GPS在巫山高边坡监测中的应用

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GPS在巫山高边坡监测中的应用

周晃1　陈诚2　谭杰恒1

(1重庆市巫山县地质环境监测站，重庆巫山，434700;2中国地震局地壳应力研究所，北京，100085）

【摘要】巫山县城区是三峡工程移民迁建的重点地区之一，也是库区内滑坡地质灾害多发地区，部分高边坡在久雨及人类工程活动等诱发因素影响下已局部形成变形拉裂。为确保库区移民搬迁及人民生命财产安全，对三峡库区巫山县高边坡开展监测尤为重要。本文探讨了利用GPS技术对巫山高边坡进行变形监测的有关问题，论述了 GPS监测点的选点原则，总结了两年来 GPS观测成果。

【关键词】高边坡　GPS　基线边

1　概况

巫山新县城地处长江北岸老县城上方斜坡地带，场地地质条件复杂，地形支离破碎，适于建设的场地面积相当有限。新城在建筑施工、道路开挖中，不可避免地产生了大量的人工边坡，这些边坡坡角多在40°以上，且大多控制着城市用地，一旦失稳下滑将阻断交通，严重威胁人民的生命财产安全，同时危及移民工程的建设，影响三峡工程移民工作进度，是阻碍移民工程的绊脚石。因此开展边坡监测，确保库区移民搬迁显得尤为重要。

本项工作旨在运用GPS技术对巫山新城区高边坡、高挡墙开展全面监测，积累数据，以研究这些边坡的稳定性。利用GPS进行位移监测，一般有两种方案：第一种方案在监测点上建立无人值守的GPS观测系统，通过软件控制，实现实时监测和变形分析、预报。第二种方案是用几台GPS接收机，定期到监测点上观测，对数据实施后处理后，进行变形分析与预报。第一种方案能实时监测，自动化程度也很高，但由于每个监测点上都需要安装GPS接收机，使监测系统的费用非常昂贵。第二种方案虽然劳动强度大，自动化程度低，但费用较省，当监测点较多时，优点比较明显。

利用GPS对巫山高边坡监测主要采用了第二种方法，大大降低了监测系统费用。

2　巫山GPS监测网系统

2.1　GPS基准网设计

GPS测量得到的基线向量属于WGS-84坐标系的三维坐标差，而我们在工程实际中所运用的是国家大地坐标系或地方坐标系的坐标。因此，我们首先必须明确GPS网采用的坐标系统和起算数据，这就是所谓的基准问题。

GPS网的基准设计包括位置基准、尺度基准和方位基准。位置基准一般可由更高级的GPS网基准站的坐标给定，也可选择已有的城市控制点的坐标来确定。因为在三峡库区，由国土资源部承担建设的GPS首级网尚未建成，故我们只能基于已有的城市控制点来实现。根据巫山有关部门提供的数据，我们选用了部分控制点进行联测。联测后，巫山 GPS监测网的位置基准、尺度基准和方位基准便随之确定了。

2.2　巫山GPS监测网选点原则

我们知道，GPS监测点选点应注意以下几点：

（1）监测点应设在基础比较稳定，易于安放接收设备的较高点位上；

（2）为减少GPS信号被遮挡或被障碍物吸收，视场周围15°以上不应有高大障碍物；

（3）点位应远离大功率无线电发射源，其距离不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰；

（4）点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，如高大的树木等，以减弱多路径效应的影响；

（5）应根据边坡体的形态特征、变形特征、动力因素及监测预报等具体要素（变形方位、变形量、变形速率、时空动态、施工动态、发展趋势等）确定点位，且这些点位能真实地反映灾害地质体变形敏感部位。

但在实际选点和测量中，由于巫山新县城有众多的高边坡、高挡墙，特别是还存在着密集的高层楼房，所以一些点位的情况并不能完全满足上述要求。

2.3　GPS监测网建设

巫山GPS监测网全网由40多个变形监测桩组成，分布在巫山县新县城各地。监测网的布设采用同步图形扩展方式，这是在布设 GPS网时最常用的方式。即把多台 GPS接收机放在不同的基准站上进行同步观测。完成一个时段的观测后，再把其中的几台接收机移动至下一组测站。在两组观测之间，两个同步图形之间有一些公共点相连，直到布满全网。这种布网方式作业方法简单，图形强度较高，扩展速度较快，便于组织，故在实际工作中得到广泛应用。

3　GPS监测数据处理及精度分析

由于所要监测的变形量级相对比较小，为了能够精确地测出其变化，要求变形监测网具有较高的精度。对此，在巫山高边坡监测网的设计书中是这样要求的：建成的GPS高边坡监测网，应覆盖移民迁建县城的高陡边坡和重要的移民工程。监测网基准点坐标的平面解算精度优于±2mm，高程精度不低于±4mm；变形监测点坐标的平面解算精度优于±3mm，高程精度不低于±6mm。投入正常运行后，可获得移民迁建区高陡边坡监测点位坐标的长期、连续、可靠的测量数据，为相关地质灾害的监测及预警决策服务。

国家颁布的《城市测量规范》对城市或工程GPS网的主要技术要求见表1。

表1　《城市测量规范》对城市或工程GPS网测量精度的技术要求

比较表1中的数据和我们获得的结果可以看出，尽管一些监测网基准点受临近高边坡与建筑物遮挡，但经过数据处理后，平面内坐标测定的平均点位中误差水平方向为2mm，垂直方向为5mm，基线相对精度达到10ppm。所获得的测量结果优于项目设计书中提出的要求，也高于前述《城市测量规范》对城市或工程GPS网测量精度的技术要求。

变形监测的特点是定期重复观测，各期观测的外界条件基本相同，系统误差在各期观测中基本相同。分析同一条边多期测量的结果，比较其差值可以检验重复定位精度，发现变形的区域。在对测量方法和观测数据处理采取适当措施后，两期成果之差基本不受系统误差的影响。

4　测量获得的初步成果

巫山五期 GPS测量数据的汇总分析是将各期的向量边分别计算后，绘出各向量边的时间变化趋势图，对各期同一向量边进行逐一比较，确定有异常变化的向量边，通过分析后找出变形区域。通过对5期 GPS测量数据的分析处理，发现有趋势性变化的向量边共有14条，这14条向量边的趋势性变化分为两种类型：

4.1　有变形趋势的向量边

6条有变形趋势的向量边分别为：

（1）WG021-WG081，五期累计变化16mm，向量边的特征是缩短，变化趋势见图1；

图1　WGO21-WG081五期累计变化曲线

（2）WG0154-WG048，五期累计变化22mm，向量边的特征是先缩短后增长，变化趋势见图2；

图2　WG0154-WG048五期累计变化曲线

（3）WG048-WG065，五期累计变化11mm，向量边的特征是增长，变化趋势见图3;

（4）WG096-WG149，五期累计变化16mm，向量边的特征是增长，变化趋势见图4;

（5）WG100-WG022，五期累计变化11mm，向量边的特征是增长，变化趋势见图5;

（6）WG177-WG157，五期累计变化10mm，向量边的特征是增长，变化趋势见图6。

4.2　趋势性变化明显、应重点关注的向量边

趋势性变化明显的八条基线边分别是：

（1）WG177-WG140，五期累计变化17mm，向量边的特征是趋势性增长并有加速现象，变化趋势见图7;

（2）WG201-WG157，五期累计变化21mm，向量边的特征是趋势性缩短并有加速现象，形变曲线见图8;

图3　WGO48-WG065五期累计变化曲线

图4　WG096-WG149五期累计变化曲线

图5　WG100-WG022五期累计变化曲线

图6　WG177-WG157五期累计变化曲线

图7　WG177-WG140五期累计变化曲线

图8　WG201-WG157五期累计变化曲线

（3）WG162-WG022，五期累计变化12mm，向量边的特征是趋势性增长并有加速现象，形变曲线见图9;

（4）WG140-WG157，五期累计变化40mm，向量边的特征是增长并呈现为加速趋势，形变曲线见图10；

图9　WG162-WG022五期累计变化曲线

图10　WG140-WG157五期累计变化曲线

（5）WG162-WG032，五期累计变化8mm，向量边的特征是增长并呈现为加速趋势，形变曲线见图11；

（6）WG100-WG149，五期累计变化16mm，向量边的特征是增长并呈现为加速趋势，形变曲线见图12；

图11　WG162-WG032五期累计变化曲线

图12　WG100-WG149五期累计变化曲线

（7）WG157-WG201，五期累计变化－21mm，向量边的特征是缩短并有加速趋势，形变曲线见图13；

（8）WG048-WG171，五期累计变化25mm，向量边的特征是增长，形变曲线见图14。

图13　WG157-WG201五期累计变化曲线

图14　WG048-WG171五期累计变化曲线

4.3　监测资料分析得出的变形点

GPS变形监测的最终目的，是要通过比较各个期次相同矢量边的长度与同一测点的坐标来分析和确定变形点的变形量。通过对巫山监测网基线边的比较和分析，初步确定了一些变形点，从变形的总体特征看，变形的方向为朝向长江方向。

5　小结

三峡库区二期蓄水已有一年多了。在目前的高水位情况下，如果再叠加降水因素，高边坡、高挡墙失稳的危险性将增大，建议在加强专业监测工作的同时，搞好群测群防，力争将地质灾害可能给人民生命财产带来的损失减少到最小的程度。对监测数据分析所确定的变形地区需加强GPS监测，积极开展多种手段监测，尤其在雨季应加大监测密度，在雨季可以1个月进行一次GPS测量，15天开展一次倾斜测量，以期发现不安全的隐患，及时预报，保障人民生命财产安全。同时对高边坡的破坏过程、变形规律开展多学科研究，积极探索对边坡变形失稳的破坏进行正确预报的有效途径。

参考文献

[1]欧阳祖熙等.用 GPS技术研究三峡工程万州库区滑坡的稳定性.中国地质灾害与防治学报，2003,（6)

[2]徐绍铨等.GPS用于三峡库区滑坡监测的研究.水利学报，2003,（1)

[3]韩文心.巫山新县城2003年度 GPS变形监测结果及综合分析.中国地震局地壳应力研究所.

[4]徐勇等.浦东海塘GPS位移监测系统.工程勘察，2004,（1)

[5]岳顺.三峡库区巫山县上西坪滑坡综合治理研究[硕士论文].重庆大学，2002,（12）

怎么做定期边坡监测？

关于题主所问的“做定期边坡监测”，除了文案中提到的利用三维而激光扫描仪，也可以考虑采用压力式静力水准仪来进行边坡监测。
具体测量原理为：压力式静力水准仪系统由储液箱、压力式静力水准仪、连通管等部件组成。 基准点置于一个相对稳定的基点，当观测点相对于基准点发生升降时，将引 起观点压力值的变化。通过基准点与观测点的压力值的变化量，来计算观测 点相对基准点的升降变化。如图示：

测量原理

测量原理

以上，仅供参考。

边坡监测需要测量哪些测项？

近几年，我国边坡塌陷事件频繁发生。所以在边坡发生变形的时候，就应该采取适当方法对其变形及影响因素进行排查，确保变形在安全范围内，以保证边坡的稳定。那今天岩联小编想跟大家分享的是边坡稳定监测的4点主要内容。

一、边坡地表变形监测 
边坡地表变形监测的方法包括地表大地测量法、GPS测量法、近景摄影测量法以及地表沉降变形远程自动化监测边坡岩体的破坏一般是个缓慢的过程，破坏前会有很长时间的变形期。早期边坡稳定监测主要是根据人工观测地表的变化特征，地下水的异变，周围动植物的异常等来确定边坡的状况。虽然这种方法最简单，也没有实际数据，但它是边坡最直观的表现，以此为据才能制定合理的监测方案。通过对边坡岩体的变形量测，不但可以预测预报边坡的失稳滑动，同时运用变形的动态变化规律来检验边坡治理设计的正确性。 
二、边坡内部变形监测 
边坡内部变形监测的目的是能为准确确定滑面位置，研究滑坡目前性状及其发展趋势，以及整治工程设计提供重要的信息。边坡稳定监测主要是在钻孔中安设仪器对边坡内部变形实行监测，监测项目主要有沉降、倾斜、挠度及地下水位或渗透压力，有时还可以进行地下水流向、流速和水质分析等测量工作。对于边坡来说，潜在滑面的确定至关重要，一般是以地质勘察为主确定潜在滑面，通过监测等手段，验证或修正潜在滑面的位置。 

三、边坡应力监测 
边坡应力监测包括边坡内部应力监测、岩石边坡地应力监测、边坡锚固应力测试。边坡地应力监测主要是针对大型岩石边坡工程，一般采用深孔应力解除法来进行地应力绝对测量和地应力变化监测，只在了解边坡地应力或在施工过程中地应力的变化情况。边坡锚杆锚索拉力的变化是边坡荷载变化的直接反映，因此对于边坡锚固力的监测，一方面可以结合位移测量修正锚杆的设计参数，另一方面可以了解到边坡荷载的变化情况。 
四、边坡地下水监测 
地下水是边坡失稳的主要诱发因素，对于地下水丰富的边坡，地下水动态监测是一项重要的监测内容。地下水动态监测以了解地下水位为主，根据工程要求，可进行地下水孔隙水压力、扬压力、动水压力、地下水水质监测等。尤其在边坡工程中，孔隙水压力是评价和预测边坡稳定性的一个重要因素，需要在现场埋设孔隙水压力仪进行观察。

以上是边坡稳定监测的主要内容分析，我们正由过去的人工皮尺的检测手段过渡到监测设备，又在向自动化远程系统方向发展，相信我国的监测技术会越做越好。

民用建筑施工时遇高边坡怎样处理

民用建筑施工时遇到的边坡，是永久性建筑边坡，凡土质边坡高超过8米、岩质边坡高超过20米的为‘高边坡’，属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程。
‘高边坡’工程应由建设方委托有相应等级设计资质的勘察单位编制高边坡支护设计文件，并经审查机构审查通过；同时，建设方尚应委托有相应等级监测资质的监测单位编制监测方案。支护设计文件交施工方后，施工项目部技术负责人应根据支护设计编制高边坡工程安全专项施工方案，送施工企业审批后，应邀请专家组论证通过后才能实施。监测方案也应经专家组论证通过。

边坡需要做哪些检测试验

要进行监测的边坡定义
要进行监测主要有两类边坡：A由于人类活动的施工形成的人工边坡；B可能影响人类活动的自然斜坡。
2、边坡监测的目的
A确保边坡形成的过程中施工人员、机械的安全；
B在边坡形成后判定边坡的稳定性；
C确保边坡影响范围内的建（构）筑物的安全
二、边坡监测必须掌握的规范和要求
国家规范
《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2013
《建筑变形测量规范》JGJ8-2007
《工程测量规范》GB50026=2007
《建筑边坡工程 鉴定与加固技术规范》GB50843
《工程 岩体试验方法标准》GB/T50344
国家行业标准：
~
地方规程
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三、边坡监测的工作流程
1、接受任务(一般要业主委托)
2、现场踏勘及收集资料(关键是地质勘察、边坡设设计、施工组织设计、边坡位置的气象等资料)
3、编制监测方案（监测项目、监测目的、监测方法、测点布设、监测项的报警值、信息反馈制度、监测频率及周期）
4、埋设及保护监测点、仪器及元件检校
5、现场测试（数据采集）
6、分析与整理监测数据和反馈
7、提交阶段性的成果和报告
8、工程监测完成后提交监测总结报告
四、边坡监测的内容

五、监测方案的编制
监测方案内容应包括：
工程概况
地质岩土情况及周边环境状况
监测的目的和依据
监测的内容及项目
基准点及监测点的布设及保护
监测的方法和精度
监测时间及频率
监测报警及异常情况下的监测
监测数据处理及信息反馈
监测人员的配备
监测设备及检定
作业安全及其他管理制度
七、监测报告
1、 边坡工程概况
2、监测依据
3、监测仪器情况
4、测点布置图
5、监测项目指标的里程曲线
6、监测数据整理、分析、结果评述

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