基于GPS的山區(qū)水庫(kù)邊坡滑坡體變形監(jiān)測(cè)

叱偉康,李向新,李鵬飛

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093))

隨著社會(huì)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境遭到不斷破壞，滑坡、地陷、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生越來(lái)越頻繁，對(duì)人類生活環(huán)境造成極大的影響?；伦鳛橐环N即普遍又常見的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重地威脅著人類的生命安全，所以對(duì)滑坡的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段對(duì)復(fù)雜的地形進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，不僅耗費(fèi)大量資源，而且不能全天候?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)，面對(duì)滑坡的惡劣環(huán)境，也存在人員不安全的因素。相反GPS卻具有定位迅速、全天候、無(wú)間斷、測(cè)站之間無(wú)需通視、同時(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，這是其他常規(guī)測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)的[1]。自三峽水電站蓄水開始，測(cè)量工作者就開始利用GPS技術(shù)對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的可行性實(shí)驗(yàn)，GPS在精度、速度、時(shí)效性、效益等方面都優(yōu)于常規(guī)方法[2]。從而GPS技術(shù)在滑坡體監(jiān)測(cè)方面得到廣泛的應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

阿海水電站庫(kù)區(qū)由于河谷深切，水庫(kù)兩岸岸坡較陡，在地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等多種因素的影響下，多形成陡崖或峽谷。本文選取滑坡比較顯著的白亞滑坡體為研究區(qū)域，白亞滑坡體位于阿海水電站上游，該區(qū)域存在大量耕地和人口居住，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該地區(qū)滑坡變形情況，對(duì)滑坡體布設(shè)7個(gè)變形明顯的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置圖見圖1。在巡視檢查中，白亞滑坡體地表有已經(jīng)存在的裂縫，特別是滑坡體的上方位置(如BY01,BY02點(diǎn)附近)，此部位的裂縫有緩慢增大的趨勢(shì)，但不是很明顯。此外，BY06點(diǎn)到BY07點(diǎn)之間有很多滑下的碎石，并且這個(gè)部位的上方還有繼續(xù)滑動(dòng)的趨勢(shì)，地表無(wú)隆起，局部地區(qū)略有下陷，但是不明顯，無(wú)滑移崩塌征兆。

圖1 白亞滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 數(shù)據(jù)獲取

白亞滑坡體位于交通不便的庫(kù)區(qū)上游地區(qū)，主要通過(guò)人工周期性監(jiān)測(cè)。自阿海水電站蓄水開始，分別對(duì)白亞滑坡體進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)，得到該區(qū)域不同時(shí)間段的GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)配套的數(shù)據(jù)采集軟件即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常測(cè)值報(bào)警的目的，從而可遠(yuǎn)程監(jiān)控該滑坡體的位移量、變形速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)控滑坡體變形發(fā)展及災(zāi)害預(yù)警[3]。

白亞滑坡體7個(gè)人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要通過(guò)中海達(dá)F16系列GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)雙頻方式采集。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，同時(shí)對(duì)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步觀測(cè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，參考《工程測(cè)量規(guī)范》和采用的監(jiān)測(cè)手段，確定為滑坡監(jiān)測(cè)水平位移點(diǎn)位中誤差不大于±12 mm，且垂直位移監(jiān)測(cè)中誤差不大于±18 mm[4]。

3 數(shù)據(jù)處理

為了使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有更好的融合性，本文采用與GPS兼容性較大的HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件在建立GPS網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)處理工作通常是隨著外業(yè)工作的展開分階段進(jìn)行的。由于變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，會(huì)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行定期的聯(lián)測(cè)，到目前為止，阿海水電站基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了第四期聯(lián)測(cè)，所以本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理將采用最近復(fù)測(cè)后的基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)及高程。

從算法角度分析，可將GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理流程劃分為數(shù)據(jù)傳輸、格式轉(zhuǎn)換、基線解算和網(wǎng)平差4個(gè)階段[5]。基線質(zhì)量評(píng)估的指標(biāo)包括整周模糊度解方差的比值(Ratio值)、觀測(cè)值殘差、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差以及無(wú)約束平差基線向量改正數(shù)等，基線解算的過(guò)程一般自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需人工干預(yù)。基線解算完后進(jìn)行網(wǎng)平差，包括自由網(wǎng)平差、WGS-84三維約束平差、二維平差以及高程擬合等[6]。本文采用2016年1月白亞滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并解算得到自由網(wǎng)平差坐標(biāo)表和最終坐標(biāo)平差成果表(表1,表2)。

表1 白亞監(jiān)測(cè)點(diǎn)自由網(wǎng)平差坐標(biāo)表

表2 白亞最終坐標(biāo)平差成果表

表1詳細(xì)的表現(xiàn)了白亞各點(diǎn)的中誤差，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的誤差相對(duì)較小，精度較高，符合監(jiān)測(cè)要求。從表2中的白亞最終坐標(biāo)平差成果表數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)平差后的各項(xiàng)精度指標(biāo)都能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)且精度比較高，說(shuō)明本次GPS監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)是滿足測(cè)設(shè)要求的，其平差結(jié)果也是合格的。

為了更進(jìn)一步分析滑坡體的變形情況，將本期數(shù)據(jù)與以往各期進(jìn)行深度的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，以對(duì)白亞滑坡體做進(jìn)一步了解。

4 滑坡體變形分析

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分析時(shí)結(jié)合位移量和位移趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析判斷，主要關(guān)注平面位移中主位移(垂直河道方向∑△X位移)，其次要關(guān)聯(lián)分析平面位移次位移(河流上下游方向∑△Y位移)和垂直位移∑△H，還需了解現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況和點(diǎn)位布設(shè)情況。對(duì)此，將前期數(shù)據(jù)與本期數(shù)據(jù)進(jìn)行位移量累計(jì)和變形速率統(tǒng)計(jì)得表3。

表3 白亞滑坡體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果表

4.1 監(jiān)測(cè)成果表

監(jiān)測(cè)成果表3中，符號(hào)規(guī)定X方向從坡上向坡下垂直河道為正，Y方向平行河道向下游為正，H沉降為正。本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面合位移最大值為324.8 mm(BY06,滑坡體上部)，最小值為23.1 mm(BY05, 滑坡體底部)；平均變形速率最大值為0.28 mm/d(BY06,滑坡體上部)，最小值0.02 mm/d(BY05)；滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大平面合位移為324.8 mm(BY06,滑坡體上部)；最大合位移增量為124.8 mm(BY06,滑坡體上部)；最大變形速率1.29 mm/d(BY06,滑坡體上部)。

表中可知，滑坡體上部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)BY01、BY06、BY02、BY03平面合位移較大，下部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)BY07、BY04、BY05的較小?；麦w各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面合位移和平均變形速率呈現(xiàn)從坡頂向下游逐漸減小、坡頂大坡腳小的分布?；麦w各監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向及Y方向的變形均為正值，可推斷滑坡體整體向庫(kù)區(qū)偏上游方向滑動(dòng)。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移、變形速率(變化趨勢(shì)、變化范圍、最大最小值)

根據(jù)白亞滑坡體最近各點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果表，分別對(duì)該滑坡體的合位移、位移變形速率，各期變形速率繪制曲線圖并進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(1) 圖2～5分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平合位移、X方向位移、平均變形速率時(shí)間曲線圖。2012年10月至2012年11月水庫(kù)初次蓄水期間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面合位移、X方向位移時(shí)間曲線均呈現(xiàn)較快的線性增加的趨勢(shì)。在2012年11月后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率明顯減小，平面合位移呈現(xiàn)平穩(wěn)增加趨勢(shì)。在本期(2016年1月)觀測(cè)中，BY06平面合位移量達(dá)到324.8 mm，合位移增量達(dá)到124.8 mm，變形量與其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比都比較大，在以后觀測(cè)中需引起重視。

圖2 白亞監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平合位移時(shí)間曲線圖

圖3 白亞監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平合位移平均變形速率曲線圖

圖4 白亞監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向位移平均變形速率曲線圖

圖5 白亞監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向水平合位移平均變形速率曲線圖

(2)滑坡體滑動(dòng)趨勢(shì)分析：從本期的滑坡體變形分布看，滑坡體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面合位移和平均變形速率呈現(xiàn)從坡頂向下游逐漸減小、坡頂大坡腳小的分布。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移分量∑X值均為正值(≤272.6 mm)，該方向的滑動(dòng)趨勢(shì)較為一致且明顯。向下游的位移分量∑Y值也均為正值(≤176.6 mm),該方向的滑動(dòng)趨勢(shì)較為一致且明顯。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面合位移在48.0～324.8 mm之間，呈現(xiàn)從坡頂部向下、偏向下游方向滑動(dòng)趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)白亞滑坡體進(jìn)行多期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在本期觀測(cè)中，BY06平面合位移量達(dá)到324.8 mm，合位移增量達(dá)到124.8 mm，變形量與其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比都比較大，在以后觀測(cè)中需引起重視。GPS技術(shù)在白亞滑坡體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，充分體現(xiàn)出該技術(shù)在觀測(cè)環(huán)境相對(duì)惡劣環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、不間斷的高精度監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，不同站點(diǎn)之間不需要進(jìn)行直接觀測(cè)，極其適用于環(huán)境惡劣的山區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)，其作業(yè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，在監(jiān)測(cè)速度、后期數(shù)據(jù)處理、效益等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)白亞滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并結(jié)合以往各期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合變形分析?；麦w各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面合位移和平均變形速率呈現(xiàn)從坡頂向下游逐漸減小的趨勢(shì)分布。因此，GPS技術(shù)不僅對(duì)該滑坡體長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)具有高效和實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)地理環(huán)境不穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)也是一種非常值得使用的高效方法。

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