1. 浅议三峡库区地质灾害预警工程常用监测方法及应用
王爱军1,2薛星桥1,2
(1中国地质大学（武汉），湖北武汉，430074；
2中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，071051）
【摘要】长江三峡库区地质灾害预警监测是服务于地质灾害防治、保障三峡工程建设安全的主要基础工作。开县、万州区、巫山县的38个滑坡灾害专业监测点，采用大地形变监测、深部位移钻孔倾斜仪监测、地下水动态监测、滑坡推力监测、地表裂缝相对位移监测、GPS全球卫星定位系统监测、TDR时间域反射监测和宏观监测等综合系列监测方法。每个滑坡灾害点，采用2种以上监测方法，分别监测滑坡体地表内部变形或受力变化；重要灾害点采用4～5种方法同时进行监测，以便进行对比和综合分析。对滑坡监测及监测成果统计分析，多种监测数据成果具有明显的一致性和相关性，反映了滑坡体的变形情况和特征，证实监测方法合理有效，监测成果将为地质灾害预警工程和地质灾害防治工程提供可靠依据。
【关键词】三峡库区地质灾害预警工程监测方法应用
1前言
长江三峡库区自然地质条件复杂，是地质灾害的多发区和重灾区。三峡工程的兴建和百万移民工程，在一定程度上改变了原有地质环境的平衡状态，加剧了地质灾害的发生。随着三峡工程建设的不断推进，库区地质灾害对三峡工程和库区人民生命财产安全的影响日益增加，及时有效地防治库区地质灾害已成为三峡工程建设的重要任务之一。地质灾害预警监测工作是实现地质灾害防治的主要基础工作。
三峡库区共有38个滑坡灾害专业监测点在进行专业监测工作，其中重庆市开县14个、万州区14个、巫山县10个。
2监测方法
2.1大地形变监测
采用全站仪监测。在滑坡体外选取地质条件较好、基础相对稳定的点位作为监测基准点，在滑坡体上选择有代表性的点位作为监测点，标志点全部采用混凝土强制对中监测墩。
2.2深部位移监测
采用钻孔倾斜仪进行监测。在滑坡体上选择有代表性的点位布置测斜钻孔，分别在其主滑方向和垂直主滑方向上进行正反两回次自下而上的测读，监测点间距0.5m，使用移动式“CX-01型重力加速度计式钻孔测斜仪”，监测数据稳定后自动记录，每期监测共记录4组数据。
2.3滑坡推力监测
在滑坡体上选择有代表性的点位布置钻孔，在钻孔中选择适当的深度部位，预置一系列滑坡推力传感器，用传导光纤连接至地面，每次监测采用“BHT－Ⅱ型崩塌滑坡推力监测系统”测量记录各点数据。
2.4地表裂缝相对位移监测
在裂缝的两侧适当部位安置数套裂缝计，进行原位裂缝相对位移监测。机械式监测具有干扰少、可信度高、性能稳定特点，监测记录数据可直接做出时间—位移曲线，测量结果直观性强。仪器一般量程范围在25～100mm间，读数器的分辨率为0.01mm，操作温度在－40℃～＋105℃之间。
2.5地下水动态监测
在滑坡体上选择有代表性的点位布置钻孔，对地下水水位，孔隙水压力、土体含水率、温度等参数监测，采用自动水位记录仪、孔隙水压力监测仪等仪器监测。其中孔隙水压力监测仪的孔隙水压力量程为－80kPa～200kPa，分辨率0.1kPa，精度0.5%F·S；土体含水率量程为0至饱和含水率，分辨率1%；温度量程为0～70℃，分辨率0.1℃，精度1%F·S。
2.6GPS全球卫星定位系统监测
在滑坡体外选取地质条件较好，基础相对稳定的点位，作为监测基准点；在滑坡体上选择有代表性的点位作为监测点，标志点全部采用混凝土强制对中监测墩，观测时采取多点联测。GPS监测方法，可进行全天候监测，不受通视条件限制，同时监测 X、Y、Z三维方向位移量，方便灵活，并可监测灾害体所处地带的区域地壳变形情况。采用的美国 Ashtech公司生产的UZ CGRS型GPS，最小采样间隔1s，最少跟踪和接收12颗卫星，使用Ashtech Solution 2.6软件解算，精度可达水平3mm+1ppm，垂直6mm+2ppm。
2.7时间域反射测试技术（TDR）监测
即采用电缆中的“雷达”测试技术，在电缆中发射脉冲信号，同时进行反射信号监测。在滑坡体上选择有代表性的点位布置监测钻孔，将同轴电缆埋入监测孔，地表与 TDR监测仪相连接，把测试信号与反射信号相比较，根据其异常情况判断同轴电缆的断路、短路、变形状态，推断出电缆的变形部位，进而推算滑坡体地层的变形部位和位移量。TDR监测采用了固定式预置同轴电缆，成本低，可进行自上而下的全断面连续监测，量程范围大。
2.8宏观监测
以定期巡查方法为主，对变形较大的滑坡体，据其变形特征布置一定数量的简易观测点进行定期观测，及时掌握其变形动态。
对于每个滑坡灾害点，采用2种以上监测方法，分别监测滑坡体地表变形和滑坡体内部变形或受力变化，重要灾害点采用4～5种方法同时进行监测，以便进行对比和综合分析。监测点的布置应重点突出，控制滑坡的重点部位；照顾全面，力求能反映滑坡体整体变形情况。钻孔孔口周围用混凝土浇筑，布置精确监测点位。
3监测效果分析
根据2003年7月至12月滑坡灾害专业监测数据资料，初步分析三峡库区地质灾害预警工程监测方法及应用效果。
3.1大地形变监测
大地形变监测，开展了开县大丘九社和巨坪九社滑坡、巫山县狗子包滑坡和板壁塘滑坡，共4个滑坡的监测。以下以开县大丘九社滑坡为例简述监测效果。
大丘九社滑坡位于开县镇东镇大丘九社斜坡上，滑坡平面形态近似矩形，剖面上呈凹型；分布高程205～300m，滑体长约250m、宽约300m，面积710万m2，估计厚度20m，体积约140万m3。滑坡发育于侏罗系中统沙溪庙组（J2s）紫红色泥岩及砂岩互层组成的平缓层状斜坡中，滑坡体的物质组成主要为砂岩及砂岩碎块石土，表层为松散土壤，局部出露砂岩碎块石，为崩滑堆积体滑坡。
图1开县大丘九社滑坡累计位移量曲线图
（a）X方向（b）Y方向（c）H方向 D1——监测点编号
大丘九社滑坡体上布置了3排监测点，每排3个共计9个监测点，滑坡体对面斜坡上布置了2个基准点，分别在2个基准点进行监测。监测网布置既控制了整体滑坡体又突出重点，采用前方交汇法施测。
8月5日进行了首次测量，9月21日进行D1第二次测量成果与之对比，表明变形趋势明显，滑体向 NEE向滑移。10月24日监测成果表明各监测点的变形趋于缓和。11月和12月监测成果表明各监测点无明显变化（见图1）。监测数据与宏观调查定性分析相一致。
利用全站仪进行大地形变监测，其特点为监测方便，可随时对一些危险滑坡监测，既可以在滑坡体上设置永久性监测桩，又可以设置临时性监测桩；监测精度高，测点中误差可达到3.5mm；不仅能测定相对位移，而且能监测绝对位移；在满足测量条件下可进行连续监测，监测滑坡滑移的全过程，不存在量程限制。但该仪器监测受天气因素和光线条件制约，难以在雨雾条件和夜间实施监测，且受地形和通视条件制约，施测以人工操作为主，不易实现自动化监测。
3.2深部位移钻孔倾斜仪监测
深部位移钻孔倾斜仪监测点为开县6个滑坡、16个钻孔，巫山县5个滑坡、19个钻孔，万州区8个滑坡、24个钻孔，共计19个滑坡、59个钻孔。以下以开县虎城村滑坡为例简述监测效果。
虎城村滑坡为堆积层滑坡，位于开县长沙镇虎城村斜坡。该滑坡在平面近似矩形，剖面为凹形，分布高程330～400m，纵长约300m，横宽约500m，滑体估计平均厚度12m，面积15万m2，体积180万m3。滑坡发育于侏罗系中统沙溪庙组（J2s）紫红色泥岩及泥质粉砂岩组成的水平层状岩层斜坡上，滑体上部为崩坡积紫红色碎石土层。滑坡威胁居民400余人及其财产安全。该滑坡布置了3个深部位移钻孔倾斜仪监测钻孔。
Kx-162钻孔位于滑体的中部。2004年10月，在9.5～10.5m测试深度处发生明显的位移变形，本月变形量5.56mm，变形方向247°。11月，没有增大趋势，累积形变4.58mm，略小于10月份累积变形量，变形方向253°（见图2）。
Kx-165钻孔位于滑体的下部。2004年10月，在15.0～16.5m测试深度处发生明显的位移变形（见图3），本月变形量5.45mm，变形方向241°。11月，没有明显的增大趋势，累积变形5.39mm，同10月份累积变形量相近，变形方向240°。
地质灾害调查与监测技术方法论文集
图2开县虎城村滑坡 Kx-162钻孔位移随深度变化曲线
（a）EW方向（b）SN方向
图3开县虎城村滑坡Kx-165钻孔位移随深度变化曲线
（a）EW方向（b）SN方向
深部位移钻孔倾斜仪监测方法，可在滑坡体上一定部位布置的钻孔中，监测滑坡体内垂直方向上的浅层、中层、深层、滑动带等滑移方向和相对滑动位移量；但在滑坡发生较大或急剧加速的位移变形时，由于钻孔和孔内测斜管变形、破坏，测斜仪探头不能送入钻孔之内，可能使钻孔失去监测价值。
3.3 滑坡推力监测
滑坡推力监测共设有2个测点、4个钻孔：巫山县淌里滑坡钻孔2个，曹家沱滑坡钻孔2个。以下以淌里滑坡为例简述监测方法与效果。
淌里滑坡位于巫山县曲尺乡长江干流左岸斜坡上，滑坡在平面形态上呈不规则的圈椅状，前缘分布高程90m，后缘高程400m，平均坡度约30°～40°，纵长约800m，横宽150～250m，滑体厚20m，面积24万m2，体积490万m3。滑坡发育于三叠系巴东组（T2b）灰岩、泥灰岩、泥岩中，滑体物质主要为泥灰岩及泥岩碎块石土，表层多为松散土层，下部碎块石土结构密实。
Ws-t-tzk1推力孔位于滑体的下部，Ws-t-tzk2推力孔位于滑体的中部。其滑坡推力监测成果数据见图4、图5。推力监测曲线图表明，各次监测数据规律性强，基本一致，传感器没有发现明显的数值变化。滑坡推力监测结果与宏观监测结果和同时进行的钻孔倾斜仪监测结果相一致，说明此阶段滑坡暂时处于相对稳定的微变形状态。
图4巫山县淌里滑坡 Ws-t-tzk1钻孔滑坡推力监测曲线图
图5巫山县淌里滑坡 Ws-t-tzk2钻孔滑坡推力监测曲线图
滑坡推力监测方法属于固定点式监测，在钻孔中预置传感器，用传感光纤连接，在地面用滑坡推力监测系统采集传感信息，可在滑坡体上一定部位布置的钻孔中，自上至下监测滑坡体内垂直方向上的浅层、中层、深层、滑动带等滑坡推力变化量，可定期进行数据采集监测；在对采集和传输处理系统进行改进的基础上，可实现无值守自动化连续监测。
4结论
（1）通过多手段的综合监测，掌握了被监测滑坡体的表面、内部自上至下滑移带的变形及受力情况，数据综合分析表明其反映了滑坡位移变化及动态特征，取得了进行灾害预警的重要基础数据资料，说明采用的监测方法合理有效。
（2）钻孔倾斜仪深部位移监测方法，当滑坡体发生一定量缓变位移后，部分钻孔不能再进行全孔施测，造成勘察监测资金浪费和滑坡体监测点及监测部位减少。
（3）目前一月一次的监测周期，难以保证在滑坡发生滑移险情时能进行有效监测。为此应在进行专业监测的同时，进行群测群防监测。特殊情况下，对危险滑坡灾害点，调整监测方案，进行加密监测或连续监测，使监测满足预警预报要求。
（4）从长远发展考虑，监测应以免值守、易维护、低成本、固定式、自动化快速连续采集传输和半自动化监测及人工监测相结合为方向，以建立起高效的地质灾害监测网络与地质灾害预警系统。
参考文献
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2. 深部位移
深部位移监测是在钻孔、平硐、竖井内设立监测点，其主要监测指标是深部裂缝或滑带等点与点之间的绝对位移量和相对位移量，包括张开、闭合、错动、抬升、下沉等。主要方法为钻孔测斜仪法。
深部位移监测可准确掌握正在活动的滑动面的位置、位移速率、滑带的数目及滑坡体随深度的位移情况，为滑坡的预测预报和预防治理工程设计提供第一手资料。由于滑坡在多数情况下为非整体性移动，位移首先出现在内部，逐渐向上传递至地表，因此通过深部位移监测对滑坡的稳定性评价和早期预报更具有实际意义。
地下深部位移监测技术方法主要为钻孔测斜仪法，利用钻孔倾斜仪进行监测，主要适用于崩滑体变形初期的监测，即在钻孔、竖井内测定滑体内不同深度的变形特征及滑带位置。精度高，效果好，但成本相对较高。当变形加剧或局部突发事件发生时，由于变形量大，挤压测斜管急剧变形使测头无法通过而导致监测报废。
钻孔倾斜仪按探头的安装和使用方法可分为手提式和固定式两类。
手提式钻孔测斜仪探头主要有以下几种：①惠斯登电桥摆锤式；②应变计式；③差动变压器型；④伺服加速度计型等。在滑坡监测中伺服加速度计型钻孔测斜仪应用较多。
下面简要介绍一下钻孔测斜仪的工作原理(图3-11)及数据处理方法。
图3-11 钻孔倾斜仪工作原理示意图
测头是测斜仪的核心，是测试信号的来源处，测头中采用石英挠性伺服加速度计作为传感器，当测头处于竖直状态时，传感器的敏感轴处于零位，此时的输出信号值称为零偏，一般情况下，零偏总是存在的：为了消除零偏的影响，采取正反两次测试，取其代数和，作为一个方向上的测试结果。
在实际测试时，为了适应一般的习惯，根据测头的规定，建议用户将测头高轮对准南或东，作为测试的正方向。
当测头的敏感轴与基准轴(地球的重力轴)有一个角度时，测头中的加速度计即有一个输出值，以下式表示：
U1＝A＋Kgsinθ (3-1)
式中：A—加速度计的偏值(零偏)(V)；K—加速度计的标度因数，一般为2.5V/g；g—地球重力加速度(m/s2)；θ—倾角(°)。
为了消除加速度计零偏的影响，在测试时一般都采用正反两次测试，比如在东西方向上进行测试，可以先测试东方向上的数据，记作U1式(3-1)，再进行西方向上的测试，计作U2式(3-2)
U2＝A-Kgsinθ (3-2)
将式(3-1)减去式(3-2)得到式(3-3)
U1-U2＝2Kgsinθ (3-3)
而由测量关系可知：
sinθ＝Δ1/L (3-4)
式中：L—导轮轮距，500mm；Δ1—水平位移(mm)；θ—倾角(°)。
从式(3-3)和式(3-4)可以得到：
Δ1＝(U1-U2)L/(2Kg) (3-5)
对于一个测孔，在确定的方向上，各点测试位移的总和为
Δ总＝∑Δi (3-6)
3. 变形监测的成果表达式有哪些形式
1、简述变形监测的任务和目的。(P1)
任务：确定在外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。
目的：监测变形体的安全状态，验证有关工程设计的理论或地壳运动的假说，以及建立正确预报变形的理论和方法。
2、导致地表局部变形的原因有哪些？(P3，19-20)；防止和减弱变形的措施有哪些？举2例。 原因：人类开发自然资源活动（抽取地下水、采油和采矿等）会引起局部地表变形，如在人口密集地区大量抽取地下水，造成地面沉降，地下采矿引起矿体上方岩层的移动,严重的会造成地面滑坡和塌方，危及人类生命财产安全。 措施：工程建筑物的三维变形监测 滑坡体滑动监测
地下开采引起地表沉陷监测
3、简述滑坡体滑动的主要因素。(P3，9-12)
内在因素：岩石介质的各向异性、岩石结构的高度非均匀性、地形地貌以及地应力的复杂性。 外在因素：地下水、降雨、温度等因素变化以及人类活动的影响等。 4、简述倒垂线法观测坝顶位移原理。(P11，10-15)
利用钻孔将垂线一端的链接锚块深埋到岩基中，从而提供了在基岩下一定深度的基准点，垂线另一端与一浮体箱连接，垂线在浮力作用下拉紧，始终静止于铅直的位置，形成一条铅直基准线。倒垂线的位置与工作基点相对应，利用安置在工作基点上的垂线坐标仪可测定工作基点相对于倒垂线的坐标，比较其不同观测周期的值，可求得工作基点的位移。 5、举例说明变形点的具体精度要求，举三例。(P23)
(1)对于有连续生产线的大型车间，通常要求观测工作能反映出2mm的沉陷量，因此，对于观测点高程的精度，应在1mm以内。
(2)地铁穿越隧道要控制地面沉降，可允许范围根据不同情况为5-20mm
(3)悬索桥的基础和锚碇的沉降变形只有几毫米，主梁的中跨、塔顶的位移则几厘米至几十厘米 (4)楼体最大沉降一般应小于16mm
(5)高速磁悬浮列车架空轨道挠度应小于1mm (6)滑坡变形监测的精度一般在10-50mm
(7)特种工程设备一般要求变形监测的精度高达0.1mm 6
7、建筑物变形主要包括哪些方面？P135
既包括地基沉降、回弹，也包括建筑物的裂缝、倾斜、位移及扭曲等。 8、简述砂土地基和粘土地基沉降特点。P135-136
（1）砂土地基：其沉降在施工期间已大部完成；可分4个阶段： 第1阶段是在施工期间，沉降速度较大，年沉降量达20－70mm；第2阶段，沉降速度显着减慢，年沉降量约20mm;第3阶段，为平稳下沉阶段，年沉降量约1－2mm；第4阶段，沉降曲线基本水平，即达到了沉降停止的阶段。
（2）粘土地基：沉降完成较慢，达到稳定时间较长，沉降在施工期间只完成了一部分。
9、在压缩性地基上建造建筑物时，其沉降原因有哪些因素？P136 （1）荷载影响 （2）地下水影响 （3）地震影响 （4）地下开采影响 （5）外界动力影响
（6）其它影响，如地基土的冻融、打桩、降水等。 10、建筑物变形监测内容有哪些。P137 （1）建筑物沉降监测 （2）建筑物水平位移监测 （3）建筑物倾斜位移监测 （4）建筑物裂缝监测 （5）建筑物挠度监测
11、建筑物变形监测周期一般是如何确定的？P137
（1）沉降监测周期应能反映出建筑物的沉降变形规律。如砂土层上的建筑物，沉降在施工期间已大部分完成。根据这种情况，沉降监测周期应是变化的。在施工过程中，频率应大些，一般有三天、七天、半月三种周期；到竣工使用时，频率可小些，一般有一个月、两个月、半年与一年等不同周期。
（2）在施工期间也可以按荷载增加的过程进行安排监测，即从监测点埋设稳定后进行第一次监测，当荷载增加25%时监测一次，以后每增加15%监测一次。
（3）建筑物使用阶段的观测次数，应视地基土类型和沉降速度而定。除有特殊要求外，一般情况下，可以在第1年监测4次，第2年2次，第3年后每年1次，直至稳定为止。
（4）观测期限一般不少于如下规定：砂土地基2年，膨胀土地基3年，黏土地基5年，软土地基10年。
12、建筑物是否进入稳定阶段的判别标准是什么？P137
沉降是否进入稳定阶段，应由沉降量与时间关系曲线判定。对重点监测和科研观测工程，若最后三个周期观测中，每周期沉降量不大于2倍测量中误差，可认为已经进入稳定阶段。一般观测工程若沉降速度小于0.01~0.04mm/d，可认为已经进入稳定阶段，具体取值宜根据各地区地基土的压缩性确定。当建筑物又出现变形或产生可能出现第二次沉降的原因时，应对他重新进行监测。
13、简述一般性高层建筑变形监测采用的等级及精度要求。P138
布设监测点时，应根据建筑物的大小、基础形式、结构特征及地质条件等因素确定。
（1）监测点应布置在建筑物沉降变化较显着的地方，并考虑到在施工期间和竣工后，能顺利进行监测的地方； （2）在建筑物的四周角点、中点及内部承重墙上均需埋设监测点，并应沿房屋周长每隔10~12m设置一个监测点，但工业厂房的每根柱子均应埋设监测点。
（3）由于相邻影响关系，在高层和低层建筑、新老建筑连接处，以及在相接触的两边都应布设监测点； （4）在人工加固地基与天然地基交接和基础砌深相差悬殊出以及在相接触的两边都应布设监测点；
（5）当基础形式不同时，需在情况变化处埋设监测点，地基土质不均匀，可压缩性土层的厚度变化不一等情况需适当埋设监测点；
（6）在振动中心基础上要布设监测点，对于烟囱、水塔等刚性整体基础上，应不少于3个监测点；
（7）当宽度大于15m的建筑物在设置内墙体监测标志时，应设在承重墙上，并且尽可能布置在建筑物的纵横轴线上，监测标志上方应有一定的空间，以保证测尺直立；
（8）重型设备基础的四周及邻近堆置重物之处，即有大面积堆荷的地方，也应布置监测点； （9）沉降监测点的埋设标高，一般在室外地坪+0.5m较为适宜，但在布置时应根据建筑物层高、管道标高、室内走廊、平顶标高等情况来综合考虑。同时还要注意所埋的监测点要让开柱间横隔墙、外墙上的雨水管等，以免所埋监测点无法检测而影响监测资料完整性； （10）在浇筑基础时，应根据沉降监测点的相应位置，埋设临时的基础监测点。 15、简述全站仪3维监测原理。P151-152
为了减少量测仪器高误差对成果的影响，提高高程测量精度，可采用无仪器高作业方法，其基本原理是，假设测站基准点高程为
，仪器高为，定向基准点高程为