李　軍, 張清志

(成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都 610081)

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GPS定位系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
——以四川峨眉某滑坡為例

李軍, 張清志

(成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都 610081)

【摘要】西南地區(qū)地形復(fù)雜，人口眾多，屬地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。自2008年“5·12”汶川大地震和2013年“4·20”蘆山地震以后，四川大渡河流域地區(qū)的自然環(huán)境正在發(fā)生著令人不可忽視的變化。為保障該區(qū)人民財(cái)產(chǎn)生命安全不受損害，建立有效的山體滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)、累積足夠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以了解地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生誘因與進(jìn)程顯得刻不容緩。建立地質(zhì)災(zāi)害山體滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)公路建設(shè)、旅游開(kāi)發(fā)、人居環(huán)境、資源開(kāi)采等領(lǐng)域有著必不可缺的意義。GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)由于其定位速度快、不受氣候條件限制、可獲得mm級(jí)精度等可靠性，對(duì)大地測(cè)量以及地球動(dòng)力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了極其深刻的影響，在地質(zhì)災(zāi)害滑坡以及地殼形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域受到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。文章主要以某滑坡為例，介紹GPS用于監(jiān)測(cè)滑坡變形的全過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)災(zāi)害；滑坡；GPS監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立；數(shù)據(jù)處理

我國(guó)幅員遼闊，人口眾多，地質(zhì)災(zāi)害較多。隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，交通水利及自然資源的大力建設(shè)和大量開(kāi)采,導(dǎo)致自然環(huán)境正在發(fā)生著令人不容忽視的變化。加上2008年5月12日汶川大地震和2013年4月20日蘆山地震發(fā)生以后，西南地區(qū)的川、云、貴、西藏等地的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人民生產(chǎn)生活造成的影響在大量的增加。其中尤以地質(zhì)災(zāi)害滑坡對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成的損失最為直接和巨大。所以建立安全可靠的滑坡監(jiān)測(cè)體系，持續(xù)有效地監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害顯得尤為重要和意義重大?；卤O(jiān)測(cè)的方法是多種多樣的，包括滑坡體整體變形監(jiān)測(cè)、滑坡體內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)(如滑體深部位移等)、滑坡體外部環(huán)境監(jiān)測(cè)(如降雨量、地下水位、地聲監(jiān)測(cè)等)。其中滑坡體整體變形監(jiān)測(cè)是諸多監(jiān)測(cè)方法中最重要的內(nèi)容，也是判斷滑坡是否危險(xiǎn)的主要依據(jù)。以往滑坡監(jiān)測(cè)方法通常有兩種：一是高程用水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量；二是用三角測(cè)量方法或經(jīng)緯儀導(dǎo)線測(cè)量平面位移。20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)全站儀以后，人們就利用全站儀導(dǎo)線和電磁波測(cè)距三角高程方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。但上述方法都需要人員到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，工作量大，特別在西南山區(qū)進(jìn)行外業(yè)操作，山陡路險(xiǎn)，樹(shù)雜草深，作業(yè)十分困難，很難實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守監(jiān)測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步，對(duì)滑坡變形監(jiān)測(cè)的要求也在不斷地發(fā)展和提高。自1994年Global Positioning System(GPS)衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)作為一項(xiàng)前端技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，由于其定位速度快、不受氣候條件限制，可全天候監(jiān)測(cè)、測(cè)站之間無(wú)需通視、可獲得mm級(jí)精度等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)大地測(cè)量以及地球動(dòng)力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了極其深刻的影響，在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害滑坡以及地殼形變監(jiān)測(cè)等方面受到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文主要以四川省峨眉山市川主鄉(xiāng)梯改坡滑坡為例，介紹GPS用于監(jiān)測(cè)滑坡變形的全部過(guò)程，包括滑坡體的介紹、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)建立、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理、滑坡體變形的分析等內(nèi)容。

1滑坡體基本情況介紹

該滑坡位于峨眉川主鄉(xiāng)梧桐村，地處峨眉山市西北部，距市區(qū)約5 km，為多年古滑坡。滑坡微地貌為低山斜坡地貌，坡向?yàn)槟蠔|，總體地勢(shì)西高東低(圖1)，后緣高程799 m，前緣高程492 m，相對(duì)高差為307 m。斜坡主要微地貌單元有陡坎、陡坡、緩坡以及平臺(tái)，在縱向從上往下逐次變化呈陡-緩-陡-平臺(tái)-陡-緩形態(tài) ，橫向上中部微凸。后緣坡度35°左右，中后部坡度相對(duì)較緩，坡度約為18°；中部為滑坡平臺(tái)，前部相對(duì)較緩，坡度在10°～16°之間。自2013年4月20日蘆山地震發(fā)生以后，該滑坡點(diǎn)上的大多數(shù)住戶均有房屋地基裂縫、耕地出現(xiàn)下滑等現(xiàn)象。

圖1　峨眉川主鄉(xiāng)滑坡監(jiān)測(cè)工程地質(zhì)圖

2滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立

該滑坡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)，由布設(shè)在滑坡體邊緣的3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成。變形網(wǎng)由布設(shè)在滑坡體上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。在基準(zhǔn)網(wǎng)控制下，將滑坡體上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各期觀測(cè)值與首期觀測(cè)值的坐標(biāo)進(jìn)行平差，計(jì)算差值,即可得到該滑坡體的運(yùn)動(dòng)值，從而判斷該滑坡的穩(wěn)定性?；卤O(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)滑坡體特點(diǎn)來(lái)選擇，這些點(diǎn)既要能反映滑坡體的整體變形方向、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，如測(cè)點(diǎn)上空不能有大面積遮蓋物、高壓電線或無(wú)線電波發(fā)射臺(tái)等，以免影響衛(wèi)星接收的不間斷和準(zhǔn)確性。遵循此原則，在對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了仔細(xì)踏勘之后，布設(shè)了如圖2所示的GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。其中EMB1、EMB2、EMB3為布設(shè)在該滑坡體邊緣穩(wěn)定基巖上的3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，EM04、EM05、EM06、EM07、EM08、EM09、EM10、EM11、EM12、EM13、EM14、EM15為布設(shè)在本滑坡體上的12個(gè)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離約為829 m，最短距離約為66 m。在基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上均構(gòu)筑了高度為1.3 m、并統(tǒng)一配備了強(qiáng)制對(duì)中裝置的堅(jiān)固水泥觀測(cè)墩，以保證其穩(wěn)固性和長(zhǎng)年保存性。

圖2　 峨眉川主鄉(xiāng)滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

3外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在對(duì)該滑坡變形值的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，分別于2014年4月和9月對(duì)該滑坡體進(jìn)行了監(jiān)測(cè)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的外業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集用2臺(tái)美國(guó)進(jìn)口trimble 5 700和1臺(tái)trimble R8 雙頻GPS接收機(jī)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集利用4臺(tái)trimble 5 700雙頻接收機(jī)。監(jiān)測(cè)方法采用靜態(tài)相對(duì)定位的方法，衛(wèi)星角度為10°，數(shù)據(jù)采樣率為15S。基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)都連續(xù)監(jiān)測(cè)3個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段24 h。并采取選擇衛(wèi)星不少于4顆、選擇GDOP值不高于6的手段來(lái)提高監(jiān)測(cè)精度。

4數(shù)據(jù)處理

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后期處理過(guò)程中，采用了trimble公司的TTC2.0 GPS定位系統(tǒng)專業(yè)軟件逐步進(jìn)行解算。

(1)基線處理。將原始觀測(cè)獲得的DATA文件轉(zhuǎn)換成在GPS測(cè)量應(yīng)用中普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式rinex文件之后，即可導(dǎo)入trimble TTC專用GPS處理軟件進(jìn)行基線處理。根據(jù)軟件處理慣例，基線經(jīng)軟件自動(dòng)處理后呈綠色，即表明基線處理已通過(guò)。本次共處理基線57條，通過(guò)55條，通過(guò)率達(dá)到了95%以上，符合基線處理規(guī)范。

(2)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差。將基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基線進(jìn)行處理通過(guò)后即可進(jìn)行國(guó)家無(wú)約束三維平差(圖3)，在平差過(guò)程中所有基線會(huì)隨平差進(jìn)程滾動(dòng)條變成蘭色平差向量，這表示網(wǎng)中基線不含任何粗差。完成無(wú)約束平差后即可對(duì)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行國(guó)家約束三維平差，完成后賦值到監(jiān)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖3　峨眉川主鄉(xiāng)滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差向量圖

(3)閉合環(huán)的檢驗(yàn)。按三角形做閉合環(huán)，表1列出了兩期GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的環(huán)閉合差精度。從表中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)空間無(wú)約束平差后各項(xiàng)精度指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量符合GB/T 1931-42001《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》的要求。

表1　環(huán)閉合差精度統(tǒng)計(jì)

(4)兩期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比及解算。將兩期數(shù)據(jù)都進(jìn)國(guó)家三維約束平差以后，再將兩期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的笛卡爾坐標(biāo)進(jìn)行求差，即可得出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位移數(shù)據(jù)。 本文主要介紹介紹2014年4月和10月數(shù)據(jù)，具體如表2和圖4所示。

圖4　峨眉川主鄉(xiāng)滑坡點(diǎn)位兩期位移量對(duì)比柱狀圖

5結(jié)論

(1)該滑坡的12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了不同程度的變形，總體變形方向?yàn)镹E向，與從滑坡體前緣流過(guò)的川主河基本垂直。其中位移量最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)是EM13 (dx=24.0 mm，dy=-22 mm)和EM15 (dx=24.0mm，dy=-28.5mm)。因該滑坡體南西部多為侏羅系遂寧組砂巖，較為穩(wěn)固，故西南部坡腳有常年生產(chǎn)的采石場(chǎng)和機(jī)磚廠卻未發(fā)生垮塌；滑體北東向中上部為凸出的第四系崩坡積、殘坡積物，較不穩(wěn)定，所以該滑坡又有與該水系流向相反往北傾斜滑動(dòng)的趨勢(shì)(圖5)。

表2　兩期滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)

圖5　 峨眉川主鄉(xiāng)滑坡點(diǎn)位移圖

(2)目前該滑坡正處于滑動(dòng)變形期，滑體上又多分布民居和維系當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)來(lái)源的茶樹(shù)和白蠟樹(shù)，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)高度重視，安排專職人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)和巡視。特別是雨季汛期，更應(yīng)注意安全，及時(shí)避險(xiǎn)，必要時(shí)向當(dāng)?shù)卣岢霭徇w請(qǐng)示。

(3)從該滑坡前緣經(jīng)過(guò)正在建設(shè)的川主——洪雅公路的施工單位，應(yīng)充分考慮該滑坡的變形量與滑動(dòng)方向，因地制宜，合理考慮施工方案，謹(jǐn)慎準(zhǔn)備安全預(yù)案，使工程圓滿完成，以免給人民財(cái)產(chǎn)生命安全造成損失。

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】P225.3

[作者簡(jiǎn)介]李軍(1975～)，男，專科，從事地質(zhì)災(zāi)害滑坡GPS監(jiān)測(cè)和地殼形變監(jiān)測(cè)工作。

[定稿日期]2015-09-08