孫彩敏,許 軍

(華北科技學(xué)院土木工程系,北京 101601)

GPS技術(shù)在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究*

孫彩敏,許 軍

(華北科技學(xué)院土木工程系,北京 101601)

針對(duì)礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性需求,結(jié)合現(xiàn)代空間定位GPS技術(shù),從理論和實(shí)踐上探討了空間定位GPS技術(shù)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)的實(shí)用性和可行性。通過(guò)GPS邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立,得出定期對(duì)邊坡實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),能及時(shí)捕捉邊坡變形破壞信息和發(fā)展變化趨勢(shì),為分析邊坡穩(wěn)定性和邊坡加固治理提供重要了基礎(chǔ)資料的結(jié)論。

GPS;邊坡監(jiān)測(cè);基線(xiàn)向量;遷水鐵礦;監(jiān)測(cè)點(diǎn);誤差

0 工程概況

遷水鐵礦為大型露天鐵礦,規(guī)模大,范圍廣。根據(jù)區(qū)段的工程地質(zhì)巖體特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體不連續(xù)面特征、采礦設(shè)計(jì)及邊坡方位特征,將整個(gè)采場(chǎng)劃分為 I～V五個(gè)工程地質(zhì)區(qū),如圖 1所示。Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)邊坡不穩(wěn)定區(qū)較多,且Ⅳ區(qū)邊坡上有兩條膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)備,Ⅱ區(qū)邊坡上部 56～116 m水平為西部膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的主干公路,Ⅰ區(qū)邊坡采場(chǎng)垂直高度最大的邊坡為660 m。2004年 8月采場(chǎng)多處邊坡形成裂紋,寬0.5 m發(fā)展到1.5 m,影響邊坡長(zhǎng)度約30 m～50 m,并造成坍塌,破壞面積達(dá)2.8萬(wàn) m2。

1 GPS邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 GPS監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)布設(shè)依據(jù)和技術(shù)規(guī)范要求,確定在采場(chǎng)建立 36個(gè)監(jiān)控點(diǎn),將 36個(gè)監(jiān)控點(diǎn)分兩個(gè)階段來(lái)實(shí)施,各工程區(qū)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)如表1。其中,對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三個(gè)邊坡區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控,主要布設(shè)在邊坡破壞區(qū)域上部的安全平臺(tái)上,對(duì)下方的邊坡變形破壞實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),采用 A級(jí)或二等GPS觀(guān)測(cè),如圖 2所示。

圖1 遷水鐵礦邊坡工程地質(zhì)分區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of slope engineering geology subareas of Qianshui iron ore

表1 各工程區(qū)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)Tab.1 Control pointmumber of engineering zones

圖2 遷水鐵礦邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn) (含兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn))分布圖Fig.2 Distribution map of slope safty'smonitoring points(including two datum marks)ofQianshui iron ore

1.2 遷水鐵礦GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

首期 14個(gè)網(wǎng)點(diǎn)及 2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)共 16個(gè)點(diǎn);每點(diǎn)設(shè)站兩次;4臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀(guān)測(cè),可得滿(mǎn)足精度的最少觀(guān)測(cè)時(shí)段數(shù)為 8;總基線(xiàn)數(shù)為 48;必要基線(xiàn)數(shù)為 15;獨(dú)立基線(xiàn)數(shù)為 24;遷水鐵礦GPS最終監(jiān)測(cè)網(wǎng)每一觀(guān)測(cè)周期共 20個(gè)觀(guān)測(cè)時(shí)段,60條獨(dú)立基線(xiàn)。首期和終期網(wǎng)形結(jié)構(gòu)特征對(duì)比,如表 2所示。

表2 首期和終期網(wǎng)形結(jié)構(gòu)特征對(duì)比表Tab.2 Contrast table of figure construction features of between initial period and last period

所設(shè)計(jì)的觀(guān)測(cè)網(wǎng)有如下優(yōu)點(diǎn):

1)按照每點(diǎn)獨(dú)立設(shè)站觀(guān)測(cè)兩次的原則進(jìn)行建立。

2)網(wǎng)中各點(diǎn)均有 3條以上基線(xiàn)分支,可確保檢核條件,提高網(wǎng)的可靠性。

3)網(wǎng)形采用邊連接,網(wǎng)的幾何強(qiáng)度和可靠性較高。整個(gè)網(wǎng)形構(gòu)成閉合圖形,具有較好的抗粗差能力。

2 觀(guān)測(cè)實(shí)施

采用拓普康公司生產(chǎn)的 Legacy-E接收機(jī),共 4臺(tái)套。每一測(cè)站上完成的測(cè)量工作主要包括:天線(xiàn)安置,接收機(jī)操作,氣象參數(shù)測(cè)定,測(cè)站記錄等。觀(guān)測(cè)時(shí)間安排:

1)2006年度進(jìn)行 8次監(jiān)測(cè)試驗(yàn),時(shí)間分別為 4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月、12月。

2)2007年度進(jìn)行 8次監(jiān)測(cè)試驗(yàn),時(shí)間分別為 1月、3月、4月、5月、6月、7月、9月、12月。

3)2008年度進(jìn)行了 2次監(jiān)測(cè),時(shí)間分別為 9月、12月。

4)2009年度進(jìn)行了 1次監(jiān)測(cè),時(shí)間為 1月。5)4年中合計(jì)進(jìn)行了 19次監(jiān)測(cè)。

3 GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 GPS測(cè)量的基線(xiàn)處理

首先,對(duì)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行粗加工,對(duì)傳輸至計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)需解譯,提取有用信息,分別建立不同的數(shù)據(jù)文件。其次,GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理,對(duì)觀(guān)測(cè)成果的外業(yè)檢核,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗(yàn),剔除粗差,刪除無(wú)效無(wú)用數(shù)據(jù);統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式,將各類(lèi)接收機(jī)的數(shù)據(jù)文件加工成彼此兼容的標(biāo)準(zhǔn)化文件;GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化;探測(cè)并修復(fù)整周跳變,使觀(guān)測(cè)值復(fù)原;軟件自動(dòng)構(gòu)網(wǎng)方式,自動(dòng)計(jì)算閉合差。對(duì)這些載波相位觀(guān)測(cè)值進(jìn)行各種線(xiàn)性組合,以其雙差值作為觀(guān)測(cè)值列出誤差方程,組成法方程,進(jìn)行基線(xiàn)的平差解算和檢驗(yàn)。

為以 2006年 10月 19日、時(shí)段 B1B2G1G2和 B1B2G13G14的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,表 3為基線(xiàn)向量解算成果檢驗(yàn)表。如果檢驗(yàn)不合格,則需要對(duì)基線(xiàn)進(jìn)行重新解算或重新測(cè)量,然后可進(jìn)行網(wǎng)平差處理。

表3 基線(xiàn)向量解算成果檢驗(yàn)表Tab.3 Check list of vector solving for baselines

3.2 GPS控制網(wǎng)基線(xiàn)向量三維網(wǎng)平差

選取相互獨(dú)立的基線(xiàn)及較短的基線(xiàn)向量,構(gòu)成閉合的幾何圖形,構(gòu)建GPS基線(xiàn)向量網(wǎng)。接著進(jìn)行GPS控制網(wǎng)的三維無(wú)約束平差。三維無(wú)約束平差后,以國(guó)家大地坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系的某些點(diǎn)的固定坐標(biāo)、固定邊長(zhǎng)及固定方位為網(wǎng)的基準(zhǔn),進(jìn)行約束條件,并在平差計(jì)算中考慮GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

4 GPS控制網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)成果

提供的變形監(jiān)測(cè)成果 (只列出部分)主要包括:監(jiān)測(cè)點(diǎn)平差坐標(biāo)成果 (見(jiàn)表 4),監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變形結(jié)果 (見(jiàn)表 5),在某時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速度 (見(jiàn)表 6),GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向累計(jì)變形矢量圖 (見(jiàn)圖 3),監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向、垂直 H方向隨時(shí)間變化的累計(jì)變形量圖 (見(jiàn)圖 4、圖 5),監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向、垂直方向變形速度圖 (見(jiàn)圖 6、圖 7)。

表4 大地坐標(biāo)系下平差坐標(biāo)成果Tab.4 Adjus tment coordinate results under geodetic coordinate system

表5 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變形結(jié)果Tab.6 Final deformation result of partialmonitoring points

表6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速度Tab.6 Defor mation velocity ofmonitoring points

圖3 GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向累計(jì)變形矢量示意圖Fig.3 Sketch map of horizontal directions accumulation deformation ofGPSmonitoring points

4.2 變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果分析

通過(guò)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng) 19期觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析,得到以下的結(jié)論:

1)經(jīng)過(guò)網(wǎng)平差計(jì)算后的最終坐標(biāo)值,水平面 N、E方向中誤差普遍在1.0 mm以下,N、E方向中誤差均值分別為0.69 mm,0.57 mm。高程 H方向中誤差也在2.0 mm范圍內(nèi),中誤差均值為1.47 mm。表明遷水鐵礦GPS控制網(wǎng),監(jiān)測(cè)結(jié)果中誤差小,觀(guān)測(cè)質(zhì)量好,精度高,完全能達(dá)到礦山變形監(jiān)測(cè)的精度和要求。

2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移向量方向和邊坡面傾向基本一致,均指向礦坑開(kāi)挖方向,符合露天開(kāi)挖引起的巖體移動(dòng)的一般規(guī)律;且礦山邊坡水平方向整體變形遠(yuǎn)大于垂直方向變形。

3)從監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速度圖中可以看出,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)并非均勻移動(dòng),而是有季節(jié)性地變化。6～9月是每年降雨量最大的時(shí)期,也是滑坡最頻繁的時(shí)期,而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示,這段時(shí)間的位移變化量及變形速度相對(duì)都較大,其它時(shí)間段,變形速度相對(duì)較小。另外,周邊地質(zhì)環(huán)境也會(huì)影響到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速度。所以,在降雨量大、周邊環(huán)境發(fā)生異常時(shí),要適當(dāng)縮短監(jiān)測(cè)周期,加強(qiáng)對(duì)邊坡變形的監(jiān)控力度,而冬季變形速度較小,可適當(dāng)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期。

4)平差后,監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中誤差較小,水平 N、E方向上最大為0.7 mm,高程 H方向上為1.4 mm,高程 H方向上中誤差比水平 N、E方向普遍偏大近一倍。之所以如此,是由多方面原因引起:在目前的技術(shù)條件下,GPS垂直觀(guān)測(cè)精度較水平觀(guān)測(cè)精度低;垂直方向變形小;在量測(cè)天線(xiàn)高時(shí)垂直方向所引起的人為誤差較大等。前兩個(gè)原因引起的誤差為非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員能克服的,而后一個(gè)原因引起的誤差則可以通過(guò)卡尺、鋼卷尺采用多次分段測(cè)量求得平均值以消減,為人為測(cè)量誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前采用的GPS變形監(jiān)測(cè)的方式主要是采用幾臺(tái)接收機(jī),定期到監(jiān)測(cè)點(diǎn)上觀(guān)測(cè),對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施后處理并進(jìn)行變形分析與預(yù)報(bào)。方法成本相對(duì)較低,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),自動(dòng)化程度較低。所以如何研制開(kāi)發(fā)既能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)滑坡變形監(jiān)測(cè)、又能大大降低變形監(jiān)測(cè)造價(jià)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如GPS一機(jī)多天線(xiàn)技術(shù)、GPS/ INS組合、偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS精密定位等監(jiān)測(cè)系統(tǒng),將是下一步此領(lǐng)域的研究方向。

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Application ofGPS Technology in Slope Safety Monitoring in Open-Pit Iron Mine

SUN Cai-min,XU Jun
(Faculty of Civil Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing101601,China)

The practicability and feasibility is discussed on modern space locatingGPS technology applying to slope monitoring in this paper from theory and practice to meet diggings slope safety's demand.They can momentarily catch slope distortion destroy infor mation and diversification trend to avoid geological calamity appearing,by setting upGPS monitoring system and measuring slope safety timely.Some important data are prodicted to slope safety and repair,providing the best opportunity for high efficiency and safetymanufacture.

GPS;slope safety monitoring;baseline vector;Qianshui ironore;monitoring point;error

P 228.4;TD 17

A

1007-9394(2010)02-0006-04

2010-02-10

孫彩敏 (1967～),女,河南禹縣人,副教授,碩士,主要研究方向:數(shù)字化測(cè)圖。