康 麗 文

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

GPS技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

康 麗 文

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

闡述了GPS技術(shù)的定位原理，并通過(guò)分析黃泥巴蹬坎滑坡的監(jiān)測(cè)實(shí)例，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可對(duì)滑坡進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、三維位置高精度變形監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，指出GPS技術(shù)是一種極為有效的滑坡變形監(jiān)測(cè)方法，在滑坡監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

GPS技術(shù)，滑坡，變形監(jiān)測(cè)

隨著環(huán)境的惡化，滑坡等災(zāi)害發(fā)生的越來(lái)越頻繁，它嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,破壞工程設(shè)施,影響正常的生產(chǎn)和生活,給國(guó)家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。當(dāng)前，對(duì)滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方式和手段主要是通過(guò)群測(cè)群防獲取非重點(diǎn)滑坡的狀態(tài)信息,同時(shí)以常規(guī)監(jiān)測(cè)手段取得重點(diǎn)滑坡的狀態(tài)信息,既須耗費(fèi)大量的人力,又不易及時(shí)獲得臨滑前期的先兆信息[2]。而集全天候、抗干擾能力強(qiáng)、自動(dòng)化、精度高、選點(diǎn)靈活、可快速實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)定點(diǎn)的三維位置等優(yōu)點(diǎn)[3]于一身的GPS技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用便于監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)Υ蠓秶こ踢M(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。由美國(guó)國(guó)防部主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的一套具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于滑坡[4,5]、橋梁[6]和大壩[7，8]的變形監(jiān)測(cè)，并取得了較好的成果。本文將對(duì)GPS技術(shù)的定位原理及其在三峽庫(kù)區(qū)云陽(yáng)縣滑坡變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，并對(duì)GPS技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)及其在滑坡的應(yīng)用前景進(jìn)行總結(jié)。

1 GPS技術(shù)定位原理

GPS是一種利用衛(wèi)星發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)衛(wèi)星的瞬時(shí)位置利用空間距離后方交會(huì)的方法確定點(diǎn)位置，憑借其全天候連續(xù)和實(shí)時(shí)精密定位的特點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)。如圖1所示，在待測(cè)點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī),在某一時(shí)刻tk同時(shí)接收到3顆(或3顆以上)衛(wèi)星S1，S2，S3所發(fā)出的信號(hào)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心(測(cè)站點(diǎn))至衛(wèi)星的距離ρi，i=1,2,3。根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時(shí)刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(Xj，Yj，Zj)，j=1，2，3，此外，考慮到衛(wèi)星鐘差cδt和接收機(jī)鐘差cδT、電流層誤差ρtrop和對(duì)流層誤差ρion以及由衛(wèi)星星歷不準(zhǔn)造成的等效距離誤差ε等，從而由式(1)解算出K點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xk，Yk，Zk)，k=1,2,3。

(1)

2 GPS技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用的實(shí)例

2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)概況

三峽工程是世界矚目的偉大工程，但受三峽水庫(kù)防汛水位下降及局部降雨影響，滑坡體變形明顯加劇。整個(gè)三峽庫(kù)區(qū)滑坡多達(dá)2 000多處，其中位于云陽(yáng)縣蓮花鄉(xiāng)長(zhǎng)江支流斜坡上的黃泥巴蹬坎滑坡發(fā)育于侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組紫紅色泥巖及泥質(zhì)粉砂巖組成的順向坡中的變形體。其平面上近似三角形，剖面上呈凹形，縱長(zhǎng)約450 m,前緣寬約650 m，滑體平均厚度約30 m，體積約5 400 000 m3。

2.2 網(wǎng)的布設(shè)

GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)由基準(zhǔn)網(wǎng)和變形網(wǎng)構(gòu)成。首級(jí)網(wǎng)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)網(wǎng)，二級(jí)網(wǎng)由滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。在基準(zhǔn)網(wǎng)控制下，比較滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期觀測(cè)量與首期觀測(cè)值的坐標(biāo)差值，即可判斷滑坡穩(wěn)定性。滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)滑坡體特點(diǎn)來(lái)選擇，這些點(diǎn)既要能反映滑坡體整體變形方向、變形量，又要能反映滑坡體范圍變形速率。同時(shí)每個(gè)點(diǎn)還要考慮接收衛(wèi)星信號(hào)情況，測(cè)點(diǎn)上空不要有大面積遮擋物。為此根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的野外勘察，按照布網(wǎng)原則布設(shè)。如圖2所示的GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。在滑坡體上布設(shè)3縱、3橫共6條監(jiān)測(cè)剖面(網(wǎng))。分別在滑坡體內(nèi)高程180 m，210 m，230 m各布設(shè)1條線。于滑坡外穩(wěn)定地帶布設(shè)2個(gè)GPS地表形變監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。在每條線的滑體內(nèi)左、中、右部各布設(shè)1個(gè)GPS形變監(jiān)測(cè)點(diǎn),共有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)時(shí)，采用6臺(tái)套Trimble4600(另備有3臺(tái)套Trimble5700)對(duì)其進(jìn)行為期2 h的靜態(tài)測(cè)量。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)誤差的改正處理，如衛(wèi)星接收機(jī)鐘差、電離層和對(duì)流層、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)位置誤差等等，得到該滑坡的深部位移數(shù)據(jù)和GPS地表位移數(shù)據(jù)。在此，將對(duì)其舉四處點(diǎn)位移來(lái)對(duì)比說(shuō)明監(jiān)測(cè)的成果。圖3為29監(jiān)測(cè)點(diǎn)處鉆孔13 m深處隨時(shí)間變化的變形數(shù)據(jù)。從圖3中可以看出3月～4月和5月～7月，位移變化率較大，但小于0.3 mm；10月～12月基本無(wú)形變，2月～3月，位移變化率特別小，小于0.1 mm。

圖4～圖6為GPS監(jiān)測(cè)不同方位的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(26監(jiān)測(cè)點(diǎn)，30監(jiān)測(cè)點(diǎn)，32監(jiān)測(cè)點(diǎn))地表位移隨時(shí)間變化的曲線圖，圖中實(shí)線為主滑方向位移，虛線為高程位移。正常每月監(jiān)測(cè)2次，而6月和9月各加密監(jiān)測(cè)一次。

由圖4～圖6可以看出，5月～10月時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形明顯。主滑方向和高程的位移增大或者減小的時(shí)間大致相同，GPS監(jiān)測(cè)主滑方向和高程的形變總值均超過(guò)100 mm。6月和9月，位移日變率較大，但均小于5 mm。11月～4月，位移平均日變化率較小，小于1 mm。 在巡視過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)有1 mm～5 mm長(zhǎng)度不等的裂縫、高度不等的局部錯(cuò)臺(tái)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量及位移曲線的變化規(guī)律均與深部位移監(jiān)測(cè)、實(shí)際情況相一致。說(shuō)明GPS滑坡活動(dòng)性觀測(cè)結(jié)果是可靠的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GPS作為一種無(wú)線電定位原理的技術(shù)，其用于滑坡安全監(jiān)測(cè)的精度可到毫米級(jí)，GPS能從三維空間的角度一次性觀測(cè)滑坡的動(dòng)態(tài)變化,即水平、垂直和方位同時(shí)觀測(cè)滑坡的變形規(guī)律,解決了常規(guī)觀測(cè)中需要采取多種方法觀測(cè)的問(wèn)題，使一次觀測(cè)結(jié)果就能充分反映滑坡的全方位活動(dòng)性。通過(guò)對(duì)整個(gè)滑坡進(jìn)行全面布設(shè)控制網(wǎng)，可以逐點(diǎn)進(jìn)行全天候、連續(xù)且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑坡的形變，為滑坡預(yù)警和治理提供更為可靠的消息，完成監(jiān)測(cè)區(qū)域中滑坡表面的變形監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3 總結(jié)和展望

通過(guò)具有全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)三維位移高精度監(jiān)測(cè)特點(diǎn)的GPS技術(shù)在黃泥巴蹬坎滑坡變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，驗(yàn)證了GPS可以代替常規(guī)大地測(cè)量監(jiān)測(cè)方法，可以滿足滑坡位移監(jiān)測(cè)的要求。此外，還可以利用無(wú)線通訊進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控,這對(duì)于危險(xiǎn)地區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)更為有利。隨著GPS技術(shù)的逐漸成熟，GPS測(cè)量的精度將會(huì)得到進(jìn)一步的改善。其在發(fā)展中取得了很好的應(yīng)用效果。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，GPS技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足，如：每個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上均需長(zhǎng)期安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，監(jiān)測(cè)成本較高，儀器設(shè)備的安全問(wèn)題較難解決，需提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的電源。但隨著研究的進(jìn)一步深入，擁有巨大潛力的GPS技術(shù)在未來(lái)的滑坡的變形監(jiān)測(cè)方面必將有更廣泛的應(yīng)用。

[1] 文海家,張永興,柳 源，等.滑坡預(yù)報(bào)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2004,15(1):1-4.

[2] 過(guò)靜珺,楊久龍,丁志剛,等.GPS在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究——以四川雅安峽口滑坡為例[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),2004(1):65-70.

[3] 李征航,徐紹銓.全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的最新進(jìn)展第三講GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪信息與工程,2002(3):32-35.

[4] 郭永成,劉 輝,何春桂,等.GPS在滑坡外觀變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(2):72-75.

[5] 李遠(yuǎn)寧,馮曉亮.GPS在三峽水庫(kù)區(qū)云陽(yáng)縣滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2007(1):124-127.

[6] 過(guò)家春.GPS技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[7] 劉明河,姚守峰,周保興.GPS在天荒坪大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].科技信息(科學(xué)教研),2007(12):28-29.

[8] 葛從兵,鮑 亮.基于智能客戶端的GPS大壩變形監(jiān)測(cè)資料整編與分析系統(tǒng)[J].水利水電科技進(jìn)展,2010(5):53-56.

The application of GPS technology in landslide deformation monitoring

KANG Li-wen

(HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

This paper described the principle of GPS technology, and through the analysis on testing examples of Huangnibadengkan landslide, proved that the system had the features could real-time, continuous, three-dimensional position high-precision deformation monitoring to the landslide, pointed out that the GPS technology was a kind of effective landslide deformation monitoring method, had wide application prospect in landslide monitoring.

GPS technology, landslide, deformation monitoring

2014-07-10

康麗文(1991- )，女，在讀本科生

1009-6825(2014)27-0215-02

TU196.1

A