边坡变形监测技术现状及新进展*

董文文朱鸿鹄孙义杰施 斌

（①南京大学地球科学与工程学院 南京 210023）

（②南京工业大学交通学院 南京 210009）

边坡变形监测技术现状及新进展*

董文文①朱鸿鹄①孙义杰②施 斌①

（①南京大学地球科学与工程学院 南京 210023）

（②南京工业大学交通学院 南京 210009）

滑坡地质灾害一直是社会高度关注的问题之一，近年来我国多地发生了由地震、降雨、水库运行和工程建设等触发的高边坡过大变形事故，有时甚至导致大型滑坡、泥石流，严重危害到人们的生命和财产安全。边坡变形的监测技术和方法在最近一个时期得到了飞速的发展，在保证边坡稳定性、验证支挡措施效果、提高滑坡预警预报水平等方面发挥了重要的作用。本文在简要介绍传统边坡变形监测技术及其不足的基础上，阐述了近十余年间国内外边坡变形监测技术的最新发展和应用现状，重点分析和对比了分布式光纤传感等新型监测技术的特点。最后，对边坡变形监测技术未来的发展方向提出了一些研究思路。

边坡稳定性 滑坡预警 监测技术 变形机理

Key wordsSlope stability，Landslide warning，Monitoring technology，Deformation mechanism

0 引 言

20世纪中叶，由于科技水平的落后和限制，人们对边坡的监测一般使用简易的宏观地质观测方法，即通过人工观测地表变形特征、地裂缝的异常、地下水的异常以及周围动植物的异常来确定（杨永波，2005）。当边坡产生变形时，常常会表现出特殊的地质现象。例如，滑坡体从母体中滑出，在滑坡前缘可能有扇形张裂隙，滑坡侧面常形成一个显著的滑坡壁。另外，如果是岩质边坡，滑坡体岩层产状及内构造裂隙产状与母岩产状会出现不一致的现象。随着现代科技水平的提高，出现了越来越多的边坡监测仪器和系统，它们在边坡变形的定量化监测方面发挥了日益重要的作用。

边坡岩土体应力-应变关系的复杂性使其从地勘阶段一直到设计及治理阶段，均无法获得边坡岩土体内部力学效应的全面系统的认知。随着时间的推移，在各种复杂的自然因素和人为荷载的影响下，必须通过边坡原位监测来真实反映边坡岩土体的应力状态（高杰等，2011）。通过对边坡进行变形监测，可以充分认识边坡的变形机理和稳定性的变化规律（朱正伟，2011），并可在此基础上对边坡支护设计进行优化，同时有效保证边坡施工的安全。

本文从边坡变形监测技术的发展历程和特点、近年来出现的新型监测技术方法原理及其优缺点等方面，对国内外边坡监测技术的研究和应用进展做了较为全面的总结和评价，并为今后边坡变形监测技术的发展提供了一些建议。

1 边坡监测技术发展历程

边坡是指岩土体在自然重力作用或人为作用下形成的具有一定倾斜度的临空面（唐辉明，2007）。工程建设中遇到的自然边坡和人工边坡，有可能直接影响到工程安全，因此人们做了大量边坡监测方面的研究工作，诸多先进仪器也相继被应用到边坡变形监测中来（刘永莉，2011）（图1）。

边坡变形的表现形式复杂多样，有坡顶拉裂、潜在滑裂面（带）附近的剪切、坡体向临空面方向的蠕动、弯曲倾倒和挠曲变形、不均匀沉降等。边坡的变形机制则有推移式、牵引式等。自1860a意大利首先建立土木工程部队进行边坡监测算起，边坡变形监测技术已有150多年的发展历史。第2次世界大战以前，西方资本主义国家的边坡监测工作一般由私人公司负责。瑞士曾对一处隧道的滑坡观测了50a，对某湖岸处的边坡观测了55a（马骥等，1982）。而此阶段的边坡监测一般是依靠人工观察和皮尺等简易工作完成。

现代比较完备的边坡监测系统可以追溯到20世纪40年代。这个时期，各种适用于不同边坡条件的变形光学、电学测量仪器开始出现。日本学者Saito在长期的滑坡研究基础上，于1963年提出了著名的“斋藤法”滑坡预报公式，将土体蠕变分为减速蠕变、稳定蠕变、加速蠕变3个阶段（Saito et al.，1969）。1956年，前苏联学者叶米里扬诺娃对滑坡位移观测的原理、方法和应用进行了系统性的总结（彭欢等，2012）。21世纪初，世界各国科研人员竞相研发了以光纤监测为代表的边坡变形监测仪器，边坡监测技术又出现了日新月异的更新和进步，朝着自动化、高精度化等方向发展。

图1 现代边坡监测仪器（刘永莉，2011）Fig.1 Modern slopemonitoring instruments（Liu，2011）

目前，传统的边坡监测技术发展已较为成熟，并在实际边坡工程中取得了可靠的监测效果。表1列出了一些传统边坡监测技术及仪器，以及它们目前存在的不足。从表1可以看到，传统技术大多需要人工定期到现场进行数据采集，工作量大，监测的时效性较差，而且无法在恶劣的气候条件下实施。由于大部分边坡变形失稳均发生在暴雨、地震等极端情况下，此时组织现场实测会严重威胁到监测人员的生命。另一方面，现有的传感元件，如电阻应变计式、电感式传感器和钢弦式等，普遍存在尺寸较大、抗干扰性及稳定性较差和易发生零点漂移等不足。

表1 传统边坡监测技术和仪器及其不足Table 1 Traditional slopemonitoring technology and its shortages

2 新型边坡变形监测技术

为适应现代化岩土工程监测的要求，国内外边坡工程的发展方向逐渐体现了如下特色：自动化、远程监测、无线传感、分布式和高精度等（李爱国等，2003）。近年来，涌现出一批新型的边坡变形监测技术和方法，有力地推动了边坡防治和滑坡预警预报工作。

2.1 “3S”技术

20世纪90年代以后，全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）等技术的迅猛发展为边坡变形监测工作提供了强大的支持。与传统的大地测量技术相比，该类技术具有自动化程度高，定位精度高，观测时间短，可以全天候实时监测地表位移，监测站之间不需要相互通视，可以实时处理分析数据等优点（Zhang et al.，2006）。

Gili et al.（2000）将GPS技术应用到西班牙的一个滑坡体上，同时安装了钻孔倾斜仪、电子激光测距等监测设备，监测结果显示，GPS具有较高的分辨率。其水平和垂直空间分辨率分别为12～16mm和18～24mm。利用GIS技术强大的空间数据分析管理能力，吴振君等（2004）开发了基于GIS的滑坡监测信息管理与分析系统，并成功用于三峡库区泄滩滑坡的信息系统管理。李邵军等（2004）创新性地将三维可视化及GIS技术与滑坡监测结合，成功地建立了滑坡的三维监测信息管理系统，为滑坡监测方案设计提供了可视化信息处理平台。王志旺等（2005）则系统性地阐述了应用3S技术进行滑坡灾害动态监测的基本思路与若干关键技术问题。国外还有部分学者利用GIS和地下水流模型分析了滑坡的蠕动效应（Shrestha et al.，2006）。

2.2 时域反射技术

时域反射测试技术（TDR，Time-Domain Reflectometry）最早主要应用于通讯方面，近年来开始被引入到边坡深部变形监测领域。TDR技术在监测边坡变形前需要在钻孔中安装同轴电缆。当边坡发生位移时，同轴电缆中的测试信号与反射信号的差异能够实时监测出电缆发生状态变化的位置，从而进一步推算出边坡体内部的位移量。图2为TDR边坡监测系统的基本组成。

图2 TDR边坡监测系统（唐然等，2007）Fig.2 TDR slopemonitoring system（Tang et al.，2007）

国内外对于TDR技术在边坡监测中的应用研究主要可分为室内模拟实验和野外实测。例如，Charles et al.（2000）将钻孔测斜仪和TDR监测系统同时安装在一个滑坡体中进行监测，发现TDR系统对滑动面中集中剪切应变带最为敏感，而钻孔倾斜仪则是对均匀的剪切破坏较为敏感。陈云敏等（2004）在对3种型号同轴电缆剪切试验的基础上，总结了不同型号的同轴电缆的反射系数与剪切位移的关系及其力学特性。张青等（2007）为探索TDR监测滑坡的定量解释方法，开展了室内模拟试验，并对试验进行详细分析和拟合处理，初步获得同轴电缆变形与TDR信号幅值变化的数学模型。Yan et al.（2010）将TDR技术应用于三峡库区玉皇阁滑坡的实时监测，并将滑动面倾斜变形的监测结果与附近的钻孔数据对比（图3），发现曲线变形趋势基本一致，从而进一步证明了TDR技术适用于边坡变形的监测，特别是对边坡微变形的监测。

2.3 地面激光扫描技术

地面激光扫描（TLS，Terrestrial Laser Scanning）技术是形成于20世纪90年代的一种用于滑坡监测的新型遥感调查与监测技术。该技术主要由激光测距系统、扫描系统和支架系统组成，同时集成了数字摄影和仪器内部校正等系统（Wunderlich et al.，2003）。地面激光扫描具有非接触性、数据获取速度快（5万点／秒－几十万次点／秒）、实时、动态和主动性、穿透性、高精度、高密度、全自动化（Schneider，2006），并且能与GPS和外置数码相机结合等优点，克服了传统点式变形监测的片面性，可得到监测区域完整的点云数据，通过对点云数据的处理与分析，能够得到滑坡体表面的变形特征（刘锦程，2012）。

2.4 CCD技术

电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。其基本工作原理如下式：

式中，Q为光电荷；ΔN0为光子流速率；q为电子电荷量；Tc为光照时间；η为材料的量子效率。

基于以上原理，工程监测中首先将光敏标靶固定在边坡体的某特定位置，当边坡发生位移时，光学波长的变化便通过光学解析系统转化为数字信号，从而实时监测边坡体的稳定状态。

20世纪90年代末，CCD技术开始应用于边坡监测领域。该技术相对于传统边坡监测技术具有精度高、无接触、计算机处理、监测系统成本相对较低，适用于长期定点监测等优点，具有良好的应用前景（Angeliet al.，2000）。国内高杰等（2010）将CCD微变形监测系统与激光扫面技术同时应用于诸永高速沿线边坡的后期监测工作中，并将监测结果与监测现场已有的全站仪、GPS等相近监测点取得的数据做对比。结果显示，在相同的监测环境中，CCD技术所取得的数据波动幅度明显小于全站仪和GPS，具有良好的精度和长期稳定性，适合边坡的长期监测。

2.5 合成孔径雷达干涉测量技术

合成孔径雷达（SAR）是一种微波传感器，合成孔径雷达干涉测量（InSAR）结合了合成孔径雷达成像技术和干涉测量技术，借助成像几何关系和传感器的系统参数等精确测量地表任一点的空间位置及微小变化，主要应用领域包括：数字高程模型（DEM）获取、地图测绘、地面提取及监测滑坡和地面沉降等地表形变（Zebker et al.，1994）。近二十年来，欧美等发达国家作为该项技术的先行者，一直致力于研究使用该技术监测地表形变（范青松等，2006）。而合成孔径雷达差分干涉测量技术（DinSAR）作为InSAR技术的一个拓展，雷达图像的差分干涉图可用于监测厘米级甚至更微小的地球表面形变，已被认为是一种极具前景的空间观测技术。

Achache et al.（1995）首次利用从ERS-1获取的SAR数据通过InSAR技术处理得到6幅干涉图，对法国南部某处滑坡进行了研究，发现InSAR技术在监测滑坡形变上的精度与地面监测方法监测精度具有良好的一致性。此后Colesanti et al.（2003）、Singhroy et al.（2013）等也分别在滑坡位移监测的研究中使用包括ERS卫星、RADARSAT-2、TerraSAR X卫星在内的不同SAR数据，通过InSAR技术取得了比较理想的研究成果。

2.6 数字近景摄影测量技术

数字近景摄影测量的基础是量测相机等设备及其生成的数字影像信息，通过运动计算机处理来完成。利用数字图像处理技术，能够准确地确定目标的空间位置，通过和初始位置作对比，一般可达到mm级的变形测量精度。

由于其具有安全、快速、廉价、无接触等众多优点，国内外有关近景摄影技术测量边坡的研究近年来日益增多。例如，李宁（2006）基于传统近景摄影技术，开发了集成多种模型的滑坡预测预报系统，并验证了坡脚开挖模型试验中系统的可靠性。Ohnishi et al.（2006）探讨了使用Moore-Penrose广义逆矩阵的分析方法来确定被监测边坡上的控制点位置，发现该方法可得到较高的测量准确度，因此验证了近景摄影技术适用于边坡表面变形监测。

2.7 分布式光纤传感技术

近年来在国际上出现了一些分布式光纤传感技术（DFOSS，Distributed Fiber Optic Strain Sensor），如BOTDR（布里渊光时域反射）、BOTDA（布里渊光时域分析）、BOFDA（布里渊光频域分析）和FBG（光纤布拉格光栅）等。其中BOTDA、BOTDR和BOFDA等技术利用光纤中的布里渊散射光频率变化量与光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系，来实现对应变和温度感测（朱鸿鹄等，2013）。该关系可表示为：

式中，ε0和ε分别是初始和测试后的光纤的轴向应变值；vB（ε0，T0）、vB（ε，T）分别为初始、测试后光纤中布里渊散射光的频移量；是比例系数；T0和T分别为测试前、后的温度值。图4为BOTDA传感技术的原理示意图。

图4 BOTDA传感原理示意图（朱鸿鹄等，2013）Fig.4 Schematic diagram of BOTDA sensing technology（Zhu et al.，2013）

与传统传感元件相比，光纤传感器具有质量轻、体积小、防水、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高，可进行大容量信息的实时测量等优点（刘永莉，2011）。特别是分布式光纤传感器在沿线上所有待测参量都可以得到，能全面获得岩土体的内部应力应变状态，大大降低漏检的可能。

从Hill et al.（1978）制成了世界上第一根光纤布拉格光栅开始，国内外学者成功地将分布式光纤传感技术应用于边坡监测领域，并取得了一系列科研成果。例如，隋海波等（2008）和王宝军等（2010）分别将BOTDR应用于现场填土边坡和室内边坡模型试验中，并成功地实现了对边坡的变形监测以及变形区域的空间定位。Zhu et al.（2014）在前人的基础上将FBG和BOTDA监测技术同时应用到人工加固边坡的模型试验，用以监测边坡中土钉的应变分布和土体内部位移，研究发现光纤监测数据能有效识别边坡的失稳临界状态。Ho et al.（2006）和Pei et al.（2011）利用FBG作为传感介质，研发了新型的光纤测斜仪，并将其用于监测现场滑坡变形。李焕强等（2009）基于BOTDR技术对降雨入渗过程中的边坡变形进行了模型试验研究。Sun et al.（2014）将多种光纤传感技术同时应用于三峡库区某边坡的长期监测，有效识别和确定了滑面位置，获取了坡体的变形、温度、渗流等多场信息。剑桥大学Soga教授课题组近年来对英国多处边坡、隧道等工程进行了光纤监测，为岩土结构的稳定状态评价提供了宝贵的现场资料（Amatya et al.，2008）。

2.8 阵列式位移计

SAA（Shape Accel Array）是一种灵活的、校准三维测量系统，可同时测量岩土体的位移和加速度等参数。该系统为阵列式结构，安装灵活自如，可垂直或水平安装，无需其他附属的定向装夹具即可自动校准。它还可以卷起运输和储存，运输方便灵活。图5展示了SAA的结构示意图。

图5 SAA结构示意图（倪克闯等，2014）Fig.5 Schematic diagram of SAA（Niet al.，2014）

Abdoun et al.（2008）首次将SAA技术应用到边坡监测领域，并将其与传统监测结果进行了详细比较。李果等（2015）将SAA技术引入到大变形公路滑坡监测中，证明了SAA技术具有精度高，采集频率高的突出优点，且与传统设备相比，能承受更大的变形。

2.9 边坡变形综合监测系统

为实现边坡变形过程中各种力学参量的监测，需要建立一个用于监测边坡表面和深部位移、土压力、孔隙水压力、降雨量等参数，并能实现集数据自动采集、存储、发送和分析等功能于一体的综合监测系统（Zhong et al.，2012）。

目前，边坡自动监测系统开始采用基于WSN（无线传感网络技术）的架构。例如，殷建华等（2004）通过布设自动雨量计监测边坡现场降雨情况；将TDR监测模块嵌入该系统，可确定出边坡滑裂面的位置；多点布设GPS天线，获取边坡表面的位移等，并基于以上技术建立了一个全自动的边坡变形遥控监测系统，通过现场试验验证了系统的实用性和优越性。

3 新型监测技术在工程实践中的问题

近十多年间国内外边坡监测技术在工程中的应用有了长足的发展。然而，由于现有技术的不成熟性、地质岩土体的复杂性及边坡变形机理的不确定性，这些技术在工程实践的应用过程中也存在各种问题。主要体现在如下几个方面：

（1）技术应用和现场施工难度大，技术成本高。在实验室条件下监测效果很好的技术，当真正应用到工程中时，可能会遇到施工难度大、野外条件复杂使传感器破坏等未知的困难。例如，作为一种新型监测技术，DFOSS技术仍存在一些急需解决的问题。包括传感光纤在边坡岩土体中的布设工艺、应变读数的温度补偿、全分布式监测数据的空间定位、传感光纤的易折断特性等（朱鸿鹄等，2013）。但随着分布式光纤传感技术的不断发展，其在工程监测领域必将发挥更大的作用。又比如，目前应用于边坡工程等领域的SAA技术由加拿大Measurand公司引入，采购途径较为单一，费用较高。未来应在进一步开发的基础上，研发出国产新型SAA设备，降低该技术的使用成本。

（2）监测条件的限制。现有的变形监测技术可能只适用于某些特定条件下的监测。例如，GIS技术的三维空间分析能力较为薄弱，很难满足边坡在时空分析领域中的监测要求（曾金华，2004）；现有的INSAR技术还不太适用于小范围的突发性的滑坡、泥石流等活动的监测；目前基于HRDEM的TLS技术还不能很好地解决HRDEM的精度和质量问题（谢谟文等，2014）。对于有植被覆盖、边坡变形量小及变形缓慢等情况，该技术还不能准确地监测变形，这是未来TLS技术需要解决的问题之一。

（3）边坡监测资料分析和理论模型研究不足。现有的监测技术可能会因电磁干扰、电压不稳等因素而产生信号噪声，因此，掌握合理的数据去噪方法（蔚清，2013），科学地进行数据预处理，最大程度地获取监测值的隐含信息成为监测结果分析中的关键点。此外，当前以回归分析模型、滤波模型、时间序列模型、人工神经网络模型以及灰色理论模型为代表的计算智能科学理论在工程学科中应用的实用性和客观性还不够，应加强对各种新的理论模型的可行性的探索。

（4）监测技术集成性和协调性差。在现有基础上开发的新型监测系统，一般基于自己的编制程序，当与其他技术相结合时，便会出现数据无法读取或读取有误、监测结果无法可视化等问题；从监测设备角度而言，大都只能监测滑坡体的部分指标，而一个滑坡体的发生与多重因素有关，这便需要购置大量不同种类的边坡监测仪器，无疑增加了监测的成本和系统集成的难度。

4 结 语

随着时代的发展，边坡问题变得越来越复杂，水利建设、矿山开采、高层建筑基坑和深开挖施工等都可能形成极高极陡的边坡。目前，国内边坡变形监测技术的应用仍然存在设备自动化程度低，数据采集与传输方式智能化不够充分等缺点，这与边坡工程预算成本的控制不无关系。

为此今后可在以下几个方面开展重点研究：

（1）开发更加经济实惠的边坡监测仪器和设备。目前大型边坡工程应用的监测技术所使用的仪器设备普遍造价昂贵，难以大范围普及使用，对技术的发展与推广起桎梏作用。未来应重点开发成本更加低廉，经济实惠的监测仪器和设备，更好地为边坡工程服务。

（2）加强综合应用监测技术方法的集成性与协调性研究。目前的监测技术普遍存在不同监测方法之间监测数据提取和处理软件的通用性较差等问题，未来应加强综合性监测方法与现场综合处理平台的同时运用，以便优势互补，获得全面的边坡稳定性信息。

（3）加强对边坡监测资料分析和理论模型的研究。应以监测资料为依据，寻找影响数据信噪比的主要因素，给予消除或减弱，并敢于将新的数学模型和方法应用到边坡监测数据的处理中来，及时准确地了解边坡的应力应变状态。

（4）边坡变形监测工程指南与规范制订。现有的监测技术规范已越来越不能满足工程实践的需要，应根据新开发的监测技术与设备，及时修订和补充规范。

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CURRENT STATUS AND NEW PROGRESS ON SLOPE DEFORMATION MONITORING TECHNOLOGIES

DONGWenwen①ZHU Honghu①SUN Yijie②SHIBin①
（①School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210023）
（②College of Transportation Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009）

Landslide is a critical geological disaster that has drawn general concern of the society.Earthquakes，rainfalls，reservoir operations and construction activities frequently induce largemovements of high slopes and even trigger landslides or debris flows，which poses a significant threat to human lives and properties.In recent years，themonitoring technologies of slope deformation have been rapidly developed and played an increasingly important role in ensuring slope stability，verifying the effect of reinforcingmeasures，enhancing early warning of landslides，et al.This paper briefly introduces the conventional slope deformation monitoring technologies and their shortcomings.The latest development and applications of slope deformation monitoring technologies at home and abroad in the past few decades are presented in detail，followed by a comparison of the features of these technologies，especially the distributed fiber optic sensing technology.Finally，some research suggestions are proposed for future development of slope deformation monitoring technologies.

P642.22

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.007

2015－09－30；

2015－11－07.

国家自然科学基金青年基金（41302217），教育部高等学校博士学科专项科研

（20120091120012），国家自然科学基金

重点项目（41230636）资助.

董文文（1991－），男，硕士生，主要从事地质工程方面的研究工作.Email：365239721＠qq.com

朱鸿鹄（1979－），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事地质工程、岩土工程方面的教学和研究工作.Email：zhh＠nju.edu.cn