周晃1 陳誠2 譚傑恒1
(1重慶市巫山縣地質環境監測站，重慶巫山，434700;2中國地震局地殼應力研究所，北京，100085）
摘要巫山縣城區是三峽工程移民遷建的重點地區之壹，也是庫區內滑坡地質災害多發地區，部分高邊坡在久雨及人類工程活動等誘發因素影響下已局部形成變形拉裂。為確保庫區移民搬遷及人民生命財產安全，對三峽庫區巫山縣高邊坡開展監測尤為重要。本文探討了利用GPS技術對巫山高邊坡進行變形監測的有關問題，論述了 GPS監測點的選點原則，總結了兩年來 GPS觀測成果。
關鍵詞高邊坡 GPS 基線邊
1 概況
巫山新縣城地處長江北岸老縣城上方斜坡地帶，場地地質條件復雜，地形支離破碎，適於建設的場地面積相當有限。新城在建築施工、道路開挖中，不可避免地產生了大量的人工邊坡，這些邊坡坡角多在40°以上，且大多控制著城市用地，壹旦失穩下滑將阻斷交通，嚴重威脅人民的生命財產安全，同時危及移民工程的建設，影響三峽工程移民工作進度，是阻礙移民工程的絆腳石。因此開展邊坡監測，確保庫區移民搬遷顯得尤為重要。
本項工作旨在運用GPS技術對巫山新城區高邊坡、高擋墻開展全面監測，積累數據，以研究這些邊坡的穩定性。利用GPS進行位移監測，壹般有兩種方案：第壹種方案在監測點上建立無人值守的GPS觀測系統，通過軟件控制，實現實時監測和變形分析、預報。第二種方案是用幾臺GPS接收機，定期到監測點上觀測，對數據實施後處理後，進行變形分析與預報。第壹種方案能實時監測，自動化程度也很高，但由於每個監測點上都需要安裝GPS接收機，使監測系統的費用非常昂貴。第二種方案雖然勞動強度大，自動化程度低，但費用較省，當監測點較多時，優點比較明顯。
利用GPS對巫山高邊坡監測主要采用了第二種方法，大大降低了監測系統費用。
2 巫山GPS監測網系統
2.1 GPS基準網設計
GPS測量得到的基線向量屬於WGS-84坐標系的三維坐標差，而我們在工程實際中所運用的是國家大地坐標系或地方坐標系的坐標。因此，我們首先必須明確GPS網采用的坐標系統和起算數據，這就是所謂的基準問題。
GPS網的基準設計包括位置基準、尺度基準和方位基準。位置基準壹般可由更高級的GPS網基準站的坐標給定，也可選擇已有的城市控制點的坐標來確定。因為在三峽庫區，由國土資源部承擔建設的GPS首級網尚未建成，故我們只能基於已有的城市控制點來實現。根據巫山有關部門提供的數據，我們選用了部分控制點進行聯測。聯測後，巫山 GPS監測網的位置基準、尺度基準和方位基準便隨之確定了。
2.2 巫山GPS監測網選點原則
我們知道，GPS監測點選點應註意以下幾點：
（1）監測點應設在基礎比較穩定，易於安放接收設備的較高點位上；
（2）為減少GPS信號被遮擋或被障礙物吸收，視場周圍15°以上不應有高大障礙物；
（3）點位應遠離大功率無線電發射源，其距離不小於200m；遠離高壓輸電線，其距離不得小於50m，以避免電磁場對GPS信號的幹擾；
（4）點位附近不應有大面積水域或不應有強烈幹擾衛星信號接收的物體，如高大的樹木等，以減弱多路徑效應的影響；
（5）應根據邊坡體的形態特征、變形特征、動力因素及監測預報等具體要素（變形方位、變形量、變形速率、時空動態、施工動態、發展趨勢等）確定點位，且這些點位能真實地反映災害地質體變形敏感部位。
但在實際選點和測量中，由於巫山新縣城有眾多的高邊坡、高擋墻，特別是還存在著密集的高層樓房，所以壹些點位的情況並不能完全滿足上述要求。
2.3 GPS監測網建設
巫山GPS監測網全網由40多個變形監測樁組成，分布在巫山縣新縣城各地。監測網的布設采用同步圖形擴展方式，這是在布設 GPS網時最常用的方式。即把多臺 GPS接收機放在不同的基準站上進行同步觀測。完成壹個時段的觀測後，再把其中的幾臺接收機移動至下壹組測站。在兩組觀測之間，兩個同步圖形之間有壹些公***點相連，直到布滿全網。這種布網方式作業方法簡單，圖形強度較高，擴展速度較快，便於組織，故在實際工作中得到廣泛應用。
3 GPS監測數據處理及精度分析
由於所要監測的變形量級相對比較小，為了能夠精確地測出其變化，要求變形監測網具有較高的精度。對此，在巫山高邊坡監測網的設計書中是這樣要求的：建成的GPS高邊坡監測網，應覆蓋移民遷建縣城的高陡邊坡和重要的移民工程。監測網基準點坐標的平面解算精度優於±2mm，高程精度不低於±4mm；變形監測點坐標的平面解算精度優於±3mm，高程精度不低於±6mm。投入正常運行後，可獲得移民遷建區高陡邊坡監測點位坐標的長期、連續、可靠的測量數據，為相關地質災害的監測及預警決策服務。
國家頒布的《城市測量規範》對城市或工程GPS網的主要技術要求見表1。
表1 《城市測量規範》對城市或工程GPS網測量精度的技術要求
比較表1中的數據和我們獲得的結果可以看出，盡管壹些監測網基準點受臨近高邊坡與建築物遮擋，但經過數據處理後，平面內坐標測定的平均點位中誤差水平方向為2mm，垂直方向為5mm，基線相對精度達到10ppm。所獲得的測量結果優於項目設計書中提出的要求，也高於前述《城市測量規範》對城市或工程GPS網測量精度的技術要求。
變形監測的特點是定期重復觀測，各期觀測的外界條件基本相同，系統誤差在各期觀測中基本相同。分析同壹條邊多期測量的結果，比較其差值可以檢驗重復定位精度，發現變形的區域。在對測量方法和觀測數據處理采取適當措施後，兩期成果之差基本不受系統誤差的影響。
4 測量獲得的初步成果
巫山五期 GPS測量數據的匯總分析是將各期的向量邊分別計算後，繪出各向量邊的時間變化趨勢圖，對各期同壹向量邊進行逐壹比較，確定有異常變化的向量邊，通過分析後找出變形區域。通過對5期 GPS測量數據的分析處理，發現有趨勢性變化的向量邊***有14條，這14條向量邊的趨勢性變化分為兩種類型：
4.1 有變形趨勢的向量邊
6條有變形趨勢的向量邊分別為：
（1）WG021-WG081，五期累計變化16mm，向量邊的特征是縮短，變化趨勢見圖1；
圖1 WGO21-WG081五期累計變化曲線
（2）WG0154-WG048，五期累計變化22mm，向量邊的特征是先縮短後增長，變化趨勢見圖2；
圖2 WG0154-WG048五期累計變化曲線
（3）WG048-WG065，五期累計變化11mm，向量邊的特征是增長，變化趨勢見圖3;
（4）WG096-WG149，五期累計變化16mm，向量邊的特征是增長，變化趨勢見圖4;
（5）WG100-WG022，五期累計變化11mm，向量邊的特征是增長，變化趨勢見圖5;
（6）WG177-WG157，五期累計變化10mm，向量邊的特征是增長，變化趨勢見圖6。
4.2 趨勢性變化明顯、應重點關註的向量邊
趨勢性變化明顯的八條基線邊分別是：
（1）WG177-WG140，五期累計變化17mm，向量邊的特征是趨勢性增長並有加速現象，變化趨勢見圖7;
（2）WG201-WG157，五期累計變化21mm，向量邊的特征是趨勢性縮短並有加速現象，形變曲線見圖8;
圖3 WGO48-WG065五期累計變化曲線
圖4 WG096-WG149五期累計變化曲線
圖5 WG100-WG022五期累計變化曲線
圖6 WG177-WG157五期累計變化曲線
圖7 WG177-WG140五期累計變化曲線
圖8 WG201-WG157五期累計變化曲線
（3）WG162-WG022，五期累計變化12mm，向量邊的特征是趨勢性增長並有加速現象，形變曲線見圖9;
（4）WG140-WG157，五期累計變化40mm，向量邊的特征是增長並呈現為加速趨勢，形變曲線見圖10；
圖9 WG162-WG022五期累計變化曲線
圖10 WG140-WG157五期累計變化曲線
（5）WG162-WG032，五期累計變化8mm，向量邊的特征是增長並呈現為加速趨勢，形變曲線見圖11；
（6）WG100-WG149，五期累計變化16mm，向量邊的特征是增長並呈現為加速趨勢，形變曲線見圖12；
圖11 WG162-WG032五期累計變化曲線
圖12 WG100-WG149五期累計變化曲線
（7）WG157-WG201，五期累計變化－21mm，向量邊的特征是縮短並有加速趨勢，形變曲線見圖13；
（8）WG048-WG171，五期累計變化25mm，向量邊的特征是增長，形變曲線見圖14。
圖13 WG157-WG201五期累計變化曲線
圖14 WG048-WG171五期累計變化曲線
4.3 監測資料分析得出的變形點
GPS變形監測的最終目的，是要通過比較各個期次相同矢量邊的長度與同壹測點的坐標來分析和確定變形點的變形量。通過對巫山監測網基線邊的比較和分析，初步確定了壹些變形點，從變形的總體特征看，變形的方向為朝向長江方向。
5 小結
三峽庫區二期蓄水已有壹年多了。在目前的高水位情況下，如果再疊加降水因素，高邊坡、高擋墻失穩的危險性將增大，建議在加強專業監測工作的同時，搞好群測群防，力爭將地質災害可能給人民生命財產帶來的損失減少到最小的程度。對監測數據分析所確定的變形地區需加強GPS監測，積極開展多種手段監測，尤其在雨季應加大監測密度，在雨季可以1個月進行壹次GPS測量，15天開展壹次傾斜測量，以期發現不安全的隱患，及時預報，保障人民生命財產安全。同時對高邊坡的破壞過程、變形規律開展多學科研究，積極探索對邊坡變形失穩的破壞進行正確預報的有效途徑。
參考文獻
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