基于GPS快速定位技術的滑坡災害動態(tài)變形監(jiān)測

劉　驥

(瓦房店市河道管理處，遼寧 瓦房店　116300)

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基于GPS快速定位技術的滑坡災害動態(tài)變形監(jiān)測

劉驥

(瓦房店市河道管理處，遼寧 瓦房店116300)

GPS快速定位技術在現(xiàn)代地質(zhì)災害預防和治理中正在發(fā)揮越來越顯著的作用。本文首先對滑坡監(jiān)測精度的計算方法、影響因素進行了討論，并對滑坡級別、滑坡速度與監(jiān)測精度要求的關系進行了歸納。然后對當前主流GPS快速定位技術的類型、原理及特點進行了總結(jié)和闡述。最后通過三階段的滑坡動態(tài)實時變形監(jiān)測實驗，對GPS-RTK技術的精度和可靠性進行了探討。結(jié)果表明：GPS-RTK技術在滑坡災害動態(tài)監(jiān)測方面具有技術可靠性，能夠用于對4級以上的滑坡災害進行監(jiān)測。

GPS快速定位技術；GPS-RTK技術；滑坡災害；地質(zhì)災害防治

受山地地質(zhì)破損、地表土層疏松、降雨過于集中、地表植被破壞以及其他因素的影響，滑坡災害在我國的發(fā)生頻率較高。據(jù)統(tǒng)計，我國每年滑坡災害在10000件左右，造成了極大的人員傷亡及經(jīng)濟損失。在發(fā)生滑坡災害后，盡管當?shù)卣吧鐣α糠e極進行救援，然而全國各地頻發(fā)的事故仍然讓人反思，在滑坡等自然災害面前，人們需要采取何種措施來有效應對，從而將損害降低到最小[1]。事實上，滑坡災害之所以會造成嚴重的破壞，除了自然因素，還與災害監(jiān)測技術落后、不能提前發(fā)現(xiàn)隱患并及時采取防治措施有關。本文將基于GPS快速定位技術，就如何有效地對滑坡災害動態(tài)變形進行監(jiān)測展開研究，希望對改進滑坡災害監(jiān)測技術和防治水平有積極作用。

1　滑坡監(jiān)測的精度

滑坡是一種地質(zhì)滑移現(xiàn)象，它是指斜坡巖土體在剪應力作用下沿著剪切破壞面所發(fā)生的地質(zhì)災害。在對滑坡變形進行監(jiān)測時，監(jiān)測精度會受到滑坡體變形速度、復測周期以及位移中誤差等因素等影響。經(jīng)過大量統(tǒng)計研究，提出了影響滑坡變形監(jiān)測精度三因素之間的關系[2]：

式中σΔx、σΔy和σΔz——x軸、y軸和z軸方向上的滑坡監(jiān)測精度；

Δtx、Δty和Δtz——x軸、y軸和z軸方向上的滑坡監(jiān)測周期；

vx、vy和vz——x軸、y軸和z軸方向上的變形速度。

由上述公式可知，當滑坡變形速度保持不變時，越是縮短監(jiān)測周期，監(jiān)測效果就越依賴于監(jiān)測精度的提升；當監(jiān)測周期保持不變時，越是提高變形速度，監(jiān)測效果就越不依賴于監(jiān)測精度的提高；當變形速度越小時，監(jiān)測效果就越依賴于復測周期與監(jiān)測精度。

滑坡速度與滑坡級別直接相關，且決定著人們面對滑坡應該采取的反應類型[3]。由下表可知，人類只能對5級、5級以下的滑坡采取反應措施。對于4級、5級滑坡，人們需要采取疏散的對策；對于6級、7級的滑坡，人類通常不能響應，因而只能夠提前預測?？梢?，為了更好地應對高級滑坡，需要隨時做好監(jiān)測，尤其需要提升監(jiān)測精度。例如，如果要有效、及時地應對5級滑坡，監(jiān)測精度需要能夠精確到分鐘級；對于6級滑坡，監(jiān)測精度需要能夠精確到秒鐘級。

滑坡級別及運動速度分類表

2　GPS快速定位技術

當前，工程界主流GPS快速定位技術包括GPS-RTK技術、GPS單歷元定位技術和GPS實時精密單點定位技術。各自的工作原理及特點如下[4]：

a. GPS-RTK技術。GPS-RTK技術的工作原理是，用戶站一方面接收來自基準站的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，另一方面接收來自基準站的站坐標以及無線電觀測數(shù)據(jù)，通過對兩組數(shù)據(jù)鏈進行對比處理，能夠?qū)⑷S坐標信息提供給用戶，并且數(shù)據(jù)的精度能夠達到cm級。

b. GPS單歷元定位技術。GPS單歷元定位技術又被稱為單時刻定位技術，它是指在觀測某一個時點的GPS數(shù)據(jù)后，立即將變形量或者三維坐標信息輸出給用戶[5]。該技術具有采樣頻率高(能夠達到秒級)、環(huán)境適應性強(GPS信號中斷頻繁、衛(wèi)星服務少等)等優(yōu)點，因而在工程變形監(jiān)測中應用較為廣泛。

c.GPS實時精密單點定位技術。與GPS單歷元定位技術類似，GPS實時精密單點定位技術的工作原理相同，所運用的模型也相同[6]。區(qū)別在于：后者數(shù)據(jù)處理時會運用已經(jīng)獲得的全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)；借助IGS的精密鐘差，可以對所有觀測點進行精密定位。然而，該技術具有一個顯著缺點，即定位精度相對較低，因此在工程測量中的應用通常是輔助性的。

3　滑坡動態(tài)實時變形監(jiān)測

3.1滑坡監(jiān)測試驗方案

該試驗的目的是：對黃土滑坡的動態(tài)變形特征進行測量，并對GPS-RTK技術的可靠性進行評價。使用的方法是：運用GPS-RTK技術對黃土坡體的變形全過程進行動態(tài)監(jiān)測，并與GPS單歷元定位技術的監(jiān)測結(jié)果進行對比。使用的物理模型參數(shù)為：頂部長度12cm，寬度12cm；底部長度24cm，寬度22cm；黃土填充于框架之中；滑面的朝向為正北。在試驗中，使用了6個WJ天線以替代衛(wèi)星作用。

3.2監(jiān)測試驗結(jié)果分析

a.第一階段的試驗結(jié)果。第一階段不施加任何外力，也不做其他任何干涉，如圖1所示，在試驗開始后的6500s內(nèi)，RTK監(jiān)測所得到的滑坡三維變形不顯著。其中，東向、北向的變形量小于10mm，高程變形量也未超過25mm?？梢?，滑梯在這段時間內(nèi)十分穩(wěn)定。

圖1　RTK監(jiān)測某滑坡三維變形的試驗結(jié)果(第一階段)

在6500～1200s時間段內(nèi)，其東向、北向的變形量仍然十分小，不過高程變形量已經(jīng)超過60mm。此時坡體仍然較為穩(wěn)定，沒有形成顯著的坡體裂縫。

b.第二階段的試驗結(jié)果。在第二階段，試驗中的坡腳被去除，坡體變形趨勢逐漸明顯。如圖2所示，在試驗開始3500s后，坡體開始向東北向出現(xiàn)滑移趨勢，然而變形量未超過25mm。然而，在試驗開始400s后，滑坡面出現(xiàn)裂縫，導致坡體的高程變形量快速加大；到6000s時，高程變形量已超過260mm。從試驗中可以發(fā)現(xiàn)，東向滑面破壞程度相對北門更為嚴重，因此東面坡體變形量更顯著。

圖2　RTK 監(jiān)測某滑坡三維變形的試驗結(jié)果(第二階段)

c.第三階段的試驗結(jié)果。在第三階段，利用GPS單歷元定位技術對坡體變形進行監(jiān)測，在去掉坡腳后便不再施加任何外力或者干涉。GPS單歷元定位技術監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。在試驗開始后第1600歷元，高程變形量、北向變形量及東向變形量都開始顯著加速。尤其是在試驗開始后第5400歷元，高程變形量超過270mm。在試驗開始后第5800歷元，高程變形量已經(jīng)無法被天線接收。此時，坡體已經(jīng)在東北向垮塌。將圖3和圖2進行對比可以發(fā)現(xiàn)，GPS-RTK技術與GPS單歷元定位技術的變形量動態(tài)監(jiān)測結(jié)果十分一致。

3.3結(jié)果分析

從上述三個試驗階段的監(jiān)測結(jié)果可知：

a.在衛(wèi)星正常、數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)正常的條件下，GPS-RTK技術的監(jiān)測結(jié)果精度能夠被控制在15mm以內(nèi)，因而能夠?qū)ζ麦w變形量進行可靠監(jiān)測。

b.在坡腳穩(wěn)固的情況下，坡體變形的速度很慢。在坡腳被破壞后，滑面的傾斜程度、傾斜方向以及滑面的完整程度等會影響坡體的滑移趨向以及滑移速度。

c.通過將GPS-RTK技術與GPS單歷元定位技術的監(jiān)測結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)二者的監(jiān)測一致性較高，表明GPS-RTK技術的結(jié)果是可靠的。

d.通過與表中的數(shù)據(jù)進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，GPS-RTK技術能夠用于4級以上的滑坡災害監(jiān)測。其動態(tài)監(jiān)測的精度能夠達到15mm(高程方向)和10mm(平面方向)。

4　結(jié)　語

為了提升現(xiàn)代滑坡災害的防治水平，必須充分利用現(xiàn)代監(jiān)測方法和監(jiān)測工具。經(jīng)過試驗分析，在衛(wèi)星及無線數(shù)據(jù)設備充足的前提下，GPS-RTK技術能夠?qū)碌淖冃瘟窟M行精確的動態(tài)監(jiān)測，其精度能夠達到10mm(平面方向)及15mm(高程方向)。然而，在監(jiān)測實踐中，還可以運用GPS單歷元定位技術等進行補充和對比，也可以單獨使用這些監(jiān)測技術。具體選擇時，需要根據(jù)衛(wèi)星條件、氣候和地質(zhì)條件等進行綜合分析；另外，在監(jiān)測過程中，需要在坡腳等關鍵坡體處設置更多的無線天線，對其進行更全面、精確的監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)滑坡預兆，從而為災害預防和應對提供寶貴的時間。

[1]盧書強,易慶林,易武,等.三峽庫區(qū)樹坪滑坡變形失穩(wěn)機制分析[J].巖土力學,2014(4):1123-1130.

[2]楊偉,高菊容,王和鑫.特大地質(zhì)滑坡原因分析及處理措施[J].水利技術監(jiān)督,2014(4):47-49.

[3]王玉孝,趙敬川.免棱鏡全站儀在某滑坡變形監(jiān)測中的應用[J].水電能源科學,2013(8):81-83.

[4]高培.滑坡災害與工程治理探討[J].水利建設與管理,2009(4):58-60,11.

[5]張子鳳.努爾加水庫地質(zhì)災害危害性分析及建議[J].中國水能及電氣化,2014(6):27-30.

[6]阮彥晟,陳曉鵬.官地水電站金廠壩古滑坡體地表變形統(tǒng)計分析[J].中國水能及電氣化,2014(8):32-35.

The dynamic deformation monitoring of landslide disaster based on GPS rapid positioning technology

LIU Ji

(WafangdianRiverManagementOffice,Wafangdian116300,China)

GPS rapid positioning technology plays a more and more significant role in modern geological disaster prevention and control. In the paper, the calculation method and influence factors of landslide monitoring precision are firstly discussed. The relationship among landslide level, landslide speed and monitoring accuracy requirement is concluded. Then, the types, principles and characteristics of current mainstream GPS rapid positioning technology are summarized and described. Finally, the precision and reliability of GPS-RTK technology are discussed through three-stage landslide dynamic real-time deformation monitoring experiment. The results show that GPS-RTK technology has technical reliability in the aspect of landslide disaster dynamic monitoring, which can be used for monitoring landslide disaster higher than level IV.

GPS rapid positioning technology; GPS-RTK technology; landslide disaster; geological disaster prevention and control

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.009

P642

A

1673-8241(2016)04- 0034- 04