肖進, 屈永平

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學院，德陽 618000)

基于姿態(tài)傳感器的大型滑坡災害監(jiān)測的初步研究

肖進, 屈永平

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學院，德陽 618000)

滑坡的監(jiān)測主要是基于滑坡體的空間幾何形態(tài)的變化特征，由于滑坡的變形不均勻、運動周期長、應變量小等特征，導致滑坡的監(jiān)測難度大、監(jiān)測周期長。為此，基于姿態(tài)傳感器的小體積、高速數(shù)據(jù)傳輸、低功耗、穩(wěn)定啟動時間、全角度無盲區(qū)等監(jiān)測特征，本文選取姿態(tài)傳感器為滑坡形變監(jiān)測儀器，姿態(tài)傳感器通過位移和角度的轉(zhuǎn)換得到滑坡體姿態(tài)變化值，通過白什鄉(xiāng)典型滑坡的全站儀監(jiān)測和姿態(tài)傳感器監(jiān)測結(jié)果對比可知，姿態(tài)傳感器能更準確及時的反應了滑坡體內(nèi)部的變形結(jié)果，為有效地監(jiān)測滑坡提供了一定的參考價值。

地質(zhì)災害；滑坡；發(fā)展趨勢；監(jiān)測；姿態(tài)傳感器

滑坡監(jiān)測作為滑坡地質(zhì)災害風險減緩和預防的重要措施之一已經(jīng)普受重視[1]，其中滑坡的誘因主要為地震、降雨以及人類干擾等因素[2]，而滑坡的監(jiān)測可以分為位移監(jiān)測、地震監(jiān)測和降雨監(jiān)測等[3]。前人根據(jù)不同地區(qū)滑坡與降雨條件、地震加速度等建立了一系列的滑坡預測模型[4]。由于滑坡監(jiān)測過程中的監(jiān)測方法、監(jiān)測儀器精度和監(jiān)測儀器適用條件等限制，導致滑坡的監(jiān)測結(jié)果分歧較大。為此，滑坡的監(jiān)測系統(tǒng)中急需具有小體積、高敏感性、高傳輸性能、不受監(jiān)測孔質(zhì)量影響的傳感器。本文選擇基于微機電系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器,以白什鄉(xiāng)滑坡為為研究對象，通過全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)和姿態(tài)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，姿態(tài)傳感器能有效的彌補滑坡體內(nèi)的變形監(jiān)測，為滑坡監(jiān)測的研究提供一定參考價值。

1 研究區(qū)概況

白什鄉(xiāng)滑坡位于四川省綿陽市北川縣城以西，滑坡的前緣存在多處崩塌災害點，滑坡體表面分布著大量的張拉裂縫[5]。滑坡的平面形態(tài)呈“三角形”，其中滑坡的分布特征如圖1所示?；碌暮蟊谧罡唿c為1 860 m，滑坡后緣為1 826 m，即滑坡后緣陡坎的落差為34 m?；麦w的平均長度為300 m，平均寬度為260 m，平均厚度為26 m，滑坡的面積約為8×104m2，滑坡的體積約為200×104m3。由于白什鄉(xiāng)滑坡的規(guī)模大，所處的地形陡峭，且滑坡前緣距河谷底部的高差≥500 m，給坡腳的白什鄉(xiāng)老街居民和小學帶來了嚴重的生命和財產(chǎn)威脅。

圖1 白什鄉(xiāng)滑坡平面分布影像圖

2 姿態(tài)傳感器原理

滑坡體深部變形監(jiān)測的儀器目前主要有鉆孔傾斜儀、鉆孔多點位移計等。此類監(jiān)測設備因為其工作路徑長，受監(jiān)測孔的成孔質(zhì)量以及監(jiān)測孔后期變形等條件限制。滑坡體內(nèi)部的不均勻形變，常常造成監(jiān)測孔發(fā)生彎曲變形，更有甚者出現(xiàn)塌孔埋孔等現(xiàn)象，導致監(jiān)測儀器的靈敏性受影響，進而直接影響監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)其監(jiān)測數(shù)據(jù)對滑坡發(fā)展過程分析容易形成誤判。

對于三維空間的坐標體系，任何坐標的取向，都能以歐拉方程來呈現(xiàn)，即剛體的坐標系隨剛體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。姿態(tài)傳感器的坐標旋轉(zhuǎn)如圖2所示，其中S、S’、S”、T分別代表了姿態(tài)傳感器在立體空間系統(tǒng)內(nèi)的不同位置。根據(jù)三軸坐標的變換理論，當傳感器在位置T的坐標可由S經(jīng)過一系列的旋轉(zhuǎn)、位移和伸縮變換得到。其中三軸坐標的變換理論可由下式表示[6]：

圖2 姿態(tài)傳感器坐標旋轉(zhuǎn)過程[7]

(1)

式中，[XYZ]T、[XYZ]S分別代表三軸空間內(nèi)的任意一固定點的坐標值；k是傳感器的特征參數(shù)；[ΔXΔYΔZ]則表示該坐標點經(jīng)過一系列的姿態(tài)變化的的姿態(tài)變化因子，其中姿態(tài)與坐標旋轉(zhuǎn)的關(guān)系如下式所示：

(2)

式中，θ、φ分別代表三軸坐標系統(tǒng)中坐標變換過程中x軸和y軸轉(zhuǎn)動的角度。根據(jù)傳感器角度值的關(guān)系[7]得到角度變化特征，其中轉(zhuǎn)化公式如下式所示：

cosθ=(1-sin2α-sin2β)1/2

(3)

sinθ=(sin2α+sin2β)1/2

(4)

(5)

(6)

式中，α、β分別代表某特定姿態(tài)下的角度值。

根據(jù)上述姿態(tài)傳感器工作原理可知，姿態(tài)傳感器根據(jù)其角度變化值反映其姿態(tài)的變化情況，即滑坡在變形過程中，其單位體積的巖土體的坡度為實時動態(tài)變化。為了有效的反映滑坡體的坡度、位移變化等特征，姿態(tài)傳感器安裝在節(jié)點下的深孔中，傳感器a用于測量地表處的傾斜角，傳感器b用于測量滑坡體深部傾斜角[8]。當滑坡運動時，監(jiān)測點的角度和位移關(guān)系如下圖3所示。

圖3 滑坡體姿態(tài)變化特征示意圖[9]

在滑坡體微小應變形變過程中，忽略滑坡體內(nèi)部因不均勻變形而導致拉線位移計的拉線彎曲變形，假設滑坡的坡度為β，其中如8號監(jiān)測點初始位置B，BO的深度為H。當滑坡變形運動至C時，CO’為滑坡變形后的位移，姿態(tài)傳感器的初始角度為θ，拉線位移計初值長度為AB?；掳l(fā)生變形后，姿態(tài)傳感器測得的沿坡面水平傾斜角為α，變形后的拉線位移計的長度為AC，其中8號監(jiān)測位置的空間幾何變化特征如下所示：

L=(AC-AB)cosβ=ΔScosβ

(7)

L1=Hsinα

(8)

L2=L-L1

(9)

式中，L1為姿態(tài)傳感器發(fā)生傾斜時沿坡面方向的水平位移分量；L2為姿態(tài)傳感器為發(fā)生傾斜時沿坡面方向的水平位移分量；L為滑坡變形后的水平總位移；ΔS是拉線式位移計的位移值變化。

3 滑坡監(jiān)測結(jié)果分析

經(jīng)過野外初步判定，白什鄉(xiāng)滑坡的變形速率存在差異，為了有效準確的研究該滑坡的變形特征，初步將該滑坡分為Ⅰ號和Ⅱ號兩個區(qū)域，能有效的監(jiān)測白什鄉(xiāng)滑坡的發(fā)展趨勢。在滑坡體上分布了17個監(jiān)測器(即TP1～TP17)，分別分布于滑坡的兩個區(qū)域，以監(jiān)測滑坡的位移變化值，其中滑坡監(jiān)測儀器分布位置如下圖4所示。

根據(jù)白什鄉(xiāng)滑坡17個監(jiān)測點在2007年1月7日至2007年7月28日時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，整體上Ⅰ號滑坡區(qū)域的變形速率相對于Ⅱ號滑坡區(qū)域的變形速率快，其中Ⅱ號滑坡區(qū)域的平均變形速率為58.01 mm/d，而Ⅰ號滑坡區(qū)域的平均變形速率為62.85 mm/d，即Ⅰ號滑坡區(qū)域的變形速率比Ⅱ號區(qū)域快4.84 mm/d。其中白什鄉(xiāng)滑坡17個監(jiān)測點數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 滑坡勻速變形階段各監(jiān)測點變形特征

為了有效的監(jiān)測滑坡的變形規(guī)律，文中選取白什鄉(xiāng)滑坡典型監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)(TP2監(jiān)測點，TP6監(jiān)測點)，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄了白什鄉(xiāng)滑坡在監(jiān)測時間段為2007年1月7日至2007年7月28日的變形速率，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，前期滑坡的變形緩慢，在2007年4月1日開始滑坡的變形量增加，在2007年7月11日后期滑坡的變形呈幾何指數(shù)增加。

根據(jù)白什鄉(xiāng)滑坡典型點監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，白什鄉(xiāng)滑坡的變形初步可以分為3個階段，主要包括初始等速變形階段、加速變形階段和臨滑階段等[11]，其中白什鄉(xiāng)滑坡的變形階段如下表2所示。

表2 白什鄉(xiāng)滑坡變形階段

根據(jù)現(xiàn)場觀察值可知，滑坡變形初期，滑坡變形速率相對于監(jiān)測值較小，而到了滑坡變化后期，現(xiàn)場觀測值大于監(jiān)測值，即現(xiàn)場滑坡地表觀測值與滑坡內(nèi)部監(jiān)測值存在相當差值，其中差值范圍為-27.2～103.9，監(jiān)測值和觀測值如表3所示。

對比數(shù)據(jù)可知，滑坡前期監(jiān)測值大于現(xiàn)場地表觀測值，在滑坡運動中期監(jiān)測值和觀測值相近，在滑坡運動后期監(jiān)測值小于觀測值。

圖4 白什鄉(xiāng)滑坡監(jiān)測孔分布位置[10]

表3 白什鄉(xiāng)滑坡監(jiān)測值和地表觀測值累積位移對比

監(jiān)測設備的精度條件直接決定了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和誤差值，直接的反映了監(jiān)測結(jié)果的準確性，其中實例設計的姿態(tài)傳感器參數(shù)如表4所示。

表4 姿態(tài)傳感器參數(shù)表

4 結(jié)論

汶川地震后，震區(qū)內(nèi)存在大量的潛在滑坡體，導致滑坡地質(zhì)災害的爆發(fā)頻率成幾何增長，而滑坡具有預測難度大、治理成本高、危害性強等特征，因此滑坡的監(jiān)測也是震后主要研究方向之一。本文在前人研究基礎上，基于滑坡運動過程中的姿態(tài)變化特征，采用姿態(tài)傳感器對滑坡體進行有效的監(jiān)測，初步得到了以下主要結(jié)論：

(1) 姿態(tài)傳感器的體積小、數(shù)據(jù)傳輸快、功低耗、啟動時間穩(wěn)定、全角度等監(jiān)測特征，使得姿態(tài)傳感器在未來滑坡監(jiān)測系統(tǒng)有著廣泛的運用前景。姿態(tài)傳感器主要基于滑坡體內(nèi)部的角度和相對位移的變化特征，通過姿態(tài)傳感器的三維坐標空間轉(zhuǎn)換，直觀的體現(xiàn)滑坡內(nèi)部的變形過程。

圖5 白什鄉(xiāng)滑坡典型監(jiān)測點變形特征

(2) 根據(jù)白什鄉(xiāng)滑坡的監(jiān)測結(jié)果可知，滑坡的變形過程可以分為初始等速變形階段、加速變形階段和臨滑階段等3個階段,其中滑坡監(jiān)測的平均變形速率為58.01 mm/d。

(3) 通過對比姿態(tài)傳感器與全站儀監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測前期姿態(tài)傳感器能更有效的反映滑坡體內(nèi)部變形特征；在滑坡等速運動時期姿態(tài)傳感器與現(xiàn)場監(jiān)測值誤差較小，即姿態(tài)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)與滑坡真實的變形相符；在滑坡變形后期，滑坡體內(nèi)部姿態(tài)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)相對于全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)較大，其完全符合滑坡變形跡象。

綜上所述，對比姿態(tài)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和野外現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，姿態(tài)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)能準確及時的反映滑坡體內(nèi)部的變形過程。

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PRELIMINARYRESEARCHONLARGELANDSLIDEDISASTERMONITORINGBASEDONATTITUDETRANSDUCER

XIAO jin,QU Yong-ping

(Department of Engineering Management,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang 618000,China)

Landslide monitoring is mainly based on the variation characteristics of spatial geometry of landslides, due to the characteristics of uneven deformation, long motion period, small strain, all which resulting in the difficult to monitor, long monitoring period. Therefore, due to the characteristics of attitude transducer such as the small volume, high-speed data transmission, low power dissipation, stable starting time, no blind area, so the attitude sensor selected for landslide monitoring, the attitude attitude change value of landslide got through the conversion of change value of displacement and angle, according to the Contrast value of total station monitoring and attitude sensor monitoring results of the typical landslide of Bai Shi Xiang, attitude sensor can be more accurate and timely response to the internal deformation results of landslide, all which can provide the value reference for effectively landslide monitoring.

geological disaster； landslide； development trend； monitoring； attitude transducer

1006-4362(2017)03-0025-05

2017-05-03改回日期2017-07-14

德陽重點科學技術(shù)研究項目：基于姿態(tài)芯片技術(shù)的大型滑坡災害監(jiān)測系統(tǒng)設計與研發(fā)(2015zz035)

P642.22；X43

A

肖進(1969- )，男，四川達縣人，博士，高級工程師，主要從事地質(zhì)工程方面的工作。 E-mail: 85257902@ 163.com