返回给主机。在数据发送出去后，传感器进入休眠状态，等待下一次指令被唤醒。主机接收数据后，将数据上传至云服务器。在云服务器内，首先从原始数据中获取设备编号，用于辨认当前数据是从哪一台传感器获得的；其次利用数学模型对原始数据进行计算、分析，最终结果在客户端上直观呈现，方便工作人员在计算机或移动设备上了解深层水平位移情况。考虑到需要传输的数据量较大，因此采用光纤通信模式，在满足即时通信需求的前提下，还能增强抗干扰能力，保证了信号强度和数据质量。数据传输流程如图4所示。

2.3  测点布设

在深层水平位移的监测中，共设置4个深孔采集数据，监测点的布设如图1所示。在各个监测点上钻孔时，要求保证钻孔垂直、孔径要超过测斜管连接套外径至少20 mm。钻孔时选择空气潜孔锤钻工艺，可以使孔壁光滑，保证成孔质量。本次深部水平位移监测中，开孔直径为130 mm，终孔直径为90 mm，采用3层结构，最下层进入基岩的长度不小于5 m，如图5所示。

图5  钻孔結构图

成孔后检查成孔质量，要求孔斜不超过2°，钻孔实际深度不超过设计深度的±30 mm；全孔下套管，可以起到支撑作用，避免在观测期间出现塌孔问题。钻孔时还可以取出岩芯并结合超声波测井了解监测区内的地质情况，为滑坡的预防和治理提供参考资料。

2.4  深层水平位移监测频率

在测斜仪埋入监测孔后的前24 h，每间隔8 h采集1次数据，之后每天采集1次数据，一周后每3天采集1次数据。通过数据分析，可以判断监测区域当前是处于“缓慢变形阶段”还是“加速变形阶段”。如果是缓慢变形，则将监测频率调整为每周1次；如果是加速变形，则将监测频率保持为3天一次或者是1天一次。

3  监测区降雨量监测

3.1  监测点的布设

监测区域属于温带大陆性季风气候，降水集中在每年的6—8月份。当出现短时强降雨时，滑坡区的土壤含水量迅速升高，土体的重力增加，稳定性变差，容易发生滑坡事故。因此，必须要在雨季做好降雨观测，以便于及时采取工程措施防止山坡滑塌事故。雨量计可以实时监测降雨量，并将其转化为数字信号输出到微控制器中。鉴于降雨具有时空分布不均的特点，在监测中统计每小时的雨量，消除短时间内雨量的分布差异。监测仪器方面，采用JD-50B翻斗式雨量计，将雨量计布置在相应的监测点上（图1）。在降雨期间，随着降水量的增多翻斗会左右翻转，每次翻转传感器都会产生一个电信号，并将该信号发送到记录器中。最后统计翻转次数即可得到累积降雨量。利用光纤将降雨量数据传送至DATA-6211型微功耗测控终端，完成数据的存储、转换后在终端显示当前雨量。为了保证雨量计的稳定性，将雨量计放在三角支架上进行固定，再将三角支架的腿部浇筑在水泥墩中，放置在监测点位上。微功耗测控终端连接蓄电池和太阳能电池板，由蓄电池为微功耗测控终端和雨量计供电，整体结构如图6所示。

3.2  监测周期

每次降雨时，启动雨量计实时采集雨量，并统计每小时的累积余量上传至测控终端。

4  孔隙水压力监测

4.1  监测点的布设

监测区所在的乡村没有系统性的排水网络，生活污水和生产污水等直接排放并渗透到地下，导致地下水位较高；在降雨后，由于山体植被较为稀疏，雨水直接冲刷坡面，土体自重增加，抗剪强度变差。在多重因素的影响下，容易出现土体失稳、山坡滑塌事故。因此，要想预防滑坡，必须要借助于仪器设备测定孔隙水压力，计算公式为

P=K×（F 2-f 2 ），

式中：P表示孔隙水压力，K表示孔隙水压力系数，F表示孔隙水压力计在压力为0时的频率，f表示孔隙水压力计在测量时的频率。根据孔隙水压力可以推算出地下水位的深度，两者之间的关系为

H=h-P/γ，

式中：H表示地下水位深度，h表示孔隙水压力计的埋设深度，γ表示水的重度。在孔隙水压力监测方面，选用了JM-300/310型孔隙水压力计，现场共布置5个监测点（图1），技术方法如下：

1）在安装孔隙水压力计前，工作人员需要将仪器前端的透水石取下，置于清水中浸泡至少1 h。在透水石浸泡期间，使用孔隙水压力计测量大气压力值和现场温度。测量完毕后，用毛刷蘸取适量的凡士林或润滑油，将其均匀涂抹到钢膜片上，然后重新安装透水石，提高仪器的密封效果和监测精度。在电缆上打印编号，并保证电缆编号和测头编号相同。

2）选用“干钻法”进行钻孔，孔径为130 mm。为防止孔壁开裂导致孔内渗水，可以在钻孔过程中向孔内加入少量的水起到润滑作用。钻孔深度超过20 cm后，开始下入套管起到护壁效果，并随着钻孔深度的增加随时下放套管。实际钻孔深度应超过测点高度20～30 cm。完成钻孔后，使用“冲洗法”清孔。将导管插入钻孔底部，使用高压水泵注入清水将孔底泥浆翻出。

3）将钢丝穿过孔隙水压力计的吊耳，避免电缆受力出现崩断的情况。将设备缓慢放入钻孔内，达到指定深度后将钢丝的另一端绑扎在地面的混凝土块上，固定孔隙水压力计，开始检测孔隙水压力。

4）测得的孔隙水压力数据通过电缆传输至地面主机上，经过数据处理后再传输至客户端，方便工作人员直观地掌握监测区内孔隙水压力的变化情况。

4.2  孔隙水压力监测频率

通常情况下，在孔隙水压力计放置后的24 h内，每间隔8 h采集1次数据，之后每天观测1次，一周后变为每周观测2次，统计数据并分析当前滑坡区属于“缓慢变形阶段”还是“快速变形阶段”。如果属于缓慢变形，则将观测频率调整为每周1次；如果属于快速变形，则将观测时间调整为每3天一次或者1天一次。

5  结束语

基于GNSS与多传感器组合技术的地质灾害监测，通过在监测区内合理布设监测点，能够实现全天候、实时性的监测，相比于传统监测方法具有不受天气影响、支持多测点同步测量、数据自动化处理等优势。在应用该监测技术时，一方面要根据现场环境和监测需要合理布设监测点，另一方面还要发挥信息技术优势提高监测数据的处理效率和分析深度，从而更加客观、全面、及时地反映监测区域滑坡体的位移情况、降水情况，指导地质灾害防控工作的开展，切实保障乡村居民的生命和财产安全。

参考文献：

[1] 陈昌兵，李宏，陈征，等.GNSS技术与多传感器融合的滑坡监测系统研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2022（6）：22-24.

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