黄土坡滑坡GNSS自动化位移监测解决方案

黄土坡滑坡东距巴东老城区2km，行政区划隶属巴东县信陵镇。黄土坡滑坡发育于三叠系中统巴东组第二段、第三段以泥岩、泥质粉砂岩、泥灰岩为主的易滑地层中，是一个多期次形成、结构复杂、由古滑坡体和崩滑堆积体组成的复合岩土混合型地质灾害体。以三道沟为界，西、东前缘分别为Ⅰ号、Ⅱ号两个临江崩滑堆积体，分布高程在250～260m以下；其上由园艺场滑坡和变电站滑坡组成，分布高程在180～600m。黄土坡滑坡区总面积1.358km2，体积6934.1×104m3（图1-1）。滑坡区建筑面积30.66×104m2，人口1.8万人。

滑坡在水库蓄水后，水下坡体可能沿崩滑堆积体与基岩接触面产生失稳破坏，直接危及巴东县城1.8万人的生命财产安全，预计可能造成的直接经济损失为11.2亿元。

黄土坡滑坡概况

2003年以前，中国地质环境监测院三峡地质灾害监测中心委托中国地质调查局保定水文方法研究所对该滑坡进行监测。受湖北省地质灾害防治中心委托，2003年3月～2005年9月，湖北省地质灾害防治工程勘查设计院承担了黄土坡滑坡监测工作。2005年9月，黄土坡滑坡临江崩滑堆积体塌岸防护及地表排水工程通过了国家级验收，监测工作进入了第三阶段（动态长期监测）。湖北省地质环境总站于2005年10月开始承担黄土坡滑坡治理工程第三阶段的监测工作。

黄土坡滑坡变形监测的目的是：通过对滑坡、塌岸变形、防治工程及环境条件全方位、多手段的系统监测，随时掌握其变形动态和变形原因，为塌岸、滑坡变形的预测与防治提供可靠的地质依据，并检验治理效果。

目前，主要监测任务是：组织实施对黄土坡滑坡防治工程的治理效果监测，按月汇总和分析监测资料，按时提交监测成果（监测月报、年报、专报等），及时预警，预防地质灾害对人民生命财产造成的危害。

黄土坡滑坡GNSS监测的总体设计

一，系统设计依据

七星耀华GNSS变形监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。本监测系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足固体建筑物管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循如下设计原则：

1，遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；

2，系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素；

3，各传感器的布置、安装要合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；

4，系统应具有可扩展性。

GNSS & CD Monitor监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表1。

二，系统硬件总体设计

系统硬件由四大部分组成：

1，传感器子系统：由布置监测点上的各类GNSS组成，主要传感器采用后安装方式；

2，数据传输子系统：GNSS天线到GNSS主机由同轴电缆通讯；GNSS主机及其它传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式；

3，数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统、数据实时自动处理与Web发布；

4，辅助支持系统：包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷和远程电源监控等。

三，系统软件组成

由CD Monitor为核心构成的变形监测网络中的每个GNSS接收机只需要输出GNSS的原始数据和星历，原始数据包含了GNSS解算所有必要的伪距和载波相位数据等，星历指GNSS卫星发播的广播星历。数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的CD Monitor软件根据每台GNSS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流，CD Monitor软件对这些原始数据进行实时差分解算，得到各个监测站的坐标，并存入数据库或发送给客户端。

利用CD Monitor软件能进行7×24小时不间断观测。而且，与传统的RTK方式相比，CD Monitor具有精度更高，实时性更强的特点。CD Monitor支持各种主流品牌的单多频GNSS接收机混合监控。CD Monitor采用了C/S架构，用户可以进行远程监控。

具体的CD Monitor实时差分变形监测软件的工作流程可用下图表示：

如图所示，CD Monitor变形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。

采用C/S架构的CD Monitor软件方便用户在办公室、监控中心、家中监测系统的健康状况。CD Monitor实时差分变形监控软件支持英文和中文。CD Monitor的开发工具为VC++ 6.0。

四，黄土坡滑坡GNSS自动化监测预警系统组成

数据处理中心建设在大坝控制中心，办公室有总控计算机、数据处理工作站、打印机等硬件设备，而在总控计算机上安装司南CD Monitor软件［ CD Monitor软件由数据管理模块、原始数据处理、数据分析、数据库信息管理四个模块组成。］。

本监测区在监测区附件周边地质条件好处建立1个基准点，在滑坡区建立9个GNSS监测点，在每个监测点（包括参考站）设置结构牢固的观测墩，观测墩上有强制对中器，固定安装GNSS接收机，将接收机天线用强制对中基座对中固定安装在观测墩上。

控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以及终端服务。结合CD Monitor软件和其他专业的数据处理软件，实时对数据分析和图形处理。如下图，为系统结构拓扑图。

GNSS自动化监测系统实施主要包括以下几个方面：

参考站及监测站选址、参考站及监测站观测墩的建设、通讯电缆的铺设、设备的供电、设备避雷、数据通讯、控制中心的建设；

五，黄土坡滑坡GNSS自动化监测预警系统技术的先进性

1，采用我国多系统多频点进行定位，进一步保障和提高了整个系统监测的安全性和稳定性，而且更适合山谷中的滑坡监测。

1）可认为选择接收机所跟踪的同步卫星作为参考卫星，从而降低了软件解算时更换参考卫星带来的误差；

2）增多了可跟踪卫星数，弥补了高轨道卫星数据少的问题，增加多余观测，从而较大程度的提高监测解算精度；

3）增多了可跟踪卫星数，使卫星分布更合理，降低了DOP值，提高了监测解算精度，特别是所能跟踪卫星少时显得更为重要。

4）增多了可跟踪卫星数，使得在山区、大桥等高遮挡区域长时间、稳定、可靠的采用GNSS监测成为可能。

2，GNSS接收机及其配套设备，要求包括从数据采集、集中传输、解算处理、显示和记录及避雷和防盗等安全保护设施的全部设备，实现将监控数据传输到监控中心并显示；

3，监测系统无人值守，有人照看、自动运行，年运行可靠率99%以上，系统可满足7×24小时长时间可靠运行，连续无故障运行时间超过10万小时。在没有太阳的情况下，监测系统设备可依靠备用电源连续工作7天以上；

4，GNSS硬件具有良好的物理性能和工作性能，适合长时间连续工作，GNSS接收机天线为大地测量型天线；

5，本系统可采用无线网桥通讯，数据传输到控制中心准实时处理；

6，准实时显示和分析形变量，可间断性评估滑坡体的健康状况；

7，数据实时输出；

8，控制中心软件自动解算，最短反应时间可为几分钟到几小时，并实时进行网平差，自动评估监测结果，而且各参数完全由用户根据不同监测需求自行设置。

9，设定日常信道报警系统，Web发布以及可通过短消息或E-MAIL方式报警，无论您在何时何地都可以掌握滑坡体的动态；

10，通过实时监测滑坡点的空间位移，确定滑坡区的变形状况、几何线形等；

11，提供高质量的双星四频GNSS测量数据，实时获得毫米级精度的位置数据，精度为水平：小于±2.5mm+1ppm ，垂直：小于±5mm+1ppm；自动生成报表，形成报表的周期用户可自行设计，比如一周、一天等，一些必要的输出信息用户也可以自动添加或删除，同时根据需要可自动生成各点的周变化曲线、月变化曲线等。

六，黄土坡滑坡GNSS监测点的布置

黄土坡滑坡GNSS自动化监测预警系统的监测单元包括参考站和监测站，各站点的具体布置方式根据以下要求：

1，GNSS参考站

1）GNSS参考站选址

GNSS参考站选址要求应满足以下要求：

覆盖并均匀分布整个监测区域，并兼顾参考点距离监测点最近的原则；场地稳固，年平均下沉和位移小于2mm；视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°；远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m；尽量靠近数据传输网络；观测墩的高度不低于2米；观测标志应远离震动源。

针对黄土坡滑坡项目，考虑到项目部距离监测区距离比较近，同时为了控制中心便于管理和维护，我们将GNSS参考站和控制中心建设在项目部的固定基岩上。

2）仪器设备的选择

根据本项目的实际情况并参照《全球定位导航系统连续运行参考站网建设规范》，本GNSS自动化监测系统选用七星耀华M900多系统多频点接收机，与AT360全系统全频点天线，它是分体式设计。

2，GNSS监测站

针对黄土坡滑坡滑坡体的具体情况，在边坡存在安全隐患的几个方位分别布置几条监测断面，然后各条断面上根据实际情况设置监测点。在各监测点上安置接收机，各接收机观测的数据无线的方式实时传输到控制中心，控制中心软件准实时解算出各监测点的三维坐标并保存到数据库，最终通过数据分析软件自动分析各监测点的变化量、变化趋势，并结合其它监测设备对排土场整体的稳定性进行分析。

黄土坡滑坡滑坡体GNSS监测站和参考站一样，也包括监测站选址、监测站基建、仪器设备的选择及设备安装四个部分：

1）监测站站址选择

根据各滑坡体监测区域的实际情况，如地质条件等及参照《GNSS测量规范》，具体布置如上图。

2）监测站观测墩基建

根据黄土坡滑坡滑坡体监测区域的实际情况及监测点所监测的内容，本GNSS自动化监测系统监测站多为普通土层观测墩或者基岩观测墩，为了安全期间，各观测墩建设为1.8米以上为宜。

3）仪器设备的选择

根据本项目的实际情况及所要达到的技术指标，并参照《全球定位导航系统测量规范》，本GNSS自动化监测系统选用A300多系统多频点GNSS监测专用接收机。

七，边坡自动化监测的优点

自动化监测系统允许以任意间隔采样-----典型间隔可以是按分钟、小时或者按天。测试精度得以提高，数据可以远程处理，从而向项目组提供有用信息。当然，还有其它益处包括：

1）避免人工读数和记录引起的人为误差。

2）可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。

3）每天可进行24小时连续监测。

4）连续监测能快速检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。

5）自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在超出预定极限值时自动报警。

很多工程师认为自动化监测是“黑箱”，可见的查验以及宝贵的经验都被冷冰冰的电路板和继电器将所存在的问题通过警报而取代了。事实上，自动化连续监测所获得的数据能向工程师提供被监测结构很多肉眼不易察觉的新的特征信息。它们拓展了工程师的视野，对结构响应有深入的理解。不仅如此，应用自动化监测系统，结合先进分析工具，工程师能享受到这些廉价的新技术优势，而不用牺牲滑坡区的安全。

责任编辑：tzh