基于GPS的山区水库边坡滑坡体变形监测

随着社会的发展，生态环境遭到不断破坏，滑坡、地陷、泥石流等地质灾害发生越来越频繁，对人类生活环境造成极大的影响。滑坡作为一种即普遍又常见的地质灾害，严重地威胁着人类的生命安全，所以对滑坡的实时动态监测显得尤为重要。常规的监测手段对复杂的地形进行变形监测，不仅耗费大量资源，而且不能全天候实时的监测，面对滑坡的恶劣环境，也存在人员不安全的因素。相反GPS却具有定位迅速、全天候、无间断、测站之间无需通视、同时测定三维坐标等优点，这是其他常规测量方法难以实现的[1]。自三峡水电站蓄水开始，测量工作者就开始利用GPS技术对库区进行滑坡监测的可行性实验，GPS在精度、速度、时效性、效益等方面都优于常规方法[2]。从而GPS技术在滑坡体监测方面得到广泛的应用。

1 研究区概况

阿海水电站库区由于河谷深切，水库两岸岸坡较陡，在地形、地层岩性、地质构造等多种因素的影响下，多形成陡崖或峡谷。本文选取滑坡比较显著的白亚滑坡体为研究区域，白亚滑坡体位于阿海水电站上游，该区域存在大量耕地和人口居住，为实时监测该地区滑坡变形情况，对滑坡体布设7个变形明显的监测点，布置图见图1。在巡视检查中，白亚滑坡体地表有已经存在的裂缝，特别是滑坡体的上方位置(如BY01,BY02点附近)，此部位的裂缝有缓慢增大的趋势，但不是很明显。此外，BY06点到BY07点之间有很多滑下的碎石，并且这个部位的上方还有继续滑动的趋势，地表无隆起，局部地区略有下陷，但是不明显，无滑移崩塌征兆。

图1 白亚滑坡体监测点布置图

2 数据获取

白亚滑坡体位于交通不便的库区上游地区，主要通过人工周期性监测。自阿海水电站蓄水开始，分别对白亚滑坡体进行周期性监测，得到该区域不同时间段的GNSS监测数据。通过配套的数据采集软件即可实现数据的现场采集、实时监控、异常测值报警的目的，从而可远程监控该滑坡体的位移量、变形速率，实现对动态监控滑坡体变形发展及灾害预警[3]。

随着人们生活水平的提高，人们对旅游业的要求也越来越高。旅游者已经不再满足普通的游玩和观光模式，所以相关的航空公司和旅游地区可以根据自身的实际情况开通一些航空旅游项目，航空公司也可以开设跳伞等一些极限运动项目。而且在实际情况当中，我国很多地区的航空公司都已经开通了相关的旅游业，并且取得了显著的成果，也在一定程度上推动了航空公司的发展并提高了相关的经济水平。

白亚滑坡体7个人工监测点的监测数据主要通过中海达F16系列GPS接收机进行静态双频方式采集。数据采集过程中，同时对7个监测点进行同步观测。观测数据的精度，参考《工程测量规范》和采用的监测手段，确定为滑坡监测水平位移点位中误差不大于±12 mm，且垂直位移监测中误差不大于±18 mm[4]。

3 数据处理

在监测点的变形分析时结合位移量和位移趋势进行综合分析判断，主要关注平面位移中主位移(垂直河道方向∑△X位移)，其次要关联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，还需了解现场的地质情况和点位布设情况。对此，将前期数据与本期数据进行位移量累计和变形速率统计得表3。

为了更进一步分析滑坡体的变形情况，将本期数据与以往各期进行深度的统计分析计算，以对白亚滑坡体做进一步了解。

表1 白亚监测点自由网平差坐标表

序号点 名纬度(D:M:S)中误差/m经度 (D:M:S)中误差/m椭球高/m中误差/m点位中误差1BY0127:38:30.79506N0.0008100:27:13.69653E0.00111764.66170.0040.00232BY0227:38:27.58564N0.0007100:27:05.58739E0.00091747.55580.00310.00203BY0327:38:24.38056N0.000700:26:57.23424E0.00061662.54360.00170.00214BY0427:38:19.05704N0.0007100:26:52.95298E0.00061591.7950.00170.00205BY0527:38:13.97248N0.0008100:26:50.06327E0.00121540.2850.00230.00286BY0627:38:24.43769N0.0008100:27:11.34847E0.00111651.71410.00420.00227BY0727:38:15.55794N0.0007100:26:59.32196E0.00061529.11250.00230.0019

表2 白亚最终坐标平差成果表

监测点XY大地高H大地高中误差黄海高程中误差点位中误差BY013059649.403643460.20261924.29838.84.02.3BY023059547.995643239.03731907.14117.03.12.0BY033059442.95643016.62571812.62594.51.72.1BY043059277.69642901.16141741.88164.51.72.0BY053059119.91642823.09551691.3799.92.32.8BY063059452.933643398.12071811.3769.34.22.2BY073059172.007643077.03881679.17436.22.31.9

根据白亚滑坡体最近各点监测成果表，分别对该滑坡体的合位移、位移变形速率，各期变形速率绘制曲线图并进行进一步分析。

有些时候我们读古诗词，会产生一种这首诗或者词时序颠倒、不和逻辑的感觉。例如李颀的《送魏万之京》：朝闻游子唱离歌，昨夜微霜初渡河。[9]首句点明了魏万出发的时间是早上，为什么下一句却写昨夜的景象。这不是时间错乱了吗？其实这是倒戟而入的笔法，倒追昨晚发生的事件。早上诗人见到魏万将走是实景实写，“昨夜微霜初渡河”实际上是诗人想象魏万昨晚的情形。看似今晨、昨夜是时间上的混乱，实际上却是艺术创作的神来之笔。

监测成果表3中，符号规定X方向从坡上向坡下垂直河道为正，Y方向平行河道向下游为正，H沉降为正。本次监测数据显示，滑坡体监测点平面合位移最大值为324.8 mm(BY06,滑坡体上部)，最小值为23.1 mm(BY05, 滑坡体底部)；平均变形速率最大值为0.28 mm/d(BY06,滑坡体上部)，最小值0.02 mm/d(BY05)；滑坡体监测点的最大平面合位移为324.8 mm(BY06,滑坡体上部)；最大合位移增量为124.8 mm(BY06,滑坡体上部)；最大变形速率1.29 mm/d(BY06,滑坡体上部)。

从算法角度分析，可将GPS网的数据处理流程划分为数据传输、格式转换、基线解算和网平差4个阶段[5]。基线质量评估的指标包括整周模糊度解方差的比值(Ratio值)、观测值残差、同步环闭合差、异步环闭合差以及无约束平差基线向量改正数等，基线解算的过程一般自动进行，无需人工干预。基线解算完后进行网平差，包括自由网平差、WGS-84三维约束平差、二维平差以及高程拟合等[6]。本文采用2016年1月白亚滑坡体监测点监测数据进行分析，并解算得到自由网平差坐标表和最终坐标平差成果表(表1,表2)。

表中可知，滑坡体上部的监测点BY01、BY06、BY02、BY03平面合位移较大，下部的监测点BY07、BY04、BY05的较小。滑坡体各监测点的平面合位移和平均变形速率呈现从坡顶向下游逐渐减小、坡顶大坡脚小的分布。滑坡体各监测点X方向及Y方向的变形均为正值，可推断滑坡体整体向库区偏上游方向滑动。

4 滑坡体变形分析

为了使监测数据具有更好的融合性，本文采用与GPS兼容性较大的HDS2003数据处理软件在建立GPS网时，数据处理工作通常是随着外业工作的展开分阶段进行的。由于变形监测过程中，会对基准点进行定期的联测，到目前为止，阿海水电站基准点监测进行了第四期联测，所以本次监测点数据处理将采用最近复测后的基准点监测数据计算各监测点的坐标及高程。

表3 白亚滑坡体各监测点监测成果表

点号观测日期累计位移量∑X/mm∑Y/mm∑H/mm平面合位移/mm平均变形速率/mm·d-1合位移增量(本期-上期)/mm本期变形速率/mm·d-1BY012016/1/14142.468.0-18.1157.80.1410.90.11BY022016/1/14153.924.453.3155.80.1418.70.19BY032016/1/14153.525.139.5155.60.1414.50.15BY042016/1/1440.625.667.348.00.040.00.00BY052016/1/1414.817.8129.823.10.023.00.03BY062016/1/14197.2116.562.6228.60.2038.60.37BY072016/1/14100.634.021.1106.20.0934.10.35

4.1 监测成果表

我国露天矿大部分采用常规的全境界缓帮开采，转入深凹开采的露天矿后，已改用汽车—胶带联合运输或间断—连续运输。为了解决深凹露天矿的运输问题，目前发展趋势之一是采用陡坡铁路运输开采技术[1]，以延长铁路服务年限;发展趋势之二是大载重量、效率高、能耗低的大型矿用自卸汽车，以增加合理运距;发展趋势之三是采用陡坡胶带运输方式，实现露天矿生产连续化。目前，陡坡铁路运输的坡度3%～5%，汽车运输的坡度6%～15%，胶带运输的坡度25%～28%[2]。

(3)纸浆洗涤过程t时刻的操作参数为q(t)=[q1(t), q2(t), q3(t)]。其中，q1(t)为上浆浓度，q2(t)为上浆流量，q3(t)为清水加入量。

4.2 监测点位移、变形速率(变化趋势、变化范围、最大最小值)

表1详细的表现了白亚各点的中误差，且各监测点的误差相对较小，精度较高，符合监测要求。从表2中的白亚最终坐标平差成果表数据可知，监测网观测数据经平差后的各项精度指标都能达到预期目标且精度比较高，说明本次GPS监测的数据是满足测设要求的，其平差结果也是合格的。

(1) 图2～5分别是监测点水平合位移、X方向位移、平均变形速率时间曲线图。2012年10月至2012年11月水库初次蓄水期间，各监测点的平面合位移、X方向位移时间曲线均呈现较快的线性增加的趋势。在2012年11月后各监测点变形速率明显减小，平面合位移呈现平稳增加趋势。在本期(2016年1月)观测中，BY06平面合位移量达到324.8 mm，合位移增量达到124.8 mm，变形量与其余监测点相比都比较大，在以后观测中需引起重视。

图2 白亚监测点水平合位移时间曲线图

图3 白亚监测点水平合位移平均变形速率曲线图

图4 白亚监测点X方向位移平均变形速率曲线图

图5 白亚监测点X方向水平合位移平均变形速率曲线图

(2)滑坡体滑动趋势分析：从本期的滑坡体变形分布看，滑坡体各监测点的平面合位移和平均变形速率呈现从坡顶向下游逐渐减小、坡顶大坡脚小的分布。各监测点的位移分量∑X值均为正值(≤272.6 mm)，该方向的滑动趋势较为一致且明显。向下游的位移分量∑Y值也均为正值(≤176.6 mm),该方向的滑动趋势较为一致且明显。各监测点的平面合位移在48.0～324.8 mm之间，呈现从坡顶部向下、偏向下游方向滑动趋势。

在2016年12月28日由国土资源部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部、国家能源局五部委下发的“矿产资源开发利用水平调查评估制度工作方案”(国土资发【2016】195号)文中，明确将开采回采率、选矿回收率和综合利用率(以下简称“三率”)等指标作为矿产资源开发利用水平调查评估的重要指标项[1]，我国目前也已完成全国重要矿产资源“三率”调查评价方法与程序的基础研究[2，3]，开展“三率”调查评估研究不仅能查清我国矿产资源开发利用现状，更重要的是可以利用“三率”等基础调查数据科学建立我国矿产资源开发利用水平评价体系，为国家科学制定矿业开发政策提供支撑。

5 结语

本文通过对白亚滑坡体进行多期实时监测，在本期观测中，BY06平面合位移量达到324.8 mm，合位移增量达到124.8 mm，变形量与其余监测点相比都比较大，在以后观测中需引起重视。GPS技术在白亚滑坡体监测过程中，充分体现出该技术在观测环境相对恶劣环境下的优势，该技术具有动态、实时、不间断的高精度监测的特点，不同站点之间不需要进行直接观测，极其适用于环境恶劣的山区滑坡监测，其作业效率高，劳动强度低，在监测速度、后期数据处理、效益等方面都有明显的优势。通过白亚滑坡体监测数据进行数据处理并结合以往各期监测数据进行综合变形分析。滑坡体各监测点的平面合位移和平均变形速率呈现从坡顶向下游逐渐减小的趋势分布。因此，GPS技术不仅对该滑坡体长期的变形监测具有高效和实时等优点，对地理环境不稳定的区域进行变形监测也是一种非常值得使用的高效方法。

参考文献

[1] 张建坤，黄声享，李翅,等．GPS技术在滑坡变形监测中的应用[J]．地理空间信息，2009，7(6)：110-112．

[2] 何金平,施玉群,廖文来，等.基于GPS技术的大坝位移监测系统[C].第二届全国信息获取与处理学术会议论文集,2004:438-440.

[3] 雍伟勋,杨溢,朱辉，等.羊拉铜矿里农矿段变形区智能监测系统建设[J].有色金属:矿山部分,2014,66(1):77-81.

[4] 王蓉川.大渡河大岗山水电站坝区边坡安全监测设计及反馈分析方法[C].2008年大坝安全监测设计与施工技术交流会,2008.

[5] 朱雪辉.基于MATLAB的GPS网平差的程序设计及实现[J].城市建设理论研究(电子版),2015,(2).

[6] 韩忠芳,董学刚,王西亮,等.GPS测量在黄河下游河道测验体系建设中的应用[J].水利技术监督,2007,15(4):55-57.