王海剛，楊 艷，劉明坤，賈三滿，田 芳

（1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2. 北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100195）

基于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的北京高麗營(yíng)地裂縫活動(dòng)性分析

王海剛1,2，楊 艷1,2，劉明坤1,2，賈三滿1,2，田 芳1,2

（1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2. 北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100195）

高麗營(yíng)地裂縫是近年來(lái)北京地區(qū)發(fā)育最活躍地裂縫之一，造成了嚴(yán)重的房屋墻體及道路破壞。通過(guò)采用KLA-1型地表位移自動(dòng)化遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)地裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示：該地裂縫具有三維活動(dòng)特點(diǎn)，發(fā)育具有周期性，并受黃莊—高麗營(yíng)斷裂控制；同時(shí)也證實(shí)KLA-1型地表位移自動(dòng)化遙測(cè)系統(tǒng)在地裂縫監(jiān)測(cè)方面的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確性，對(duì)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治具有推廣應(yīng)用意義。

地質(zhì)災(zāi)害；地裂縫；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

高麗營(yíng)地裂縫是北京地區(qū)發(fā)育最強(qiáng)烈的地裂縫，造成大量建筑物損壞和道路破壞，已影響了人們的正常生產(chǎn)生活。已有研究表明，該地裂縫與黃莊—高麗營(yíng)斷裂有密切關(guān)系；探槽開(kāi)挖揭示該斷裂已錯(cuò)斷全部第四紀(jì)地層，斷裂面直達(dá)地表，地表斷面與地裂縫位置相一致；地裂縫形成原因是斷裂蠕滑變形與地面差異沉降共同作用的結(jié)果[1～3]。為查清該地裂縫的具體活動(dòng)特征，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用是防治地質(zhì)災(zāi)害及保障城市安全的重要途徑[4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地裂縫監(jiān)測(cè)主要采用水準(zhǔn)測(cè)量、裂縫計(jì)、GPS監(jiān)測(cè)、InSAR監(jiān)測(cè)等手段[5-9]。監(jiān)測(cè)工作能夠反映地裂縫活動(dòng)特征和規(guī)律，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，有助于對(duì)其成因、發(fā)育程度、發(fā)展變化趨勢(shì)進(jìn)行深入研究。

1 高麗營(yíng)地裂縫概況

高麗營(yíng)地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代。其由西王路，經(jīng)唐自頭村、京承高速，穿土溝村、北七家衛(wèi)生院直至八仙別墅一線（圖1），發(fā)育長(zhǎng)度約6km，走向與黃莊-高麗營(yíng)斷裂一致；裂縫帶寬度30～70m，兩側(cè)地形呈西北高、東南低態(tài)勢(shì)。裂縫造成了房屋墻體和京承高速等道路嚴(yán)重破壞。從單點(diǎn)破壞特征來(lái)看，地裂縫帶上住房墻體及墻基地坪開(kāi)裂均表現(xiàn)為東南側(cè)相對(duì)下降，西側(cè)相對(duì)上升且有水平扭動(dòng)，呈現(xiàn)右旋特征，與黃莊—高麗營(yíng)斷裂東南盤下降，西北盤上升，呈正斷順扭性質(zhì)相一致。

2 地裂縫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖1 高麗營(yíng)地裂縫平面分布圖Fig.1 The location of Gaoliying ground fissure

本次對(duì)高麗營(yíng)地裂縫監(jiān)測(cè)采用KLA-1型地表位移自動(dòng)化遙測(cè)系統(tǒng)技術(shù)。該系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所自主研發(fā)，由位移傳感裝置、數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)接收處理終端三部分組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量地表相對(duì)位移。

2.1 監(jiān)測(cè)原理與方法

（1）位移傳感裝置

位移傳感是一種雙向位移測(cè)量裝置（圖2），利用不動(dòng)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置變化，得到每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移量。具體方法是在地表不動(dòng)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)處各建一高臺(tái)，臺(tái)上安裝位移測(cè)量設(shè)備，用細(xì)鋼絲將不動(dòng)點(diǎn)設(shè)備與監(jiān)測(cè)點(diǎn)相連；在不動(dòng)點(diǎn)測(cè)量設(shè)備內(nèi)部裝有滑輪式角度傳感器，鋼絲繞過(guò)滑輪后與重錘相連；當(dāng)兩點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)（靠近或遠(yuǎn)離不動(dòng)點(diǎn)），在重錘的衡力作用下，角度傳感器的角度將發(fā)生改變，通過(guò)角度變化量即可計(jì)算出兩點(diǎn)間的位移量。第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的測(cè)量設(shè)備與第2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相連便可測(cè)量1、2點(diǎn)間的相對(duì)位移量，以此類推，用一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)就可測(cè)量一條軸線上各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移。

圖2 地裂縫位移監(jiān)測(cè)工作原理Fig.2 The principle of automated monitoring system for surface displacement of ground fissure

（2）數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊

該模塊通過(guò)中國(guó)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種模擬量、數(shù)字量及開(kāi)關(guān)量的遠(yuǎn)程通訊，是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、采集頻率控制技術(shù)及GSM短信技術(shù)三者相結(jié)合的智能型報(bào)警模塊。該模塊全部選用超低功耗器件，適合野外數(shù)據(jù)采集。由于系統(tǒng)本身有1MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，同時(shí)支持U盤數(shù)據(jù)功能，在沒(méi)有手機(jī)信號(hào)的地區(qū)，采集發(fā)射模塊可由內(nèi)部自帶的外存設(shè)備將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，一般可存儲(chǔ)5年的數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)接收處理終端

此終端由用于數(shù)據(jù)接收的硬件及用于數(shù)據(jù)檢索、圖表繪制的軟件組成。硬件采用RJ45接口，使得處于同一局域網(wǎng)段內(nèi)的所有計(jì)算機(jī)均可實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)硬件多人訪問(wèn)的功能。軟件可實(shí)現(xiàn)時(shí)間段數(shù)據(jù)檢索、地表位移-時(shí)間曲線圖繪制、監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、遠(yuǎn)程控制等功能，軟件的數(shù)據(jù)曲線及遠(yuǎn)程控制截圖如圖3所示。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)

該實(shí)時(shí)遙測(cè)系統(tǒng)已在重慶、貴州等地的滑坡、泥石流、高陡邊坡、危巖體的監(jiān)測(cè)中得到成功應(yīng)用[10～12]，并取得良好效果。但邊坡、滑坡等的監(jiān)測(cè)只是針對(duì)一維位移變化，而野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)高麗營(yíng)地裂縫具有三維活動(dòng)特點(diǎn)，為此對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了三維地裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)置，是在地裂縫下盤安裝一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，上盤分別安裝三個(gè)位移傳感裝置，其中豎直位移傳感裝置1處、水平位移傳感裝置2處，監(jiān)測(cè)設(shè)施具體布置如圖4。

圖3 自動(dòng)化遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Fig.3 The data processing software of automated monitoring system

圖4 三維地裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意Fig.4 The installation sketch of 3D automated monitoring system for ground fissure

將位移傳感裝置和數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊安裝在野外監(jiān)測(cè)站探槽內(nèi)，數(shù)據(jù)接收處理終端放置在辦公室內(nèi)，利用接收短信的形式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與監(jiān)測(cè)。采用相關(guān)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)行管理，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)變形成果，并繪制有關(guān)數(shù)據(jù)曲線。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 測(cè)點(diǎn)位移解算

為更好地反映地裂縫三維活動(dòng)規(guī)律，建立相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，即沿地裂縫延展方向?yàn)閄軸，表示水平扭動(dòng)方向；垂直于地裂縫延展方向?yàn)閅軸，表示水平拉張方向；垂直于地表平面為Z軸，表示垂直差異沉降方向。

垂直差異沉降的變化，利用豎直位移傳感裝置直接測(cè)量取得；而水平拉張和水平扭動(dòng)，則要通過(guò)二元距離交會(huì)法測(cè)得。

二元距離交會(huì)法，就是利用三條邊（其中，兩個(gè)已知點(diǎn)AB固定不變，而P為變化點(diǎn)），根據(jù)AP、BP邊的距離實(shí)時(shí)變化，最后計(jì)算出P點(diǎn)的坐標(biāo)變化情況（圖5）。

圖5 二元距離交會(huì)原理示意Fig.5 The principle sketch of binary distance intersection method

3.2 地裂縫活動(dòng)性的三維變化特征

該自動(dòng)化遙測(cè)系統(tǒng)自2009年8月建成運(yùn)行，監(jiān)測(cè)頻率為1次/30分鐘，截至2012年11月，已成功積累大量原始數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，水平扭動(dòng)量、水平拉張量、垂直差異沉降量，三者的變化值比例為1:2.5:4.6。其中，水平扭動(dòng)方向的累計(jì)變形量達(dá)6.10mm、水平拉張方向的累計(jì)變形量達(dá)15.18mm、垂直差異沉降的累計(jì)量為28.35mm，反映出該地裂縫具有明顯的三維活動(dòng)特征。

在垂直方向上，地裂縫上盤呈相對(duì)下降趨勢(shì)；而在水平方向上，具有明顯的水平右旋和水平拉張?zhí)攸c(diǎn)。三維活動(dòng)量中，垂直差異沉降量最大，水平拉張變化量次之，水平扭動(dòng)變化量最?。▓D6）。高麗營(yíng)地裂縫三維活動(dòng)特點(diǎn)與黃莊—高麗營(yíng)斷裂活動(dòng)特征相一致，充分證明該地裂縫受斷裂控制的以往認(rèn)識(shí)和判斷結(jié)論。

圖6 地裂縫活動(dòng)的三維變化累計(jì)曲線Fig.6 The accumulative curves of 3D movement of ground fissure

從監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的地裂縫變化過(guò)程可看出，其發(fā)展變化具有年度周期性規(guī)律。水平扭動(dòng)方向基本上呈現(xiàn)一個(gè)擺動(dòng)狀態(tài)，每年1～4月份處于相對(duì)左旋狀態(tài)，而每年5～12月份則處于相對(duì)右旋狀態(tài)（圖7a）；水平拉張方向也基本呈擺動(dòng)狀態(tài)，每年1～4月份處于相對(duì)緊縮狀態(tài)，每年5～12月份則處相對(duì)拉張狀態(tài)（圖7b）；垂直方向上，每年4～6月為其活躍期，變化量很大，而7月至次年3月則屬相對(duì)靜止期，變化量很?。▓D7c）。這些動(dòng)態(tài)變化特征，說(shuō)明地裂縫的活動(dòng)也受其它因素影響，并與其具有相關(guān)性。

圖7 地裂縫活動(dòng)年度變化對(duì)比曲線Fig.7 The Annual change comparison curves of 3D movement of ground fissure(a: horizontal twist; b: horizontal strain; c: vertical direction)

4 結(jié)語(yǔ)

地裂縫活動(dòng)特性的準(zhǔn)確把握有助于分析其變化特征、發(fā)展規(guī)律與制約影響因素，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是重要的技術(shù)手段，對(duì)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的研究與防治具有促進(jìn)作用。

References)

[1] 王海剛. 北京市順義地區(qū)高麗營(yíng)地裂縫災(zāi)害[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2011,22(3):134-135.

Wang H G. The hazards of Gaoliying ground fissure in Shunyi district of Beijing[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2011,22(3): 134-135.

[2] 賈三滿,郭萌. 從高麗營(yíng)探槽分析黃莊-高麗營(yíng)斷裂與地裂縫的關(guān)系[J]. 城市地質(zhì),2007,2(4):24-28.

Jian S M, Guo M. The relation between Huangzhung-Gaoliying fault and by Gaoliying trench and earth fissure[J].City Geology,2007, 2(4):24-28.

[3] 賈三滿,王海剛,葉超,等. 北京地區(qū)地裂縫勘察方法研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,19(S1):104-111.

Jia S M, Wang H G, Ye C, et al. Investigation and survey methods appropriate for ground fissures in Beijing[J].Journal of Engineering Geology,2011,19(S1):104-111.

[4] 葉叔華. 現(xiàn)代地球科學(xué)研究測(cè)控技術(shù)[J]. 上海國(guó)土資源,2012, 33(3):1-4.

Ye S H. Measurement technologies in modern earth science research[J].Shanghai Land & Resources, 2012,33(3):1-4.

[5] 張勤,丁曉光,黃觀文,等. GPS技術(shù)在西安市地面沉降與地裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 全球定位系統(tǒng),2008,(6):41-46.

Zhang Q, Ding X G, Huang G W, et al. Application of monitoring land subsidence and land fissure in Xi’an with GPS technique[J].GNSS World of China,2008,(6):41-46.

[6] 朱武,張勤,趙超英,等. 基于CR-InSAR的西安市地裂縫監(jiān)測(cè)研究[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,30(6):20-23.

Zhu W, Zhang Q, Zhao C Y, et al. Monitoring ground fissures in Xi’an area by use of CR-InSAR[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010,30(6):20-23.

[7] 趙超英,張勤,張靜. 山西清徐地裂縫形變的InSAR監(jiān)測(cè)分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,19(1):77-82.

Zhao C Y, Zhang Q, Zhang J. Deformation monitoring of ground fissure with SAR interferometry in Qingxu, Shanxi province[J].Journal of Engineering Geology,2011,19(1):77-82.

[8] 瞿偉,張勤,王慶良,等. 晉中盆地構(gòu)造變形與地裂縫活動(dòng)GPS監(jiān)測(cè)分析[J]. 上海國(guó)土資源,2012,33(3):16-20.

Qu W, Zhang Q, Wang Q L, et al. GPS monitoring analysis of crustal tectonic deformation and ground fissures in the Jinzhong basin[J].Shanghai Land & Resources,2012,33(3):16-20.

[9] 趙超英,張勤,丁曉利,等. 基于InSAR的西安地面沉降和地裂縫發(fā)育特征研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2009,17(3):389-393.

Zhao C Y, Zhang Q, Ding X L, et al. InSAR based evaluation of land subsidence and ground fissure evolution at Xi’an[J].Journal of Engineering Geology,2009,17(3):389-393.

[10] 李世海,李曉,魏作安. 滑坡災(zāi)害防治的新技術(shù)路線及分析[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2006,17(4):1-5.

Li S H, Li X, Wei Z A. New technologic strategies and analysis of landslide disaster prevention and control[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2006,17(4):1-5.

[11] 許利凱,李世海,劉曉宇,等. 三峽庫(kù)區(qū)奉節(jié)天池滑坡實(shí)時(shí)遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(S2):4477-4483.

Xu L K, Li S H, Liu X Y, et al. Application of real time telemetry technology to landslide in Tianchi Fengjie of Three Gorges Reservoir region[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Eng ineering,2007,26(S2):4477-4483.

[12] 許利凱,李世海,朱而千,等. 清江水庫(kù)茅坪滑坡監(jiān)測(cè)與發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2006,17(1):9-13.

Xu L K, Li S H, Zhu E Q, et al. Monitoring and development trend forecasting of Maoping landslide in Qingjiang Reservoir area[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2006,17(1):9-13.

Analysis of the Activity of the Gaoliying Ground Fissure (Beijing), Based on Automatic Monitoring

WANG Hai-Gang1,2, YANG Yan1,2, LIU Ming-Kun1,2, JIA San-Man1,2, TIAN Fang1,2
(1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China;
2. Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100195, China)

The Gaoliying ground fissure is one of the most active ground fissures in the Beijing area, and has caused damage to infrastructure, including walls and roads. The KLA-1 surface displacement automatic telemetering system was used to conduct real-time automatic monitoring of the fissure. The results of the testing reveal that the Gaoliying ground fissure shows periodic activity in three dimensions, and that its activity is controlled by the Huangzhuang-Gaoliying Fault. The findings confirm that the KLA-1 telemetering system accurately monitors the ground fissure in real time, and that the system is helpful not only for monitoring activity but also for potentially preventing a disaster caused by ground fissure activity.

geological hazard; ground fissure; automated monitoring

P642.27

A

2095-1329(2013)02-0064-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.015

2013-03-26

2013-04-19

王海剛(1980-),男,碩士,主要從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害研究.電子郵箱：whg_8232@163.com

聯(lián)系電話：010-51560312

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2006CB708405);中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212010540902,121 2010814044,1212011220180)