孫彩敏,許 軍

(華北科技學(xué)院土木工程系,北京 101601)

GPS技術(shù)在露天礦邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究*

孫彩敏,許 軍

(華北科技學(xué)院土木工程系,北京 101601)

針對礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性需求,結(jié)合現(xiàn)代空間定位GPS技術(shù),從理論和實踐上探討了空間定位GPS技術(shù)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測的實用性和可行性。通過GPS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的建立,得出定期對邊坡實施動態(tài)監(jiān)測,能及時捕捉邊坡變形破壞信息和發(fā)展變化趨勢,為分析邊坡穩(wěn)定性和邊坡加固治理提供重要了基礎(chǔ)資料的結(jié)論。

GPS;邊坡監(jiān)測;基線向量;遷水鐵礦;監(jiān)測點;誤差

0 工程概況

遷水鐵礦為大型露天鐵礦,規(guī)模大,范圍廣。根據(jù)區(qū)段的工程地質(zhì)巖體特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體不連續(xù)面特征、采礦設(shè)計及邊坡方位特征,將整個采場劃分為 I～V五個工程地質(zhì)區(qū),如圖 1所示。Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)邊坡不穩(wěn)定區(qū)較多,且Ⅳ區(qū)邊坡上有兩條膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)備,Ⅱ區(qū)邊坡上部 56～116 m水平為西部膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的主干公路,Ⅰ區(qū)邊坡采場垂直高度最大的邊坡為660 m。2004年 8月采場多處邊坡形成裂紋,寬0.5 m發(fā)展到1.5 m,影響邊坡長度約30 m～50 m,并造成坍塌,破壞面積達(dá)2.8萬 m2。

1 GPS邊坡監(jiān)測技術(shù)方案設(shè)計

1.1 GPS監(jiān)控點布設(shè)

根據(jù)布設(shè)依據(jù)和技術(shù)規(guī)范要求,確定在采場建立 36個監(jiān)控點,將 36個監(jiān)控點分兩個階段來實施,各工程區(qū)監(jiān)控點數(shù)如表1。其中,對Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三個邊坡區(qū)進(jìn)行重點監(jiān)控,主要布設(shè)在邊坡破壞區(qū)域上部的安全平臺上,對下方的邊坡變形破壞實施動態(tài)監(jiān)測,采用 A級或二等GPS觀測,如圖 2所示。

圖1 遷水鐵礦邊坡工程地質(zhì)分區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of slope engineering geology subareas of Qianshui iron ore

表1 各工程區(qū)監(jiān)控點數(shù)Tab.1 Control pointmumber of engineering zones

圖2 遷水鐵礦邊坡監(jiān)測點 (含兩個基準(zhǔn)點)分布圖Fig.2 Distribution map of slope safty'smonitoring points(including two datum marks)ofQianshui iron ore

1.2 遷水鐵礦GPS監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

首期 14個網(wǎng)點及 2個基準(zhǔn)點共 16個點;每點設(shè)站兩次;4臺接收機(jī)同時觀測,可得滿足精度的最少觀測時段數(shù)為 8;總基線數(shù)為 48;必要基線數(shù)為 15;獨(dú)立基線數(shù)為 24;遷水鐵礦GPS最終監(jiān)測網(wǎng)每一觀測周期共 20個觀測時段,60條獨(dú)立基線。首期和終期網(wǎng)形結(jié)構(gòu)特征對比,如表 2所示。

表2 首期和終期網(wǎng)形結(jié)構(gòu)特征對比表Tab.2 Contrast table of figure construction features of between initial period and last period

所設(shè)計的觀測網(wǎng)有如下優(yōu)點:

1)按照每點獨(dú)立設(shè)站觀測兩次的原則進(jìn)行建立。

2)網(wǎng)中各點均有 3條以上基線分支,可確保檢核條件,提高網(wǎng)的可靠性。

3)網(wǎng)形采用邊連接,網(wǎng)的幾何強(qiáng)度和可靠性較高。整個網(wǎng)形構(gòu)成閉合圖形,具有較好的抗粗差能力。

2 觀測實施

采用拓普康公司生產(chǎn)的 Legacy-E接收機(jī),共 4臺套。每一測站上完成的測量工作主要包括:天線安置,接收機(jī)操作,氣象參數(shù)測定,測站記錄等。觀測時間安排:

1)2006年度進(jìn)行 8次監(jiān)測試驗,時間分別為 4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月、12月。

2)2007年度進(jìn)行 8次監(jiān)測試驗,時間分別為 1月、3月、4月、5月、6月、7月、9月、12月。

3)2008年度進(jìn)行了 2次監(jiān)測,時間分別為 9月、12月。

4)2009年度進(jìn)行了 1次監(jiān)測,時間為 1月。5)4年中合計進(jìn)行了 19次監(jiān)測。

3 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1 GPS測量的基線處理

首先,對GPS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行粗加工,對傳輸至計算機(jī)的數(shù)據(jù)需解譯,提取有用信息,分別建立不同的數(shù)據(jù)文件。其次,GPS測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理,對觀測成果的外業(yè)檢核,對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗,剔除粗差,刪除無效無用數(shù)據(jù);統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式,將各類接收機(jī)的數(shù)據(jù)文件加工成彼此兼容的標(biāo)準(zhǔn)化文件;GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化;探測并修復(fù)整周跳變,使觀測值復(fù)原;軟件自動構(gòu)網(wǎng)方式,自動計算閉合差。對這些載波相位觀測值進(jìn)行各種線性組合,以其雙差值作為觀測值列出誤差方程,組成法方程,進(jìn)行基線的平差解算和檢驗。

為以 2006年 10月 19日、時段 B1B2G1G2和 B1B2G13G14的觀測數(shù)據(jù)為例,表 3為基線向量解算成果檢驗表。如果檢驗不合格,則需要對基線進(jìn)行重新解算或重新測量,然后可進(jìn)行網(wǎng)平差處理。

表3 基線向量解算成果檢驗表Tab.3 Check list of vector solving for baselines

3.2 GPS控制網(wǎng)基線向量三維網(wǎng)平差

選取相互獨(dú)立的基線及較短的基線向量,構(gòu)成閉合的幾何圖形,構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)。接著進(jìn)行GPS控制網(wǎng)的三維無約束平差。三維無約束平差后,以國家大地坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系的某些點的固定坐標(biāo)、固定邊長及固定方位為網(wǎng)的基準(zhǔn),進(jìn)行約束條件,并在平差計算中考慮GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

4 GPS控制網(wǎng)監(jiān)測點變形結(jié)果及分析

4.1 監(jiān)測點變形監(jiān)測成果

提供的變形監(jiān)測成果 (只列出部分)主要包括:監(jiān)測點平差坐標(biāo)成果 (見表 4),監(jiān)測點最終變形結(jié)果 (見表 5),在某時間段內(nèi)監(jiān)測點變形速度 (見表 6),GPS監(jiān)測點水平方向累計變形矢量圖 (見圖 3),監(jiān)測點水平方向、垂直 H方向隨時間變化的累計變形量圖 (見圖 4、圖 5),監(jiān)測點水平方向、垂直方向變形速度圖 (見圖 6、圖 7)。

表4 大地坐標(biāo)系下平差坐標(biāo)成果Tab.4 Adjus tment coordinate results under geodetic coordinate system

表5 部分監(jiān)測點最終變形結(jié)果Tab.6 Final deformation result of partialmonitoring points

表6 監(jiān)測點變形速度Tab.6 Defor mation velocity ofmonitoring points

圖3 GPS監(jiān)測點水平方向累計變形矢量示意圖Fig.3 Sketch map of horizontal directions accumulation deformation ofGPSmonitoring points

4.2 變形動態(tài)監(jiān)測成果分析

通過變形監(jiān)測網(wǎng) 19期觀測數(shù)據(jù)的處理和分析,得到以下的結(jié)論:

1)經(jīng)過網(wǎng)平差計算后的最終坐標(biāo)值,水平面 N、E方向中誤差普遍在1.0 mm以下,N、E方向中誤差均值分別為0.69 mm,0.57 mm。高程 H方向中誤差也在2.0 mm范圍內(nèi),中誤差均值為1.47 mm。表明遷水鐵礦GPS控制網(wǎng),監(jiān)測結(jié)果中誤差小,觀測質(zhì)量好,精度高,完全能達(dá)到礦山變形監(jiān)測的精度和要求。

2)監(jiān)測點的水平位移向量方向和邊坡面傾向基本一致,均指向礦坑開挖方向,符合露天開挖引起的巖體移動的一般規(guī)律;且礦山邊坡水平方向整體變形遠(yuǎn)大于垂直方向變形。

3)從監(jiān)測點變形速度圖中可以看出,各監(jiān)測點并非均勻移動,而是有季節(jié)性地變化。6～9月是每年降雨量最大的時期,也是滑坡最頻繁的時期,而監(jiān)測數(shù)據(jù)也顯示,這段時間的位移變化量及變形速度相對都較大,其它時間段,變形速度相對較小。另外,周邊地質(zhì)環(huán)境也會影響到監(jiān)測點的變形速度。所以,在降雨量大、周邊環(huán)境發(fā)生異常時,要適當(dāng)縮短監(jiān)測周期,加強(qiáng)對邊坡變形的監(jiān)控力度,而冬季變形速度較小,可適當(dāng)延長監(jiān)測周期。

4)平差后,監(jiān)測點坐標(biāo)中誤差較小,水平 N、E方向上最大為0.7 mm,高程 H方向上為1.4 mm,高程 H方向上中誤差比水平 N、E方向普遍偏大近一倍。之所以如此,是由多方面原因引起:在目前的技術(shù)條件下,GPS垂直觀測精度較水平觀測精度低;垂直方向變形小;在量測天線高時垂直方向所引起的人為誤差較大等。前兩個原因引起的誤差為非現(xiàn)場測量人員能克服的,而后一個原因引起的誤差則可以通過卡尺、鋼卷尺采用多次分段測量求得平均值以消減,為人為測量誤差。

5 結(jié)束語

目前采用的GPS變形監(jiān)測的方式主要是采用幾臺接收機(jī),定期到監(jiān)測點上觀測,對數(shù)據(jù)實施后處理并進(jìn)行變形分析與預(yù)報。方法成本相對較低,但勞動強(qiáng)度大,不能實時監(jiān)測,自動化程度較低。所以如何研制開發(fā)既能實時實現(xiàn)滑坡變形監(jiān)測、又能大大降低變形監(jiān)測造價的監(jiān)測系統(tǒng),如GPS一機(jī)多天線技術(shù)、GPS/ INS組合、偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS精密定位等監(jiān)測系統(tǒng),將是下一步此領(lǐng)域的研究方向。

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Application ofGPS Technology in Slope Safety Monitoring in Open-Pit Iron Mine

SUN Cai-min,XU Jun
(Faculty of Civil Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing101601,China)

The practicability and feasibility is discussed on modern space locatingGPS technology applying to slope monitoring in this paper from theory and practice to meet diggings slope safety's demand.They can momentarily catch slope distortion destroy infor mation and diversification trend to avoid geological calamity appearing,by setting upGPS monitoring system and measuring slope safety timely.Some important data are prodicted to slope safety and repair,providing the best opportunity for high efficiency and safetymanufacture.

GPS;slope safety monitoring;baseline vector;Qianshui ironore;monitoring point;error

P 228.4;TD 17

A

1007-9394(2010)02-0006-04

2010-02-10

孫彩敏 (1967～),女,河南禹縣人,副教授,碩士,主要研究方向:數(shù)字化測圖。