GPS技術在露天礦邊坡監測中的應用研究*

孫彩敏,許 軍

(華北科技學院土木工程系,北京 101601)

GPS技術在露天礦邊坡監測中的應用研究*

孫彩敏,許 軍

(華北科技學院土木工程系,北京 101601)

針對礦區邊坡穩定性需求,結合現代空間定位GPS技術,從理論和實踐上探討了空間定位GPS技術應用于邊坡監測的實用性和可行性。通過GPS邊坡監測系統的建立,得出定期對邊坡實施動態監測,能及時捕捉邊坡變形破壞信息和發展變化趨勢,為分析邊坡穩定性和邊坡加固治理提供重要了基礎資料的結論。

GPS;邊坡監測;基線向量;遷水鐵礦;監測點;誤差

0 工程概況

遷水鐵礦為大型露天鐵礦,規模大,范圍廣。根據區段的工程地質巖體特征、巖體結構特征、巖體不連續面特征、采礦設計及邊坡方位特征,將整個采場劃分為 I～V五個工程地質區,如圖 1所示。Ⅱ區、Ⅳ區邊坡不穩定區較多,且Ⅳ區邊坡上有兩條膠帶運輸系統的設備,Ⅱ區邊坡上部 56～116 m水平為西部膠帶運輸系統的主干公路,Ⅰ區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2.8萬 m2。

1 GPS邊坡監測技術方案設計

1.1 GPS監控點布設

根據布設依據和技術規范要求,確定在采場建立 36個監控點,將 36個監控點分兩個階段來實施,各工程區監控點數如表1。其中,對Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三個邊坡區進行重點監控,主要布設在邊坡破壞區域上部的安全平臺上,對下方的邊坡變形破壞實施動態監測,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分區示意圖Fig.1 Sketch map of slope engineering geology subareas of Qianshui iron ore

表1 各工程區監控點數Tab.1 Control pointmumber of engineering zones

圖2 遷水鐵礦邊坡監測點 (含兩個基準點)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監測網的優化設計結果

首期 14個網點及 2個基準點共 16個點;每點設站兩次;4臺接收機同時觀測,可得滿足精度的最少觀測時段數為 8;總基線數為 48;必要基線數為 15;獨立基線數為 24;遷水鐵礦GPS最終監測網每一觀測周期共 20個觀測時段,60條獨立基線。首期和終期網形結構特征對比,如表 2所示。

表2 首期和終期網形結構特征對比表Tab.2 Contrast table of figure construction features of between initial period and last period

所設計的觀測網有如下優點:

1)按照每點獨立設站觀測兩次的原則進行建立。

2)網中各點均有 3條以上基線分支,可確保檢核條件,提高網的可靠性。

3)網形采用邊連接,網的幾何強度和可靠性較高。整個網形構成閉合圖形,具有較好的抗粗差能力。

2 觀測實施

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

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

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

3)2008年度進行了 2次監測,時間分別為 9月、12月。

4)2009年度進行了 1次監測,時間為 1月。5)4年中合計進行了 19次監測。

3 GPS監測數據處理

3.1 GPS測量的基線處理

首先,對GPS測量數據進行粗加工,對傳輸至計算機的數據需解譯,提取有用信息,分別建立不同的數據文件。其次,GPS測量數據的預處理,對觀測成果的外業檢核,對數據進行平滑濾波檢驗,剔除粗差,刪除無效無用數據;統一數據文件格式,將各類接收機的數據文件加工成彼此兼容的標準化文件;GPS衛星軌道方程的標準化;探測并修復整周跳變,使觀測值復原;軟件自動構網方式,自動計算閉合差。對這些載波相位觀測值進行各種線性組合,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的觀測數據為例,表 3為基線向量解算成果檢驗表。如果檢驗不合格,則需要對基線進行重新解算或重新測量,然后可進行網平差處理。

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控制網基線向量三維網平差

選取相互獨立的基線及較短的基線向量,構成閉合的幾何圖形,構建GPS基線向量網。接著進行GPS控制網的三維無約束平差。三維無約束平差后,以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的固定坐標、固定邊長及固定方位為網的基準,進行約束條件,并在平差計算中考慮GPS網與地面網之間的轉換參數。

4 GPS控制網監測點變形結果及分析

4.1 監測點變形監測成果

提供的變形監測成果 (只列出部分)主要包括:監測點平差坐標成果 (見表 4),監測點最終變形結果 (見表 5),在某時間段內監測點變形速度 (見表 6),GPS監測點水平方向累計變形矢量圖 (見圖 3),監測點水平方向、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 大地坐標系下平差坐標成果Tab.4 Adjus tment coordinate results under geodetic coordinate system

表5 部分監測點最終變形結果Tab.6 Final deformation result of partialmonitoring points

表6 監測點變形速度Tab.6 Defor mation velocity ofmonitoring points

圖3 GPS監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 變形動態監測成果分析

通過變形監測網 19期觀測數據的處理和分析,得到以下的結論:

1)經過網平差計算后的最終坐標值,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,中誤差均值為1.47 mm。表明遷水鐵礦GPS控制網,監測結果中誤差小,觀測質量好,精度高,完全能達到礦山變形監測的精度和要求。

2)監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律;且礦山邊坡水平方向整體變形遠大于垂直方向變形。

3)從監測點變形速度圖中可以看出,各監測點并非均勻移動,而是有季節性地變化。6～9月是每年降雨量最大的時期,也是滑坡最頻繁的時期,而監測數據也顯示,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,周邊地質環境也會影響到監測點的變形速度。所以,在降雨量大、周邊環境發生異常時,要適當縮短監測周期,加強對邊坡變形的監控力度,而冬季變形速度較小,可適當延長監測周期。

4)平差后,監測點坐標中誤差較小,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 結束語

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

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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:數字化測圖。