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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
目录
第一章地质灾害滑坡体监测设计的原则、依据和技术指标 (1)
2.1监测的内容和任务 (1)
2.2监测设计的原则、依据和技术指标 (1)
2.3监测依据 (2)
2.4系统技术指标 (3)
第二章滑坡立体监测设计 (4)
2.1拟设计监测的主要的参数 (4)
2.2滑坡体监测拓扑图 (5)
2.3现场监测各子系统 (7)
2.3.1高精度 GPS自动化监测 (7)
2.3.2滑坡体表面裂缝监测之振弦式裂缝计 (20)
2.3.3滑坡体表面裂缝监测之拉线式裂缝计 (24)
2.3.4滑坡体固定测斜深部位移监测 (26)
2.3.5孔隙水渗压计水位监测 (32)
2.3.6土压力计 (35)
2.3.7土壤温湿度监测 (39)
2.3.8气象监测站 (40)
2.4北斗传输 (41)
第三章、软件介绍 (42)
第四章、服务体系 (45)
4.1保修、维修和升级服务 (45)
4.2 技术培训 (46)
4.3 技术服务 (46)
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CJJ 73-97中国建设部1997
精密工程测量规范GB/T 15314-94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GBJ 10 — 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
.
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
2.3.1.1 GPS自动化监测系统的工作原理
全球定位系统 (global positioning system，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3-2 GPS 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。
2.3.1.3 GPS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3-3 GPS 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3-7 3G 通讯模块图 3-8无线网桥