地灾监测预警系统.docx
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地灾监测预警系统
华测地质灾害监测系统
上海华测导航技术有限公司
2013年7月
第一章地灾监测技术指标
2.1监测的内容和任务
1）针对不同地质灾害点具体特征、影响因素，建立较完整的监测剖面和监测网，使之成为系统化、立体化的监测系统；
2）及时快速的对不同地质灾害点的现状做出评价，并进行预测预报，将可能发生的危害降到最低限度；
3）能够为各个滑坡体建立起地表位移变化、内部位移变化和水位变化的系统监测网络，建立管理平台，各级地质环境监测主管部门都能实时的了解滑坡体的安全状况，以便及时采用相应的管理措施。
4）监测滑坡体地表形变区的位移变化动态，内部位移变化的动态和滑坡体内部水位变化动态对其发展趋势做出预测预报；
5）对比评价不同条件下的监测数据，进一步预测地表形变区域变形的趋势，指导场地规划建设。
6）及时反应出地表形变区的安全情况，为地质环境监测主管部门提供可靠的依据。
2.2监测设计的原则、依据和技术指标
本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，满足位移监测的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循以下设计原则和依据。
1）监测设计原则
（1）科学合理性原则
⏹监控对象的选取有科学和法律依据，尤其符合相关安全规程和规定，是必要的；
⏹监控手段的选取有高科技含量，是先进的；
⏹监控效果准确有效。
（2）经济实用性原则
⏹凡是需要较大投入的监控项目都是需要经常使用的；
⏹凡是原系统已具备的功能或结构装置，只要准确有效，都采用系统整合的方法加以利用，相互配合；
⏹所有涉及的技术手段，在保证长期可靠有效的前提下，采用最经济的方案；
⏹所有的操作功能都采用最简洁的使用方法、做到直观方便、性能稳定以及维护简单。
（3）系统可扩展性原则
⏹在监控方案要求改变时，本次投入的软硬件设备能够继续使用，最大限度减少重复投入；
⏹系统接口开放性：
系统输出的数据信息采用国际或国内通用的标准格式，便于系统功能扩充和监测成果的开发利用；
⏹系统软件系统支持其它监测设备数据分析、支持人工巡检记录等。
2.3监测依据
本系统建设方案设计严格遵循以下相关规范：
表2-1系统依据的规范
名称
编号
批准单位
年份
沉降监测安全技术规程
AQ2006-2005
国土资源部
全球定位系统测量规范
CH2001
国家测绘局
全球定位系统城市测量技术规程
CJJ73-97
中国建设部
1997
精密工程测量规范
GB/T15314-94
国家技术监督局
1994-12-22
建筑变形测量规程
JGJ/T8-97
国家一、二等水准测量规范
GBl2897--91
国家三、四等水准测量规范
GB12898-91
工程测量规范
GB50026-93
UNAVCO基准站建立规范
国际UNAVCO组织
IGS基准站建立规范
国际IGS委员会
混凝土结构设计规范
GBJ10—89
建设部
建筑物防雷设计规范
GB50057－ 94
2.4系统技术指标
1）各监测点的响应时间一般为4小时一次，最快可为几分钟一次，系统可根据需要进行设置；
2）各监测子系统的监测精度达到国内先进水平：
表面位移监测水平3-5mm，内部位移监测精度1.5″（量程不同，精度不同）等。
3）系统完全是自动运行，如数据自动传输、数据自动处理及表面采用GPS监测时的自动网平差、数据自动分析、自动报警及自动生成报表等，系统管理员可对系统进行远程控制、参数设置等操作；
4）用户可根据各监测点位置的地质情况分别设置预警值，如果某监测点监测结果超过预警值，系统则通过短消息、声光或者E-mail的方式自动报警给相关人员；
5）数据分析软件可自动分析各监测点的实时与历史三维变化情况、各监测点沉降速率实时与历史变化情况，通过各个监测点反映出整个滑坡体的形变动态；
第二章滑坡立体监测设计
2.1设计方案
地质灾害监测系统设计由清华同方股份有限公司设计，设计参考了当前所有新技术新方法，并积极引入新的科技手段，为滑坡体的可靠监测和治理提供了立体、科学的指导方向。
此次拟监测的方案如下：
1）滑坡体表面位移监测；（GPS监测系统）
2）滑坡体表面裂缝监测（裂缝计）
3）滑坡体内部位移监测（固定测斜仪）
4）滑坡体内部水位监测（孔空隙水渗压监测）
5）滑坡体内部土压力监测（土压力计）
6）组合气象站（雨量计、风速计、气压、风向、湿度、温度传感器）
7）土壤温湿度监测（土壤温湿度传感器）
2.2滑坡体监测拓扑图
图3-1滑坡体监测拓扑图
滑坡体监测系统主要由：
滑坡体野外传感器采集系统、数据通讯系统和监控预警系统三大部分组成。
1）野外传感器部分：
（1）表面位移监测
a）采用高精度GPS定位设备
b）滑坡体表面裂缝监测，采用拉线式位移计
（2）滑坡体内部监测：
a）采用固定测斜仪进行滑坡体内部位移监测
b）采用孔隙水压力计进行滑坡体地下水位监测
c）采用土压力计进行内部土压力监测，
（4）一体化气象站（雨量计、风速计、气压、温度、风向、湿度传感器）
（5）采用土壤温湿度传感器监测滑坡体的温度和湿度。
2）数据传输部分：
由于滑坡体所处的位置，移动和联通的手机信号都比较好，考虑到通讯实时稳定性、建设成本本次滑坡采用3G进行通讯。
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、服务器系统及软件系统组成；
4）辅助支持系统：
包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷等子系统。
2.3现场监测各子系统
2.3.1高精度GPS自动化监测
2.3.1.1GPS自动化监测系统的工作原理
全球定位系统（globalpositioningsystem，缩写为GPS），是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的新一代卫星导航系统。
GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机3部分组成。
经过20多年的研究和试验，整个系统于1994年完全投入使用。
在地球上任何位置、任何时刻GPS可为各类用户连续地提供动态的三维位置、三维速度和时间信息，实现全球、全天候的连续实时导航、定位和授时。
目前、GPS已在大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、石油勘探等领域得到广泛应用。
具体定位原理如下图：
图3-2GPS差分示意图
通过近十多年的实践证明，利用GPS定位技术进行精密工程测量和大地测量，平差后控制点的平面位置精度为1mm～2mm，高程精度为2mm～3mm。
应该说：
利用GPS定位技术进行变形监测，是一种先进的高科技监测手段，而用GPS监测滑坡体是GPS技术变形监测的一种典型应用。
通常有两种方案：
①用几台GPS接收机，由人工定期到监测点上观测，对数据实施处理后进行变形分析与预报；②在监测点上建立无人值守的GPS观测系统，通过软件控制，实现实时监测解算和变形分析、预报。
GPS监测系统成功应用于各大桥梁、边坡、大坝等监测项目。
随着中国自主研发建设的北斗卫星导航系统的逐步完善，北斗必将成为国际主流的卫星导航系统，目前GPS接收机已经可以实现全面兼容北斗卫星信号。
支持GPS+北斗解算，北斗系统在亚太的应用效果远远优于GPS，接收机在高遮挡地区抗干扰能力显著增强，GPS+北斗的解算模式更大程度的提高了监测数据的稳定性。
2.3.1.2传统监测手段与GPS自动化监测系统优劣势对比
1）传统监测手段
常规变形监测技术包括采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，其优点是：
（1）能够提供变形体整体的变形状态；
（2）适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；
（3）可以提供绝对变形信息。
但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。
特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只能提供局部和相对的变形信息。
摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。
近10余年来，近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用，其监测精度可达mm级。
与其他变形监测技术相比较，近景摄影测量的优点是：
（1）可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位信息；
（2）可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测；
（3）相片上的信息丰富、客观又可长久保存，有利于进行变形的对比分析；
（4）监测工作简便、快速、安全。
但摄影距离不能过远，且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备，摄影测量技术在变形监测中应用尚不普及。
2）GPS自动化监测系统的优点
（1）优点
利用GPS定位技术进行地质灾害监测时具有下列优点：
⏹测站间无需保持通视：
由于GPS定位时测站间不需要保持通视，因而可使变形监测网的布设更为自由、方便。
可省略许多中间过渡点（采用常规大地测量方法进行变形监测时，为传递坐标经常要设立许多中间过渡点），且不必建标，从而可节省大量的人力物力。
⏹可同时测定点的三维位移：
采用传统的大地测量方法进行变形监测时，平面位移通常是用方向交汇，距离交汇，全站仪极坐标法等手段来测定；而垂直位移一般采用精密水准测量的方法来测定。
水平位移和垂直位移的分别测定增加了工作量。
且在山区等地进行崩滑地质灾害监测时，由于地势陡峻，进行精密水准测量也极为困难。
改用三角高程测量来测定垂直位移时，精度不够理想。
而利用GPS定位技术来进行变形时则可同时测定点的三维位移。
由于我们关心的只是点位的变化，故垂直位移的监测完全可以在大地高系统中进行。
这样就可以避免将大地高转换为正常高时由于高程异常的误差而造成的精度损失。
虽然采用GPS定位技术来进行变形监测时，垂直位移的精度一般不如水平位移的精度好，但采取适当措施后仍可满足要求。
⏹全天候观测：
GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行观测。
这一点对于汛期的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测是非常有利的。
⏹易于实现全系统的自动化：
由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的，而且接收机又为用户预备了必要的入口，故用户可以较为方便地把GPS变形监测系统建成无人值守的全自动化的监测系统。
这种系统不但可保证长期连续运行，而且可大幅度降低变形监测成本，提高监测资料的可靠性。
⏹可以获得mm级精度：
mm级的精度已可满足一般崩滑体变形监测的精度要求。
需要更高的监测精度时应增加观测时间和时段数正因为GPS定位技术具有上述优点，因而在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的监测中得到了广泛的应用，成为一种新的有效的监测手段。
2）总结
从上面分析可得，利用GPS进行变形监测的优点要远远大于缺点的制约，所以说：
GPS技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。
据资料介绍，国外从20世界80年代开始用GPS进行变形监测。
从90年代以来，世界上许多国家纷纷布设地壳运动GPS监测网，为地球动力学和地震与火山喷发预报服务。
例如，日本国土地理院从1993年开始了GPS连续观测网的筹建工作，到1994年日本列岛已建立由210个GPS连续观测站组成的连续监测系统（COSMOS），目前的观测站总数以发展到1000多个。
该系统与1994年10月1日正式使用，10月4日就检测到北海道东部近海8.4级大地震，并清晰地记录了地震前后的地壳形变。
此后，又成功的捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。
1995年1月17日，在日本阪神7.2级大地震后，该系统在进行快速、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大作用。
自2006年以来GPS自动化监测解算软件解算软件，成功地应用到如东海大桥、宁波五路四桥、润扬大桥等大型桥梁的安全监测，拉西瓦水电站的高边坡稳定监测，露天矿煤矿的边坡稳定监测等项目，GPS自动化监测技术将在监测行业中发挥越来越重要的作用。
2.3.1.3GPS滑坡体表面位移监测系统设计
GPS监测总体分为三大部分，即传感器子系统、数据传输子系统、辅助支持系统三大部分组成，下图为现场监测系统的拓扑图：
图3-3GPS监测系统拓扑图
1）传感器子系统：
即由各GPS（监测专用机型GPS接收机）监测单元组成，
2）数据传输子系统：
负责传感器系统所采集数据实时的传输到控制中心。
具体的传输方式我们一般采用光纤、高频无线传输终端、3G等媒介，为了达到可靠、有效、稳定可以让将几种方式并存；本项目将以3G数传方式为主，高频无线网桥、Internet和光纤通讯方式根据实际情况选择使用，本次采用3G进行通讯。
3）辅助支持系统：
由监测外场及监控中心辅助整个GPS自动化监测系统正常运行的设备组成，包括配电及UPS、防雷、综合布线及外场机柜等子系统组成。
A.GPS参考站
GPS参考站的建设主要包括站址选择、基建、仪器设备的选择及设备安装：
1）参考站位置的选择
参考站要求建立在地基稳定的地点，同时GPS参考站场地应满足以下要求：
●场地稳固，年平均下沉和位移小于3mm；
●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；
●天线墩的高度不低于2米；
●观测标志应远离震动源。
●参考参考站的必须建立在冻土层上，以减少气候变化对参考站的影响。
2）参考站基建
图3-4参考站观测墩示意图
（1）观测墩的建设要求
在满足以上要求的前提下，观测墩的建设必须满足以下要求：
●观测墩应浇注安装强制对中标志，并严格整平，墩外壁或内部应加装（或预埋）适合线缆进出硬制管道（钢制或塑料），起保护线路作用；
●GPS观测墩采用钢筋混凝土现场浇铸的方法施工。
混凝土浇铸过程中的水泥、沙子、石子及其他添加剂的用量以及混凝土施工的要求均按照表一的要求执行；
●GPS观测墩中的钢筋骨架采用直径≧10mm的螺纹钢筋，使用时须在距两端10cm处，分别向内弯成∩形弯（足筋下端30cm处向外弯成∟形弯）用料。
裹筋采用直径≧6mm的普通钢筋；
●基座建造时浇灌混凝土至基座深度的一半，充分捣固后放入捆扎好的基座钢筋骨架，在基座中心垂直安置捆扎好的柱石钢筋骨架，将柱石钢筋骨架底部与基座钢筋骨架捆扎一起，浇灌混凝土至基座顶面，充分捣固并使混凝土顶面处于水平状态；
●混凝土浇灌至地面下0.2米时，在观测墩外壁应预埋适合线缆进出的直径不小于25mm的硬质管道（钢制或塑料），供安装电缆保护线路用；
●双频天线的保护罩要采用全封闭式，以起到防水、防风等效果，同时天线罩的衰竭率不大于1%；
●可利用观测墩基坑，加筑用于存放太阳能蓄电池的水泥槽。
图3-5观测墩设计图
3）参考站仪器的选择
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GPS自动化监测系统选用监测专用型双频高精度GPS+北斗接收机。
B.
GPS监测站
GPS监测站是管理人员实时掌握滑坡体形变和位移变化量的依据，各监测点长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通讯网络（无线网桥或3G）实时传输GPS观测数据到控制中心，并结合各参考站的观测数据与起算坐标通过控制中心软件准实时解算处理，最终得到各监测点的三维坐标。
GPS监测站也和参考站一样，也包括监测站地址的选择、监测站基建、仪器设备的选择及设备安装四个部分，具体建设见“参考站的建设”相关章节。
图3-6监测站设备安装示意图
5）监测点的位置选择
参考本章节A章节中关于基础站的选址获取更多信息。
C.数据传输系统
GPS自动化监测系统数据传输主要通过以下方式：
各监测站和参考站原始GPS数据通过无线方式传输到控制中心。
本项目拟采用3G模块进行通讯。
图3-73G通讯模块
图3-8无线网桥
图3-9无线网桥传输示意图
D.GPS数据处理软件
“数据处理”是滑坡体GPS自动化监测系统的核心组成部分，“数据处理”结果精度的高低关系到我们对滑坡体稳定性的判断、分析以及影响管理人员的决策。
对于本监测系统“数据处理”主要指监测区域内各GPS原始数据的采集控制，以实现数据处理的同时对数据采样间隔，GPS一机多天线的信号切换的控制、各GPS原始数据的输入与处理、原始数据的检验、设备故障诊断，其它监测手段监测数据的输入与处理等。
针对本项目的实际情况以及业主的具体要求，我们推荐选用专业GPS监测软件进行系统控制与数据处理。
软件在进行GPS数据处理方面采用了先进的非线性Kalman滤波双差解、三差解算法，同时增加了先进的电离层改正模型、支持多参考站解算及实时独立基线网平差等功能，具体精度为平面小于3mm，高程5mm。
并且实现双基站或多基站处理功能。
数据解算软件为进行的实时三维变形测量分析系统软件。
能同时对安放在目标设施或自然物体上的几十个GPS进行实时三维位置解算，并达到毫米级精度。
软件采用C/S架构，同时实现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。
由解算为核心构成的变形监测网络中的每个GPS接收机只需要输出GPS的原始数据和星历，数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的解算软件根据每台GPS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，从而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。
E.解算软件标准特性
●监测精度：
水平3-5mm，高程5-8mm（根据解算时间长短和环境略有浮动）
●Windows95/NT32bit结构；
●多线程，多任务设计；
●先进的GPS数据算法：
具有OTF解算、卡尔曼滤波、三差解算等，同时支持实时、后处理解算；
●图形用户界面，实时显示基准站、监测站的工作状态；
●具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启；
●支持远程控制功能，软件可自动向GPS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；
●软件自动保存解算数据到数据库，同时自动保存GPS原始数据到本地磁盘；
●支持有线、无线多种通讯方式等功能；
●提供接口源代码，支持用户二次开发。
图3-11解算软件软件界面
F.数据坐标转换
原始数据处理模块的结果在传入数据库模块前，需要进行坐标转换，GPS采集的数据是WGS84经纬度坐标，经过投影转换后也只能是以真北为北方向的平面坐标，但是我们对监测点的布设是划分几个断面的，具体的监测结果需要以断面的走向为北方向的坐标，所以需要通过坐标轴的旋转才能符合要求。
2.3.2滑坡体表面裂缝监测之振弦式裂缝计
表面裂缝计可有效监测滑坡体表面的裂缝变化情况，从而判断滑坡体的稳定状态。
振弦式裂缝计广泛用于各类建筑物内部、表面、周边裂缝开合度的长期和临时观测用仪器。
主要用于二点间的相对位移量的监测，与不同的配套附件组合后可作为单向多种位移测量传感器使用。
仪器由前、后安装支座（架）、振弦式位移传感器、传输电缆等组成。
当被测结构物二点之间发生的位移时，通过前、后安装支座传递给位移传感器，使传感器内振弦产生张力变化，从而改变振弦的振动频率。
频率信号经电缆传输至数据采集器上，即可计算出被测结构物二点间距离的变化量即位移量。
由于本次设计的监测系统中有一部分传感器采用的是同一原理的设备，这些设备都可连接到同一数据采集器上，传感器主要包含：
振弦式裂缝计、振弦式空隙水渗压计、振弦式土压力计，这些设备连接拓扑图如下：
图3-12振弦式传感器设备监测设计拓扑图
振弦式原理传感器监测子系统包含如下三部分：
（1）传感器子系统：
即由各表面裂缝计监测单元组成；
（2）数据传输子系统：
各裂缝计到数据采集器采用专用RS485四芯通讯电缆传输到数据采集器，数据采集器到控制中心的传输方式我们一般采用光纤、高频无线传输终端、3G等媒介，为了达到可靠、有效、稳定可以让将几种方式并存；本项目将以3G数传方式为主，高频无线网桥、Internet和光纤通讯方式根据实际情况选择使用。
（3）辅助支持系统：
由监测外场及监控中心辅助整个GPS自动化监测系统正常运行的设备组成，包括配电及UPS、防雷、综合布线及外场机柜等子系统组成，避雷系统与GPS的监测点的系统共用。
主要技术參数
规格
2
5
10
20
测量范围mm
20
50
100
200
分辨率%FS
≤0.05
长度mm
215
270
315
458
外径mm
22、42
非直线度（%FS）
≤1.0
综合误差（%FS）
≤2.0
绝缘电阻
≥50MΩ
备注
根据用户需要可增加测温功能
考虑到裂缝的变化量较大，本次选用100-200mm量程的设备，JTMV7000进行地面裂缝监测。
1）裂缝仪表面位移监测示意图
图3-13裂缝计表面位移监测示意图
2）裂缝计的使用
位移计加夾具（见下图）后组成测缝计，用于监测表面裂缝，测值为两端固定点间的相对位移（距离）变化值。
安装时先按设计要求在开合缝两侧的测点处划好准确位置，如两点距离超出仪器有效长度时需加接过度杆件和保护装置。
5JTM-V7000型测缝计实物图
图3-14裂缝计实物图
图3-15表面式测缝计安装示意图
2.3.3滑坡体表面裂缝监测之拉线式裂缝计
拉线式位移计移传感器将机械位移量转换成可计量的、成线性比 例的电信号。
被测物体产生位移时，拉动与其相连接的钢绳， 钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步转动；当位移反向移 动时，传感器内部的弹簧回旋装置将自动收回绳索，并在绳索 伸收过程中保持其张力不变，从而输出一个与绳索移动量成正 比例的电信号，基于震动环境设计安装使用的小型，工业级+（自动排 线）设备。
图3-6拉线式位移计裂缝监测通讯示意图
图3-7拉线式位移计裂缝监测示意图
裂缝计技术指标：
●位移有效测量范围：
1000mm
●输入激励电压：
+5VDC；+12VDC；+24VDC等
●信号输出：
电位计，电压，电流,编码器脉冲、计算机接口
●线性精度：
200mm优于±0.5%，500mm以上优于±0.28%（误差最大点，非综合精度）
●工作温度：
-15℃-+75℃
●制造材料：
合金金属
图3-8拉线式安装示意图
2.3.4滑坡体固定测斜深部位移监测
固定测斜进行滑坡体内部位移监测是目前较为成熟的产品，在各大水电大坝、滑坡治理监测项目上都有应用。
固定测斜仪需要根据勘察的实际断层（滑面）数据进行钻孔安装，深度应穿透断层。
固定测斜的基准点有孔底和孔口两种取法，孔底法是孔深打到稳定的基岩上，此时基准为孔内的最后一个传感器；另一种是采用GPS作为孔口的固定基准。
本项目将采用GPS作为基准，也是符合充分利用现有项目资源的设计原则的。
为了连续了解边坡深度位移变化情况，在边坡内布设固定测斜仪来实现连续自动观测。
而一般的手动测斜只能人到孔口测量，一天进行一次或二次观测，工作量很大，无法得到实时和连续的数据。
监测示意图
以下为该子系统设计示意图和拓扑图：
图3-9子系统设计拓扑图
图3-10系统构架示意图
1）固定倾斜仪的数据通讯
将所有固定测斜仪数据通过屏蔽电缆集中接到数据采集器上，然后发回到控制室，在控制室内完成数据的解析和实时分析。
图3-11数据通讯拓扑图
2）测孔传感器配置
每个测孔按孔深
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