三峽工程萬(wàn)州庫(kù)區(qū)高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警研究*

魏學(xué)勇 歐陽(yáng)祖熙 韓文心 周 昊 李 捷

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

三峽工程萬(wàn)州庫(kù)區(qū)高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警研究*

魏學(xué)勇 歐陽(yáng)祖熙 韓文心 周 昊 李 捷

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)高切坡監(jiān)測(cè)工程技術(shù)特點(diǎn)，選用GPS和全站儀綜合運(yùn)用方式實(shí)施萬(wàn)州高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警，并采用首級(jí)GPS控制網(wǎng)-二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)-三級(jí)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)分層布網(wǎng)的組網(wǎng)方式實(shí)施監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)合理，監(jiān)測(cè)精度高。

三峽庫(kù)區(qū);高切坡;變形;監(jiān)測(cè)預(yù)警;控制網(wǎng)

1 引言

高切坡廣泛分布于三峽庫(kù)區(qū)遷建城鎮(zhèn)中，是庫(kù)區(qū)移民搬遷、城市重建過(guò)程中人為開(kāi)挖山體形成的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，庫(kù)區(qū)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅的高切坡就多達(dá)2 700多處［1］。這些高切坡受降雨、人類開(kāi)挖等工程活動(dòng)，容易發(fā)生垮塌破壞，失穩(wěn)變形，嚴(yán)重威脅著交通干線、遷建城鎮(zhèn)居民點(diǎn)的安全。對(duì)高切坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，有利于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的［2］。

與滑坡變形監(jiān)測(cè)不同，高切坡多集中分布在人口、工程活動(dòng)密集，建筑林立的城區(qū)，而且監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜;高切坡分布廣泛，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)量大，這也增加了高切坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)的難度，而且監(jiān)測(cè)網(wǎng)型也往往比較復(fù)雜;鑒于以上因素，為確保三峽庫(kù)區(qū)三期高切坡專業(yè)監(jiān)測(cè)順利實(shí)施，必須建立一套系統(tǒng)的，行之有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

萬(wàn)州區(qū)是三峽庫(kù)區(qū)高切坡防護(hù)項(xiàng)目治理和變形監(jiān)測(cè)預(yù)警的重點(diǎn)區(qū)域之一，依據(jù)監(jiān)測(cè)方案和設(shè)計(jì)［3］要求，萬(wàn)州高切坡納入專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警工程的有101處，控制坡面面積27.15萬(wàn) m2，其中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)15處，輻射監(jiān)測(cè)86處。

2 高切坡監(jiān)測(cè)工程技術(shù)方法

2.1 監(jiān)測(cè)方案的制定

根據(jù)高切坡分布和監(jiān)測(cè)工作的特點(diǎn)，選用地面測(cè)量方法(TPS)和空間測(cè)量技術(shù)(GPS)相結(jié)合的方法，并輔以多點(diǎn)位移計(jì)、深部鉆孔傾斜測(cè)量等專門測(cè)量手段。地面測(cè)量方法精度高、應(yīng)用靈活，適用于不同的變形體和不同環(huán)境，但須監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間保持通視，而且工作量較大;空間測(cè)量技術(shù)可以進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)須通視，適用于大范圍區(qū)域的變形監(jiān)測(cè)，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)受視空條件影響較大。

結(jié)合高切坡監(jiān)測(cè)工程技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮地面和空間測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選用全站儀和GPS綜合運(yùn)用實(shí)施萬(wàn)州區(qū)高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警工程，實(shí)踐證明，這不僅提高了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的合理性，降低了監(jiān)測(cè)網(wǎng)型布設(shè)的難度，而且在監(jiān)測(cè)精度、效率和監(jiān)測(cè)速度方面都優(yōu)于單一的監(jiān)測(cè)方法［2］。

2.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

萬(wàn)州高切坡專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)分為三級(jí)布設(shè)［4］：首級(jí)GPS控制網(wǎng)，二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)，三級(jí)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

1)首級(jí)GPS控制網(wǎng)

首級(jí)GPS控制網(wǎng)是萬(wàn)州整個(gè)高切坡分布區(qū)域的基準(zhǔn)網(wǎng)，包含14個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。首級(jí)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)要埋設(shè)在高切坡變形體以外空曠的穩(wěn)定的基巖上，并且要求適合GPS觀測(cè)和長(zhǎng)期保存。該控制網(wǎng)點(diǎn)主要用于對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供精確的坐標(biāo)，并用于對(duì)二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)的基線復(fù)核和精度評(píng)定。首級(jí)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)需要和萬(wàn)州區(qū)已知GPS基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲得。首級(jí)GPS控制網(wǎng)布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 首級(jí)GPS控制網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig.1 First class reference station network

2)工作基點(diǎn)網(wǎng)

工作基點(diǎn)網(wǎng)是對(duì)首級(jí)GPS控制網(wǎng)的加密和補(bǔ)充，主要根據(jù)高切坡的分布和集中程度來(lái)布置。工作基點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)要埋設(shè)在高切坡變形影響外的基礎(chǔ)牢固的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，并需要和高切坡上的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)保持通視。工作基點(diǎn)網(wǎng)主要用于為全站儀測(cè)量的設(shè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)，以及為局部GPS測(cè)量提供工作基準(zhǔn)，而且還可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的校核和精度評(píng)定。工作基點(diǎn)網(wǎng)通過(guò)和首級(jí)GPS控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)獲得三維坐標(biāo)。萬(wàn)州高切坡工作基點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)位共設(shè)計(jì)64個(gè)。

3)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)由布設(shè)在高切坡變形體上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，其與工作基點(diǎn)網(wǎng)組成三角測(cè)量網(wǎng)以監(jiān)測(cè)高切坡體的變形和位移。作為整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的第三級(jí)，變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)215處。變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)又包括GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)和全站儀監(jiān)測(cè)網(wǎng)，它們相互獨(dú)立，自成體系，但它們能通過(guò)二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)相互連通，并能對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以使高切坡變形監(jiān)測(cè)達(dá)到最佳效果。

根據(jù)高切坡集中分布的區(qū)域，高切坡變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)又可分為多個(gè)子網(wǎng)，它們是：五橋監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、萬(wàn)光電池廠監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、神龍茶園監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、雙河口監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、檢察院后山監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、天子湖監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、鐘鼓樓-枇杷坪小區(qū)、獅子山監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、南池溝-高家監(jiān)測(cè)子網(wǎng)和江南新區(qū)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)等10個(gè)子網(wǎng)。另外，新田鎮(zhèn)和瀼渡鎮(zhèn)由于遠(yuǎn)離城區(qū)，故對(duì)其獨(dú)立布網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖2是鐘鼓樓-枇杷坪小區(qū)二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)示意圖。

圖2 工作基點(diǎn)網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig.2 Work reference station and deformation monitoring network

2.3 變形監(jiān)測(cè)技術(shù)要求及實(shí)施

為提高變形監(jiān)測(cè)精度，在實(shí)際測(cè)量中采取了以下措施［6，7］：GPS和全站儀監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)采用具有強(qiáng)制對(duì)中基盤的鋼筋混凝土觀測(cè)墩。GPS測(cè)量采用同步圖形組網(wǎng)觀測(cè)方式，其優(yōu)點(diǎn)在于作業(yè)方法簡(jiǎn)單，擴(kuò)展速度較快;GPS觀測(cè)時(shí)間一般不少于2個(gè)半小時(shí);觀測(cè)截止角設(shè)為15°，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s。

全站儀監(jiān)測(cè)采用極坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量，并采用多測(cè)回測(cè)量方式，觀測(cè)基線一般小于800 m。在施測(cè)過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)輸入當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臍鈮骸貪穸鹊纫员銓?duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行氣象參數(shù)改正。

在高切坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)期間，要對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)和工作基點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢核，若證明基準(zhǔn)點(diǎn)位于不穩(wěn)定的區(qū)域或基礎(chǔ)存在缺陷，應(yīng)重新選埋新的點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

GPS測(cè)量采用徠卡GPS1200雙頻接收機(jī)，可同時(shí)接收GPS和GLONASS信號(hào)。TPS監(jiān)測(cè)采用徠卡1200plus型全站儀。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量中誤差不大于± 5 mm。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

高切坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)建立、基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)子網(wǎng)數(shù)據(jù)處理以及監(jiān)測(cè)精度評(píng)定等幾部分［2］。采用LEICA Geo Office6.0數(shù)據(jù)處理軟件完成。

1)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

首先對(duì)萬(wàn)州區(qū)已知點(diǎn)進(jìn)行GPS復(fù)測(cè)，獲取其WGS84坐標(biāo)，再利用軟件提供的坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換模塊，用“一步法”進(jìn)行坐標(biāo)匹配，從而建立WGS84-BJ54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在投影轉(zhuǎn)換過(guò)程中，投影模型選用TM模型，中央子午線輸入108°，帶寬為3°。

2)基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

基線解算采用IGS精密星歷，先進(jìn)行無(wú)約束平差，獲取WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的各坐標(biāo)值，而后在WGS84-BJ54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)下進(jìn)行約束平差，獲得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)?shù)谺J54坐標(biāo)值。

3)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測(cè)子網(wǎng)數(shù)據(jù)處理包括GPS監(jiān)測(cè)子網(wǎng)和全站儀監(jiān)測(cè)子網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。GPS變形監(jiān)測(cè)采用邊連式監(jiān)測(cè)方案，要求基準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)以上。為確保監(jiān)測(cè)和解算精度，每期測(cè)量盡量保持固定基線測(cè)量方式。數(shù)據(jù)處理采用廣播星歷，平差方法采用控制點(diǎn)下的約束平差。全站儀主要采用極坐標(biāo)觀測(cè)方式，每期測(cè)量應(yīng)保持儀器設(shè)站點(diǎn)和觀測(cè)基線固定，數(shù)據(jù)處理也采用LEICA Geo Office 6.0進(jìn)行。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)

為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的正確性、可靠性和合理性，應(yīng)該在變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理解算完成后進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理軟件提供的T-檢驗(yàn)和F-檢驗(yàn)可用于平差結(jié)果的可靠性檢驗(yàn)。基準(zhǔn)網(wǎng)部分基線解算結(jié)果見(jiàn)表1，平差結(jié)果T-檢驗(yàn)和F-檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 首級(jí)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)解算結(jié)果表(單位：m)Tab.1 Calculated results of first class reference station network(unit：m)

表2 首級(jí)基準(zhǔn)網(wǎng)平差結(jié)果檢驗(yàn)表Tab.2 Adjusted results of first class reference station network

從表1～2可以看出，基準(zhǔn)網(wǎng)基線解算質(zhì)量較高，基線解算殘差較小，各基準(zhǔn)點(diǎn)平面點(diǎn)位誤差小于±5 mm，而且T-檢驗(yàn)和F-檢驗(yàn)結(jié)果都小于臨界值，平差結(jié)果為可接受狀態(tài)，這表明基準(zhǔn)網(wǎng)基線解算達(dá)到了預(yù)期的監(jiān)測(cè)精度;同樣，GPS變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算結(jié)果也要需經(jīng)過(guò)可靠性檢驗(yàn)及精度評(píng)定，經(jīng)過(guò)相鄰兩期解算結(jié)果比較，其變形量也較小，說(shuō)明解算結(jié)果合理，質(zhì)量可靠性高。基準(zhǔn)網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)解算結(jié)果表明，萬(wàn)州高切坡監(jiān)測(cè)方案合理，監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)得當(dāng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度高，能夠滿足高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警的需要。

4 高切坡監(jiān)測(cè)實(shí)例

WZ0394高切坡是萬(wàn)州區(qū)納入重點(diǎn)專業(yè)監(jiān)測(cè)的高切坡之一，其后側(cè)為公路，前側(cè)是遷建樓。高切坡較陡，坡角為83°，規(guī)模較大，坡長(zhǎng)近140 m，坡高近20 m。高切坡在近期降雨及內(nèi)側(cè)開(kāi)挖施工過(guò)程中，產(chǎn)生了裂縫和沉降，嚴(yán)重影響著后側(cè)公路及前側(cè)居民樓的安全。我們?cè)诟咔衅麦w上建設(shè)了6個(gè)全站儀變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4個(gè)工作基，分布在高切坡兩側(cè)。高切坡位置及監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)如圖3所示。

根據(jù)變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求，高切坡監(jiān)測(cè)頻次為1次/月，目前已經(jīng)監(jiān)測(cè)16期。為保證測(cè)量精度，需對(duì)高切坡工作基點(diǎn)定期進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。表3為該高切坡工作基點(diǎn)GPS測(cè)量復(fù)核解算結(jié)果，從表3可以看出各工作基點(diǎn)中誤差優(yōu)于±5 mm，符合變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求。

圖3 高切坡變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.3 Sketch of monitoring points of high cutting slope

表3 高切坡GPS工作基點(diǎn)復(fù)核結(jié)果(單位：m)Tab.3 Varified results of GPS work reference station(unit：m)

通過(guò)數(shù)據(jù)解算，可以獲得每期的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及其變化量等參量。將各期觀測(cè)值進(jìn)行比較，可以分析高切坡的變形趨勢(shì)。高切坡各方向的變形量如圖4所示。

由圖4可看出，高切坡的變形主要體現(xiàn)為向臨空方向(X向)發(fā)生變形和不均勻沉降(H向)的特點(diǎn)。從變形曲線可看出，高切坡向臨空方向變形最大近30 mm，沉降最大達(dá)18 mm，而且進(jìn)入雨季，高切坡各方向變形有持續(xù)增大的趨勢(shì)。在今年持續(xù)降雨過(guò)程中，該高切坡后側(cè)公路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了較大的裂縫和不均勻沉降現(xiàn)象，與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，表明降雨對(duì)高切坡的變形具有重要影響，而且在時(shí)間上表現(xiàn)出一致性。

5 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)合高切坡監(jiān)測(cè)工程技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮地面和空間測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選用全站儀和GPS綜合運(yùn)用實(shí)施萬(wàn)州區(qū)高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警工程，實(shí)踐證明，這不僅提高了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的合理性，降低了監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)的難度，而且在監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)速度方面都優(yōu)于單一的監(jiān)測(cè)方法;

2)依據(jù)高切坡分布特征，采用首級(jí)GPS控制網(wǎng)-二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)-三級(jí)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的分層布網(wǎng)方式，不僅降低了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)難度，提高了監(jiān)測(cè)效率，而且數(shù)據(jù)解算也表明，解算結(jié)果殘差較小，可靠性高，達(dá)到了監(jiān)測(cè)的預(yù)期精度。

圖4 高切坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Data curves of high cutting slope deformation monitoring

1 祝介旺，等.三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州段高切坡破壞模式和防護(hù)措施研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15(1)：8-14.

2 莫云，等.城鎮(zhèn)大區(qū)域復(fù)雜高切坡群監(jiān)測(cè)方法探討［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2010，29(1)：86-91.

3 蘇愛(ài)軍，高改萍.三峽庫(kù)區(qū)高切坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施方案［M］.武漢：長(zhǎng)江水利部勘測(cè)技術(shù)研究所，2006.

4 歐陽(yáng)祖熙，等.用GPS技術(shù)研究三峽工程萬(wàn)州庫(kù)區(qū)滑坡的穩(wěn)定性［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14(2)：76 -81.

5 韋志文.GPS控制網(wǎng)的布設(shè)與數(shù)據(jù)質(zhì)量保證的探討［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，(增)：52-55.

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7 歐陽(yáng)祖熙，等.基于3S技術(shù)和地面變形觀測(cè)的三峽庫(kù)區(qū)典型地段滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(9)：3 203-3 210.

STUDY ON HIGH CUTTING SLOPE MONITORING AND EARLY-WARNING IN WANZHOU AREA OF THREE GORGES RESERVOIR

Wei Xueyong，Ouyang Zuxi，Han Wenxin，Zhou Hao and Li Jie
(Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085)

The high cutting slopes are widely distributed in the Three Gorges Reservoir area.High precision deformation monitoring is important for the high cutting slope geological hazards monitoring and early-warning.Taking Wanzhou area for example，the application of GPS and TPS to the high cutting slope monitoring is introduced.The monitoring network is composed of the first class reference station network，the working reference network and deformation monitoring network.Monitoring data analysis results indicate that the methods discussed are suitable for the deformation monitoring of high cutting slopes，and achieve the desired monitoring accuracy.

Three Gorges Reservoir;high cutting slope;deformation;monitoring and early-warning;monitoring network

1671-5942(2011)Supp.-0110-04

2010-09-24

國(guó)務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會(huì)項(xiàng)目：三峽庫(kù)區(qū)重慶市萬(wàn)州區(qū)高切坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

魏學(xué)勇，男，1974年生，助理研究員，主要從事地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)預(yù)警研究.E-mail：xiaowei8566@sina.com

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