楊魯強(qiáng)，趙慶志

(1．中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222;2．中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)，江蘇徐州221008)

一、引 言

變形監(jiān)測是指監(jiān)測工程建筑物或構(gòu)筑物的地基沉降位移以及整體的傾斜等變形狀況，其關(guān)鍵在于捕捉變形敏感部位和各觀測周期間的變形觀測點的變形信息。當(dāng)變形在一定的限度之內(nèi)，可以認(rèn)為是正常的情況;如果超過了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時會危及建筑物的安全，給人們帶來災(zāi)難性的危害。變形觀測的精度要求取決于該工程建筑物預(yù)計的允許變形值的大小和進(jìn)行觀測的目的，通常精度要求在亞毫米級至毫米級。

二、變形監(jiān)測方法與意義

常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)是應(yīng)用水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行沉降監(jiān)測，應(yīng)用三角測量(或角度交會)的方法監(jiān)測地基的位移和整體的傾斜。主要是采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等常規(guī)測量儀器測定點的變形值，其優(yōu)點是：能夠提供變形體整體的變形狀態(tài);適用于不同的監(jiān)測精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測環(huán)境;可以提供絕對變形信息。缺點是：觀測時間長，外業(yè)工作量大，布點受地形條件影響;不易實現(xiàn)自動化監(jiān)測。在有些地方由于受到地形和外界條件等限制，其工作效率和精度往往受到很大的影響。利用GPS技術(shù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及變形分析的自動化。

由于GPS衛(wèi)星星歷是根據(jù)WGS-84坐標(biāo)系建立的，因此GPS不論是單點定位的坐標(biāo)，還是相對定位中解算的基線向量都屬于WGS-84大地坐標(biāo)系。在變形監(jiān)測中我們關(guān)心的是變形監(jiān)測點的三維坐標(biāo)的變化量，只要求監(jiān)測點的相對位移量，對監(jiān)測點的絕對位置坐標(biāo)并沒有過高的要求，所以在GPS水準(zhǔn)測量后得到的測點大地高不需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換(難以獲得足夠精確的高程異常值，將大地高轉(zhuǎn)換成正常高)，直接用大地高進(jìn)行比較就可以得到監(jiān)測點的位移量，從而減小了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換帶來的誤差和計算工作。

現(xiàn)實世界中許多災(zāi)害的發(fā)生與變形有著極為密切的聯(lián)系，例如地震、潰壩、滑坡以及橋梁的垮塌等，都是典型的變形破壞現(xiàn)象。因此，變形監(jiān)測研究在國內(nèi)外受到了廣泛的重視。隨著各種大型建筑的大量涌現(xiàn)以及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，變形監(jiān)測研究的重要性更加突出，推動著變形監(jiān)測理論和技術(shù)方法的迅速發(fā)展。目前，變形監(jiān)測正向多門學(xué)科交叉聯(lián)合的邊緣學(xué)科方向發(fā)展，成為相關(guān)學(xué)科的研究人員合作研究的領(lǐng)域。已有的研究工作涉及地殼形變、滑坡、大壩、橋梁、隧道、高層建筑、結(jié)構(gòu)工程及礦區(qū)地面變形等[2]。

GPS因其快速、準(zhǔn)確、實時的觀測特點，可以實時地對地震，大壩、橋梁等大型建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，對一個國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全都有著重要的積極的意義。

三、GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用實例

1．實例介紹

本實例采用美國洛杉磯周邊變形監(jiān)測站2004年到2006年40個監(jiān)測站共15天的觀測數(shù)據(jù)，首先利用GAMIT軟件求解基線向量，再利用GLOBK平差求出監(jiān)測站的觀測坐標(biāo)，以此來求出監(jiān)測站形變量。

監(jiān)測區(qū)內(nèi)共有監(jiān)測站點40個，具體情況如表1所示。

2．監(jiān)測點空間分布

為了更加直觀地表現(xiàn)出觀測點的空間分布情況，根據(jù)各觀測文件，應(yīng)用控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計與平差軟件做出監(jiān)測點位置圖(如圖1所示)。

表1 測區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點

圖1 監(jiān)測點的相對位置

四、形變量與變形規(guī)律

1．解算形變量

將40個監(jiān)測站點從2004年到2006年共15天的觀測數(shù)據(jù)所解得的高程值分別與起始高程值做差，得到各個監(jiān)測點的高程變化值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的變形情況基本一致。為了便于分析，在整個測區(qū)范圍內(nèi)根據(jù)監(jiān)測點的疏密情況選擇3組觀測點，每組3個監(jiān)測站點。3個監(jiān)測站基本構(gòu)成等邊三角形。這3組監(jiān)測站點分別是：

1) 第1組：PSDM，HOL3，CHIL;

2) 第2 組：LONG，HOLP，JPLM;

3) 第3 組：BRAN，CRHS，UCLP。

3組監(jiān)測點的高程變形如圖2～圖4所示。

圖2 PSDM、HOL3、CHIL測站高程變化圖

圖3 LONG、HOLP、JPLM測站高程變化圖

圖4 BRAN、CRHS、UCLP測站高程變化圖

由以上3組圖可以看出，變形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各處的變形趨勢一致，在變形值上只存在很小的差別。

2．變形區(qū)的形變規(guī)律

1)依據(jù)監(jiān)測站的位置分布圖，在測區(qū)中央由南北方向，盡量選取一條直線上的7個測站，用這7個測站的觀測數(shù)據(jù)來分析監(jiān)測區(qū)域中沿南北走向的變形規(guī)律。選擇測站是：DVPB，CHIL，JPLM ，VDCY，LEEP ，F(xiàn)XHS ，UCLP。

所選的7個測站相對于起始高程的變形值如表2所示。

表2 高程變形值 mm

由圖5可以看出，在變形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，沿南北走向變形基本一致。

圖5 測區(qū)南北方向高程變化趨勢圖

2)在南北方向選擇測站連線的垂直方向上，選取兩組點進(jìn)行東西變形趨勢分析：

1) 第 1 組：CRHS，LASC，F(xiàn)XHS，WMAP;

2) 第2 組：LONG，CHIL，SPMS，VNPS。

第1組監(jiān)測點的高程變形情況如表6，圖6所示。

表6 高程變形值 mm

圖6 測區(qū)東西方向高程變化趨勢圖

第2組監(jiān)測點的高程變形情況如表7，圖7所示。

表7 高程變形值mm

由第一組、第二組的圖表分析可知，在變形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，沿南北走向變形基本一致，沿東西走向由東到西變形有逐漸微小的增加。

圖7 測區(qū)東西方向高程變化趨勢圖

3．軟件自動生成的變形圖實例

圖8、圖9分別為2005年BGIS和WMAP測站的變形圖。

圖8 BGIS測站變形圖

圖9 WMAP測站變形圖

4．結(jié) 論

1)在2005年第341天到2006年第11天的35天里，觀測點的高程上升了192±3 mm;

2)在2006年第11天到2006年第46天的35天里，觀測點的高程下降了135±3 mm。由此可以得出，觀測點在2006年1、2月里上升到了極大值，具體日期和數(shù)值因監(jiān)測不是連續(xù)觀測而不能求出。

3)在2006年第46天到2006年第81天的35天里，觀測點繼續(xù)下沉，下沉量為133±3mm。由此可以得出在觀測點上升到極值以后均勻地下沉，平均下沉速率為134±3 mm/35天。

4)在2006年第81天到2006年第116天的35天時間里，觀測點高程比上次觀測上升了58±3mm，由此可以得出觀測點在2006年3、4月里下沉到了極小值，具體日期和數(shù)值因監(jiān)測不是連續(xù)觀測而不能求出。

5)在2006年第116天到2006年第151天的35天里，觀測點同比上次觀測上升了60±3mm。

五、結(jié)束語

由觀測資料得出，觀測區(qū)域受地質(zhì)等各種因素影響，以不等的速率上升和下沉?？梢?，把GPS技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測方面是非常可行的。

另一方面，GPS雖然成功地應(yīng)用于變形監(jiān)測，但在一些特殊環(huán)境中因為GPS信號問題和多路徑效應(yīng)的影響，使得GPS所測精度不高甚至不能觀測，這就需要跟其他測量技術(shù)聯(lián)合。最后應(yīng)該注意的是，在GPS變形監(jiān)測中，水平方向的移動精度要高于垂直方向的移動精度。

[1]羅兵香，張永．GPS變形監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理問題探討[J]．株洲工學(xué)院學(xué)報，2006，20(4)：32-34．

[2]李峰．GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．建筑經(jīng)濟(jì)，2007(S2)：62-65．