GPS定位系统在滑坡监测中的应用——以四川峨眉某滑坡为例

2016-04-28张清志

四川建筑 2016年1期

关键词：监测网峨眉基准点

李　军, 张清志

(成都地质调查中心，四川成都 610081)

GPS定位系统在滑坡监测中的应用
——以四川峨眉某滑坡为例

李军, 张清志

(成都地质调查中心，四川成都 610081)

【摘要】西南地区地形复杂，人口众多，属地质灾害多发区。自2008年“5·12”汶川大地震和2013年“4·20”芦山地震以后，四川大渡河流域地区的自然环境正在发生着令人不可忽视的变化。为保障该区人民财产生命安全不受损害，建立有效的山体滑坡监测网、累积足够的监测数据以了解地质灾害的发生诱因与进程显得刻不容缓。建立地质灾害山体滑坡监测数据库，对公路建设、旅游开发、人居环境、资源开采等领域有着必不可缺的意义。GPS卫星全球定位系统由于其定位速度快、不受气候条件限制、可获得mm级精度等可靠性，对大地测量以及地球动力学研究等诸多领域产生了极其深刻的影响，在地质灾害滑坡以及地壳形变监测等领域受到了越来越广泛的应用。文章主要以某滑坡为例，介绍GPS用于监测滑坡变形的全过程。

【关键词】地质灾害；滑坡；GPS监测；监测网建立；数据处理

我国幅员辽阔，人口众多，地质灾害较多。随着经济的迅猛发展，交通水利及自然资源的大力建设和大量开采,导致自然环境正在发生着令人不容忽视的变化。加上2008年5月12日汶川大地震和2013年4月20日芦山地震发生以后，西南地区的川、云、贵、西藏等地的滑坡、崩塌等地质灾害对人民生产生活造成的影响在大量的增加。其中尤以地质灾害滑坡对人民生命财产和国民经济造成的损失最为直接和巨大。所以建立安全可靠的滑坡监测体系，持续有效地监测地质灾害显得尤为重要和意义重大。滑坡监测的方法是多种多样的，包括滑坡体整体变形监测、滑坡体内部应力监测(如滑体深部位移等)、滑坡体外部环境监测(如降雨量、地下水位、地声监测等)。其中滑坡体整体变形监测是诸多监测方法中最重要的内容，也是判断滑坡是否危险的主要依据。以往滑坡监测方法通常有两种：一是高程用水准测量方法进行测量；二是用三角测量方法或经纬仪导线测量平面位移。20世纪80年代中期出现全站仪以后，人们就利用全站仪导线和电磁波测距三角高程方法进行变形监测。但上述方法都需要人员到现场观测，工作量大，特别在西南山区进行外业操作，山陡路险，树杂草深，作业十分困难，很难实现无人值守监测。随着科学技术日新月异的进步，对滑坡变形监测的要求也在不断地发展和提高。自1994年Global Positioning System(GPS)卫星全球定位系统作为一项前端技术出现以来，由于其定位速度快、不受气候条件限制，可全天候监测、测站之间无需通视、可获得mm级精度等优点，对大地测量以及地球动力学研究等诸多领域产生了极其深刻的影响，在对地质灾害滑坡以及地壳形变监测等方面受到了越来越广泛的应用。

本文主要以四川省峨眉山市川主乡梯改坡滑坡为例，介绍GPS用于监测滑坡变形的全部过程，包括滑坡体的介绍、监测网的设计建立、外业数据采集、室内数据处理、滑坡体变形的分析等内容。

1滑坡体基本情况介绍

该滑坡位于峨眉川主乡梧桐村，地处峨眉山市西北部，距市区约5 km，为多年古滑坡。滑坡微地貌为低山斜坡地貌，坡向为南东，总体地势西高东低(图1)，后缘高程799 m，前缘高程492 m，相对高差为307 m。斜坡主要微地貌单元有陡坎、陡坡、缓坡以及平台，在纵向从上往下逐次变化呈陡-缓-陡-平台-陡-缓形态，横向上中部微凸。后缘坡度35°左右，中后部坡度相对较缓，坡度约为18°；中部为滑坡平台，前部相对较缓，坡度在10°～16°之间。自2013年4月20日芦山地震发生以后，该滑坡点上的大多数住户均有房屋地基裂缝、耕地出现下滑等现象。

图1　峨眉川主乡滑坡监测工程地质图

2滑坡监测网建立

该滑坡GPS监测网由基准网和变形网构成。首级网为监测系统的基准网，由布设在滑坡体边缘的3个基准点组成。变形网由布设在滑坡体上的监测点组成。在基准网控制下，将滑坡体上监测点的各期观测值与首期观测值的坐标进行平差，计算差值,即可得到该滑坡体的运动值，从而判断该滑坡的稳定性。滑坡监测点根据滑坡体特点来选择，这些点既要能反映滑坡体的整体变形方向、变形量,又要能反映滑坡体范围变形速率，同时每个点还要考虑接收卫星信号情况，如测点上空不能有大面积遮盖物、高压电线或无线电波发射台等，以免影响卫星接收的不间断和准确性。遵循此原则，在对野外现场环境进行了仔细踏勘之后，布设了如图2所示的GPS变形监测网。其中EMB1、EMB2、EMB3为布设在该滑坡体边缘稳定基岩上的3个基准点，EM04、EM05、EM06、EM07、EM08、EM09、EM10、EM11、EM12、EM13、EM14、EM15为布设在本滑坡体上的12个对应监测点。各点之间的最远距离约为829 m，最短距离约为66 m。在基准点和监测点上均构筑了高度为1.3 m、并统一配备了强制对中装置的坚固水泥观测墩，以保证其稳固性和长年保存性。

图2　峨眉川主乡滑坡监测点位分布

3外业数据采集

在对该滑坡变形值的数据采集过程中，分别于2014年4月和9月对该滑坡体进行了监测。基准点的外业监测数据采集用2台美国进口trimble 5 700和1台trimble R8 双频GPS接收机，监测点数据采集利用4台trimble 5 700双频接收机。监测方法采用静态相对定位的方法，卫星角度为10°，数据采样率为15S。基准点和监测点都连续监测3个时段，每个时段24 h。并采取选择卫星不少于4颗、选择GDOP值不高于6的手段来提高监测精度。

4数据处理

在监测数据后期处理过程中，采用了trimble公司的TTC2.0 GPS定位系统专业软件逐步进行解算。

(1)基线处理。将原始观测获得的DATA文件转换成在GPS测量应用中普遍采用的标准数据格式rinex文件之后，即可导入trimble TTC专用GPS处理软件进行基线处理。根据软件处理惯例，基线经软件自动处理后呈绿色，即表明基线处理已通过。本次共处理基线57条，通过55条，通过率达到了95%以上，符合基线处理规范。

(2)GPS监测网平差。将基准点和监测点的基线进行处理通过后即可进行国家无约束三维平差(图3)，在平差过程中所有基线会随平差进程滚动条变成兰色平差向量，这表示网中基线不含任何粗差。完成无约束平差后即可对GPS监测网进行国家约束三维平差，完成后赋值到监测报告数据库中。

图3　峨眉川主乡滑坡监测网平差向量图

(3)闭合环的检验。按三角形做闭合环，表1列出了两期GPS监测网的环闭合差精度。从表中数据可以看出，经空间无约束平差后各项精度指标都达到了预期目标，监测网的外业观测质量符合GB/T 1931-42001《全球定位系统(GPS)测量规范》的要求。

表1　环闭合差精度统计

(4)两期监测数据对比及解算。将两期数据都进国家三维约束平差以后，再将两期监测数据库中的笛卡尔坐标进行求差，即可得出各个监测点位的位移数据。本文主要介绍介绍2014年4月和10月数据，具体如表2和图4所示。

图4　峨眉川主乡滑坡点位两期位移量对比柱状图

5结论

(1)该滑坡的12个监测点均发生了不同程度的变形，总体变形方向为NE向，与从滑坡体前缘流过的川主河基本垂直。其中位移量最大的监测点是EM13 (dx=24.0 mm，dy=-22 mm)和EM15 (dx=24.0mm，dy=-28.5mm)。因该滑坡体南西部多为侏罗系遂宁组砂岩，较为稳固，故西南部坡脚有常年生产的采石场和机砖厂却未发生垮塌；滑体北东向中上部为凸出的第四系崩坡积、残坡积物，较不稳定，所以该滑坡又有与该水系流向相反往北倾斜滑动的趋势(图5)。