1. 淺議三峽庫區地質災害預警工程常用監測方法及應用
王愛軍1,2薛星橋1,2
(1中國地質大學（武漢），湖北武漢，430074；
2中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051）
【摘要】長江三峽庫區地質災害預警監測是服務於地質災害防治、保障三峽工程建設安全的主要基礎工作。開縣、萬州區、巫山縣的38個滑坡災害專業監測點，採用大地形變監測、深部位移鑽孔傾斜儀監測、地下水動態監測、滑坡推力監測、地表裂縫相對位移監測、GPS全球衛星定位系統監測、TDR時間域反射監測和宏觀監測等綜合系列監測方法。每個滑坡災害點，採用2種以上監測方法，分別監測滑坡體地表內部變形或受力變化；重要災害點採用4～5種方法同時進行監測，以便進行對比和綜合分析。對滑坡監測及監測成果統計分析，多種監測數據成果具有明顯的一致性和相關性，反映了滑坡體的變形情況和特徵，證實監測方法合理有效，監測成果將為地質災害預警工程和地質災害防治工程提供可靠依據。
【關鍵詞】三峽庫區地質災害預警工程監測方法應用
1前言
長江三峽庫區自然地質條件復雜，是地質災害的多發區和重災區。三峽工程的興建和百萬移民工程，在一定程度上改變了原有地質環境的平衡狀態，加劇了地質災害的發生。隨著三峽工程建設的不斷推進，庫區地質災害對三峽工程和庫區人民生命財產安全的影響日益增加，及時有效地防治庫區地質災害已成為三峽工程建設的重要任務之一。地質災害預警監測工作是實現地質災害防治的主要基礎工作。
三峽庫區共有38個滑坡災害專業監測點在進行專業監測工作，其中重慶市開縣14個、萬州區14個、巫山縣10個。
2監測方法
2.1大地形變監測
採用全站儀監測。在滑坡體外選取地質條件較好、基礎相對穩定的點位作為監測基準點，在滑坡體上選擇有代表性的點位作為監測點，標志點全部採用混凝土強制對中監測墩。
2.2深部位移監測
採用鑽孔傾斜儀進行監測。在滑坡體上選擇有代表性的點位布置測斜鑽孔，分別在其主滑方向和垂直主滑方向上進行正反兩回次自下而上的測讀，監測點間距0.5m，使用移動式「CX-01型重力加速度計式鑽孔測斜儀」，監測數據穩定後自動記錄，每期監測共記錄4組數據。
2.3滑坡推力監測
在滑坡體上選擇有代表性的點位布置鑽孔，在鑽孔中選擇適當的深度部位，預置一系列滑坡推力感測器，用傳導光纖連接至地面，每次監測採用「BHT－Ⅱ型崩塌滑坡推力監測系統」測量記錄各點數據。
2.4地表裂縫相對位移監測
在裂縫的兩側適當部位安置數套裂縫計，進行原位裂縫相對位移監測。機械式監測具有干擾少、可信度高、性能穩定特點，監測記錄數據可直接做出時間—位移曲線，測量結果直觀性強。儀器一般量程范圍在25～100mm間，讀數器的解析度為0.01mm，操作溫度在－40℃～＋105℃之間。
2.5地下水動態監測
在滑坡體上選擇有代表性的點位布置鑽孔，對地下水水位，孔隙水壓力、土體含水率、溫度等參數監測，採用自動水位記錄儀、孔隙水壓力監測儀等儀器監測。其中孔隙水壓力監測儀的孔隙水壓力量程為－80kPa～200kPa，解析度0.1kPa，精度0.5%F·S；土體含水率量程為0至飽和含水率，解析度1%；溫度量程為0～70℃，解析度0.1℃，精度1%F·S。
2.6GPS全球衛星定位系統監測
在滑坡體外選取地質條件較好，基礎相對穩定的點位，作為監測基準點；在滑坡體上選擇有代表性的點位作為監測點，標志點全部採用混凝土強制對中監測墩，觀測時採取多點聯測。GPS監測方法，可進行全天候監測，不受通視條件限制，同時監測 X、Y、Z三維方向位移量，方便靈活，並可監測災害體所處地帶的區域地殼變形情況。採用的美國 Ashtech公司生產的UZ CGRS型GPS，最小采樣間隔1s，最少跟蹤和接收12顆衛星，使用Ashtech Solution 2.6軟體解算，精度可達水平3mm+1ppm，垂直6mm+2ppm。
2.7時間域反射測試技術（TDR）監測
即採用電纜中的「雷達」測試技術，在電纜中發射脈沖信號，同時進行反射信號監測。在滑坡體上選擇有代表性的點位布置監測鑽孔，將同軸電纜埋入監測孔，地表與 TDR監測儀相連接，把測試信號與反射信號相比較，根據其異常情況判斷同軸電纜的斷路、短路、變形狀態，推斷出電纜的變形部位，進而推算滑坡體地層的變形部位和位移量。TDR監測採用了固定式預置同軸電纜，成本低，可進行自上而下的全斷面連續監測，量程范圍大。
2.8宏觀監測
以定期巡查方法為主，對變形較大的滑坡體，據其變形特徵布置一定數量的簡易觀測點進行定期觀測，及時掌握其變形動態。
對於每個滑坡災害點，採用2種以上監測方法，分別監測滑坡體地表變形和滑坡體內部變形或受力變化，重要災害點採用4～5種方法同時進行監測，以便進行對比和綜合分析。監測點的布置應重點突出，控制滑坡的重點部位；照顧全面，力求能反映滑坡體整體變形情況。鑽孔孔口周圍用混凝土澆築，布置精確監測點位。
3監測效果分析
根據2003年7月至12月滑坡災害專業監測數據資料，初步分析三峽庫區地質災害預警工程監測方法及應用效果。
3.1大地形變監測
大地形變監測，開展了開縣大丘九社和巨坪九社滑坡、巫山縣狗子包滑坡和板壁塘滑坡，共4個滑坡的監測。以下以開縣大丘九社滑坡為例簡述監測效果。
大丘九社滑坡位於開縣鎮東鎮大丘九社斜坡上，滑坡平面形態近似矩形，剖面上呈凹型；分布高程205～300m，滑體長約250m、寬約300m，面積710萬m2，估計厚度20m，體積約140萬m3。滑坡發育於侏羅系中統沙溪廟組（J2s）紫紅色泥岩及砂岩互層組成的平緩層狀斜坡中，滑坡體的物質組成主要為砂岩及砂岩碎塊石土，表層為鬆散土壤，局部出露砂岩碎塊石，為崩滑堆積體滑坡。
圖1開縣大丘九社滑坡累計位移量曲線圖
（a）X方向（b）Y方向（c）H方向 D1——監測點編號
大丘九社滑坡體上布置了3排監測點，每排3個共計9個監測點，滑坡體對面斜坡上布置了2個基準點，分別在2個基準點進行監測。監測網布置既控制了整體滑坡體又突出重點，採用前方交匯法施測。
8月5日進行了首次測量，9月21日進行D1第二次測量成果與之對比，表明變形趨勢明顯，滑體向 NEE向滑移。10月24日監測成果表明各監測點的變形趨於緩和。11月和12月監測成果表明各監測點無明顯變化（見圖1）。監測數據與宏觀調查定性分析相一致。
利用全站儀進行大地形變監測，其特點為監測方便，可隨時對一些危險滑坡監測，既可以在滑坡體上設置永久性監測樁，又可以設置臨時性監測樁；監測精度高，測點中誤差可達到3.5mm；不僅能測定相對位移，而且能監測絕對位移；在滿足測量條件下可進行連續監測，監測滑坡滑移的全過程，不存在量程限制。但該儀器監測受天氣因素和光線條件制約，難以在雨霧條件和夜間實施監測，且受地形和通視條件制約，施測以人工操作為主，不易實現自動化監測。
3.2深部位移鑽孔傾斜儀監測
深部位移鑽孔傾斜儀監測點為開縣6個滑坡、16個鑽孔，巫山縣5個滑坡、19個鑽孔，萬州區8個滑坡、24個鑽孔，共計19個滑坡、59個鑽孔。以下以開縣虎城村滑坡為例簡述監測效果。
虎城村滑坡為堆積層滑坡，位於開縣長沙鎮虎城村斜坡。該滑坡在平面近似矩形，剖面為凹形，分布高程330～400m，縱長約300m，橫寬約500m，滑體估計平均厚度12m，面積15萬m2，體積180萬m3。滑坡發育於侏羅系中統沙溪廟組（J2s）紫紅色泥岩及泥質粉砂岩組成的水平層狀岩層斜坡上，滑體上部為崩坡積紫紅色碎石土層。滑坡威脅居民400餘人及其財產安全。該滑坡布置了3個深部位移鑽孔傾斜儀監測鑽孔。
Kx-162鑽孔位於滑體的中部。2004年10月，在9.5～10.5m測試深度處發生明顯的位移變形，本月變形量5.56mm，變形方向247°。11月，沒有增大趨勢，累積形變4.58mm，略小於10月份累積變形量，變形方向253°（見圖2）。
Kx-165鑽孔位於滑體的下部。2004年10月，在15.0～16.5m測試深度處發生明顯的位移變形（見圖3），本月變形量5.45mm，變形方向241°。11月，沒有明顯的增大趨勢，累積變形5.39mm，同10月份累積變形量相近，變形方向240°。
地質災害調查與監測技術方法論文集
圖2開縣虎城村滑坡 Kx-162鑽孔位移隨深度變化曲線
（a）EW方向（b）SN方向
圖3開縣虎城村滑坡Kx-165鑽孔位移隨深度變化曲線
（a）EW方向（b）SN方向
深部位移鑽孔傾斜儀監測方法，可在滑坡體上一定部位布置的鑽孔中，監測滑坡體內垂直方向上的淺層、中層、深層、滑動帶等滑移方向和相對滑動位移量；但在滑坡發生較大或急劇加速的位移變形時，由於鑽孔和孔內測斜管變形、破壞，測斜儀探頭不能送入鑽孔之內，可能使鑽孔失去監測價值。
3.3 滑坡推力監測
滑坡推力監測共設有2個測點、4個鑽孔：巫山縣淌里滑坡鑽孔2個，曹家沱滑坡鑽孔2個。以下以淌里滑坡為例簡述監測方法與效果。
淌里滑坡位於巫山縣曲尺鄉長江幹流左岸斜坡上，滑坡在平面形態上呈不規則的圈椅狀，前緣分布高程90m，後緣高程400m，平均坡度約30°～40°，縱長約800m，橫寬150～250m，滑體厚20m，面積24萬m2，體積490萬m3。滑坡發育於三疊系巴東組（T2b）灰岩、泥灰岩、泥岩中，滑體物質主要為泥灰岩及泥岩碎塊石土，表層多為鬆散土層，下部碎塊石土結構密實。
Ws-t-tzk1推力孔位於滑體的下部，Ws-t-tzk2推力孔位於滑體的中部。其滑坡推力監測成果數據見圖4、圖5。推力監測曲線圖表明，各次監測數據規律性強，基本一致，感測器沒有發現明顯的數值變化。滑坡推力監測結果與宏觀監測結果和同時進行的鑽孔傾斜儀監測結果相一致，說明此階段滑坡暫時處於相對穩定的微變形狀態。
圖4巫山縣淌里滑坡 Ws-t-tzk1鑽孔滑坡推力監測曲線圖
圖5巫山縣淌里滑坡 Ws-t-tzk2鑽孔滑坡推力監測曲線圖
滑坡推力監測方法屬於固定點式監測，在鑽孔中預置感測器，用感測光纖連接，在地面用滑坡推力監測系統採集感測信息，可在滑坡體上一定部位布置的鑽孔中，自上至下監測滑坡體內垂直方向上的淺層、中層、深層、滑動帶等滑坡推力變化量，可定期進行數據採集監測；在對採集和傳輸處理系統進行改進的基礎上，可實現無值守自動化連續監測。
4結論
（1）通過多手段的綜合監測，掌握了被監測滑坡體的表面、內部自上至下滑移帶的變形及受力情況，數據綜合分析表明其反映了滑坡位移變化及動態特徵，取得了進行災害預警的重要基礎數據資料，說明採用的監測方法合理有效。
（2）鑽孔傾斜儀深部位移監測方法，當滑坡體發生一定量緩變位移後，部分鑽孔不能再進行全孔施測，造成勘察監測資金浪費和滑坡體監測點及監測部位減少。
（3）目前一月一次的監測周期，難以保證在滑坡發生滑移險情時能進行有效監測。為此應在進行專業監測的同時，進行群測群防監測。特殊情況下，對危險滑坡災害點，調整監測方案，進行加密監測或連續監測，使監測滿足預警預報要求。
（4）從長遠發展考慮，監測應以免值守、易維護、低成本、固定式、自動化快速連續採集傳輸和半自動化監測及人工監測相結合為方向，以建立起高效的地質災害監測網路與地質災害預警系統。
參考文獻
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2. 深部位移
深部位移監測是在鑽孔、平硐、豎井內設立監測點，其主要監測指標是深部裂縫或滑帶等點與點之間的絕對位移量和相對位移量，包括張開、閉合、錯動、抬升、下沉等。主要方法為鑽孔測斜儀法。
深部位移監測可准確掌握正在活動的滑動面的位置、位移速率、滑帶的數目及滑坡體隨深度的位移情況，為滑坡的預測預報和預防治理工程設計提供第一手資料。由於滑坡在多數情況下為非整體性移動，位移首先出現在內部，逐漸向上傳遞至地表，因此通過深部位移監測對滑坡的穩定性評價和早期預報更具有實際意義。
地下深部位移監測技術方法主要為鑽孔測斜儀法，利用鑽孔傾斜儀進行監測，主要適用於崩滑體變形初期的監測，即在鑽孔、豎井內測定滑體內不同深度的變形特徵及滑帶位置。精度高，效果好，但成本相對較高。當變形加劇或局部突發事件發生時，由於變形量大，擠壓測斜管急劇變形使測頭無法通過而導致監測報廢。
鑽孔傾斜儀按探頭的安裝和使用方法可分為手提式和固定式兩類。
手提式鑽孔測斜儀探頭主要有以下幾種：①惠斯登電橋擺錘式；②應變計式；③差動變壓器型；④伺服加速度計型等。在滑坡監測中伺服加速度計型鑽孔測斜儀應用較多。
下面簡要介紹一下鑽孔測斜儀的工作原理(圖3-11)及數據處理方法。
圖3-11 鑽孔傾斜儀工作原理示意圖
測頭是測斜儀的核心，是測試信號的來源處，測頭中採用石英撓性伺服加速度計作為感測器，當測頭處於豎直狀態時，感測器的敏感軸處於零位，此時的輸出信號值稱為零偏，一般情況下，零偏總是存在的：為了消除零偏的影響，採取正反兩次測試，取其代數和，作為一個方向上的測試結果。
在實際測試時，為了適應一般的習慣，根據測頭的規定，建議用戶將測頭高輪對准南或東，作為測試的正方向。
當測頭的敏感軸與基準軸(地球的重力軸)有一個角度時，測頭中的加速度計即有一個輸出值，以下式表示：
U1＝A＋Kgsinθ (3-1)
式中：A—加速度計的偏值(零偏)(V)；K—加速度計的標度因數，一般為2.5V/g；g—地球重力加速度(m/s2)；θ—傾角(°)。
為了消除加速度計零偏的影響，在測試時一般都採用正反兩次測試，比如在東西方向上進行測試，可以先測試東方向上的數據，記作U1式(3-1)，再進行西方向上的測試，計作U2式(3-2)
U2＝A-Kgsinθ (3-2)
將式(3-1)減去式(3-2)得到式(3-3)
U1-U2＝2Kgsinθ (3-3)
而由測量關系可知：
sinθ＝Δ1/L (3-4)
式中：L—導輪輪距，500mm；Δ1—水平位移(mm)；θ—傾角(°)。
從式(3-3)和式(3-4)可以得到：
Δ1＝(U1-U2)L/(2Kg) (3-5)
對於一個測孔，在確定的方向上，各點測試位移的總和為
Δ總＝∑Δi (3-6)
3. 變形監測的成果表達式有哪些形式
1、簡述變形監測的任務和目的。(P1)
任務：確定在外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態和時間特徵。
目的：監測變形體的安全狀態，驗證有關工程設計的理論或地殼運動的假說，以及建立正確預報變形的理論和方法。
2、導致地表局部變形的原因有哪些？(P3，19-20)；防止和減弱變形的措施有哪些？舉2例。 原因：人類開發自然資源活動（抽取地下水、採油和采礦等）會引起局部地表變形，如在人口密集地區大量抽取地下水，造成地面沉降，地下采礦引起礦體上方岩層的移動,嚴重的會造成地面滑坡和塌方，危及人類生命財產安全。 措施：工程建築物的三維變形監測 滑坡體滑動監測
地下開采引起地表沉陷監測
3、簡述滑坡體滑動的主要因素。(P3，9-12)
內在因素：岩石介質的各向異性、岩石結構的高度非均勻性、地形地貌以及地應力的復雜性。 外在因素：地下水、降雨、溫度等因素變化以及人類活動的影響等。 4、簡述倒垂線法觀測壩頂位移原理。(P11，10-15)
利用鑽孔將垂線一端的鏈接錨塊深埋到岩基中，從而提供了在基岩下一定深度的基準點，垂線另一端與一浮體箱連接，垂線在浮力作用下拉緊，始終靜止於鉛直的位置，形成一條鉛直基準線。倒垂線的位置與工作基點相對應，利用安置在工作基點上的垂線坐標儀可測定工作基點相對於倒垂線的坐標，比較其不同觀測周期的值，可求得工作基點的位移。 5、舉例說明變形點的具體精度要求，舉三例。(P23)
(1)對於有連續生產線的大型車間，通常要求觀測工作能反映出2mm的沉陷量，因此，對於觀測點高程的精度，應在1mm以內。
(2)地鐵穿越隧道要控制地面沉降，可允許范圍根據不同情況為5-20mm
(3)懸索橋的基礎和錨碇的沉降變形只有幾毫米，主梁的中跨、塔頂的位移則幾厘米至幾十厘米 (4)樓體最大沉降一般應小於16mm
(5)高速磁懸浮列車架空軌道撓度應小於1mm (6)滑坡變形監測的精度一般在10-50mm
(7)特種工程設備一般要求變形監測的精度高達0.1mm 6
7、建築物變形主要包括哪些方面？P135
既包括地基沉降、回彈，也包括建築物的裂縫、傾斜、位移及扭曲等。 8、簡述砂土地基和粘土地基沉降特點。P135-136
（1）砂土地基：其沉降在施工期間已大部完成；可分4個階段： 第1階段是在施工期間，沉降速度較大，年沉降量達20－70mm；第2階段，沉降速度顯著減慢，年沉降量約20mm;第3階段，為平穩下沉階段，年沉降量約1－2mm；第4階段，沉降曲線基本水平，即達到了沉降停止的階段。
（2）粘土地基：沉降完成較慢，達到穩定時間較長，沉降在施工期間只完成了一部分。
9、在壓縮性地基上建造建築物時，其沉降原因有哪些因素？P136 （1）荷載影響 （2）地下水影響 （3）地震影響 （4）地下開采影響 （5）外界動力影響
（6）其它影響，如地基土的凍融、打樁、降水等。 10、建築物變形監測內容有哪些。P137 （1）建築物沉降監測 （2）建築物水平位移監測 （3）建築物傾斜位移監測 （4）建築物裂縫監測 （5）建築物撓度監測
11、建築物變形監測周期一般是如何確定的？P137
（1）沉降監測周期應能反映出建築物的沉降變形規律。如砂土層上的建築物，沉降在施工期間已大部分完成。根據這種情況，沉降監測周期應是變化的。在施工過程中，頻率應大些，一般有三天、七天、半月三種周期；到竣工使用時，頻率可小些，一般有一個月、兩個月、半年與一年等不同周期。
（2）在施工期間也可以按荷載增加的過程進行安排監測，即從監測點埋設穩定後進行第一次監測，當荷載增加25%時監測一次，以後每增加15%監測一次。
（3）建築物使用階段的觀測次數，應視地基土類型和沉降速度而定。除有特殊要求外，一般情況下，可以在第1年監測4次，第2年2次，第3年後每年1次，直至穩定為止。
（4）觀測期限一般不少於如下規定：砂土地基2年，膨脹土地基3年，黏土地基5年，軟土地基10年。
12、建築物是否進入穩定階段的判別標準是什麼？P137
沉降是否進入穩定階段，應由沉降量與時間關系曲線判定。對重點監測和科研觀測工程，若最後三個周期觀測中，每周期沉降量不大於2倍測量中誤差，可認為已經進入穩定階段。一般觀測工程若沉降速度小於0.01~0.04mm/d，可認為已經進入穩定階段，具體取值宜根據各地區地基土的壓縮性確定。當建築物又出現變形或產生可能出現第二次沉降的原因時，應對他重新進行監測。
13、簡述一般性高層建築變形監測採用的等級及精度要求。P138
布設監測點時，應根據建築物的大小、基礎形式、結構特徵及地質條件等因素確定。
（1）監測點應布置在建築物沉降變化較顯著的地方，並考慮到在施工期間和竣工後，能順利進行監測的地方； （2）在建築物的四周角點、中點及內部承重牆上均需埋設監測點，並應沿房屋周長每隔10~12m設置一個監測點，但工業廠房的每根柱子均應埋設監測點。
（3）由於相鄰影響關系，在高層和低層建築、新老建築連接處，以及在相接觸的兩邊都應布設監測點； （4）在人工加固地基與天然地基交接和基礎砌深相差懸殊出以及在相接觸的兩邊都應布設監測點；
（5）當基礎形式不同時，需在情況變化處埋設監測點，地基土質不均勻，可壓縮性土層的厚度變化不一等情況需適當埋設監測點；
（6）在振動中心基礎上要布設監測點，對於煙囪、水塔等剛性整體基礎上，應不少於3個監測點；
（7）當寬度大於15m的建築物在設置內牆體監測標志時，應設在承重牆上，並且盡可能布置在建築物的縱橫軸線上，監測標志上方應有一定的空間，以保證測尺直立；
（8）重型設備基礎的四周及鄰近堆置重物之處，即有大面積堆荷的地方，也應布置監測點； （9）沉降監測點的埋設標高，一般在室外地坪+0.5m較為適宜，但在布置時應根據建築物層高、管道標高、室內走廊、平頂標高等情況來綜合考慮。同時還要注意所埋的監測點要讓開柱間橫隔牆、外牆上的雨水管等，以免所埋監測點無法檢測而影響監測資料完整性； （10）在澆築基礎時，應根據沉降監測點的相應位置，埋設臨時的基礎監測點。 15、簡述全站儀3維監測原理。P151-152
為了減少量測儀器高誤差對成果的影響，提高高程測量精度，可採用無儀器高作業方法，其基本原理是，假設測站基準點高程為
，儀器高為，定向基準點高程為