GPS技术在露天矿边坡监测中的应用研究*

孙彩敏,许 军

(华北科技学院土木工程系,北京 101601)

GPS技术在露天矿边坡监测中的应用研究*

孙彩敏,许 军

(华北科技学院土木工程系,北京 101601)

针对矿区边坡稳定性需求,结合现代空间定位GPS技术,从理论和实践上探讨了空间定位GPS技术应用于边坡监测的实用性和可行性。通过GPS边坡监测系统的建立,得出定期对边坡实施动态监测,能及时捕捉边坡变形破坏信息和发展变化趋势,为分析边坡稳定性和边坡加固治理提供重要了基础资料的结论。

GPS;边坡监测;基线向量;迁水铁矿;监测点;误差

0 工程概况

迁水铁矿为大型露天铁矿,规模大,范围广。根据区段的工程地质岩体特征、岩体结构特征、岩体不连续面特征、采矿设计及边坡方位特征,将整个采场划分为 I～V五个工程地质区,如图 1所示。Ⅱ区、Ⅳ区边坡不稳定区较多,且Ⅳ区边坡上有两条胶带运输系统的设备,Ⅱ区边坡上部 56～116 m水平为西部胶带运输系统的主干公路,Ⅰ区边坡采场垂直高度最大的边坡为660 m。2004年 8月采场多处边坡形成裂纹,宽0.5 m发展到1.5 m,影响边坡长度约30 m～50 m,并造成坍塌,破坏面积达2.8万 m2。

1 GPS边坡监测技术方案设计

1.1 GPS监控点布设

根据布设依据和技术规范要求,确定在采场建立 36个监控点,将 36个监控点分两个阶段来实施,各工程区监控点数如表1。其中,对Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三个边坡区进行重点监控,主要布设在边坡破坏区域上部的安全平台上,对下方的边坡变形破坏实施动态监测,采用 A级或二等GPS观测,如图 2所示。

图1 迁水铁矿边坡工程地质分区示意图Fig.1 Sketch map of slope engineering geology subareas of Qianshui iron ore

表1 各工程区监控点数Tab.1 Control pointmumber of engineering zones

图2 迁水铁矿边坡监测点 (含两个基准点)分布图Fig.2 Distribution map of slope safty'smonitoring points(including two datum marks)ofQianshui iron ore

1.2 迁水铁矿GPS监测网的优化设计结果

首期 14个网点及 2个基准点共 16个点;每点设站两次;4台接收机同时观测,可得满足精度的最少观测时段数为 8;总基线数为 48;必要基线数为 15;独立基线数为 24;迁水铁矿GPS最终监测网每一观测周期共 20个观测时段,60条独立基线。首期和终期网形结构特征对比,如表 2所示。

表2 首期和终期网形结构特征对比表Tab.2 Contrast table of figure construction features of between initial period and last period

所设计的观测网有如下优点:

1)按照每点独立设站观测两次的原则进行建立。

2)网中各点均有 3条以上基线分支,可确保检核条件,提高网的可靠性。

3)网形采用边连接,网的几何强度和可靠性较高。整个网形构成闭合图形,具有较好的抗粗差能力。

2 观测实施

采用拓普康公司生产的 Legacy-E接收机,共 4台套。每一测站上完成的测量工作主要包括:天线安置,接收机操作,气象参数测定,测站记录等。观测时间安排:

1)2006年度进行 8次监测试验,时间分别为 4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月、12月。

2)2007年度进行 8次监测试验,时间分别为 1月、3月、4月、5月、6月、7月、9月、12月。

3)2008年度进行了 2次监测,时间分别为 9月、12月。

4)2009年度进行了 1次监测,时间为 1月。5)4年中合计进行了 19次监测。

3 GPS监测数据处理

3.1 GPS测量的基线处理

首先,对GPS测量数据进行粗加工,对传输至计算机的数据需解译,提取有用信息,分别建立不同的数据文件。其次,GPS测量数据的预处理,对观测成果的外业检核,对数据进行平滑滤波检验,剔除粗差,删除无效无用数据;统一数据文件格式,将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件;GPS卫星轨道方程的标准化;探测并修复整周跳变,使观测值复原;软件自动构网方式,自动计算闭合差。对这些载波相位观测值进行各种线性组合,以其双差值作为观测值列出误差方程,组成法方程,进行基线的平差解算和检验。

为以 2006年 10月 19日、时段 B1B2G1G2和 B1B2G13G14的观测数据为例,表 3为基线向量解算成果检验表。如果检验不合格,则需要对基线进行重新解算或重新测量,然后可进行网平差处理。

表3 基线向量解算成果检验表Tab.3 Check list of vector solving for baselines

3.2 GPS控制网基线向量三维网平差

选取相互独立的基线及较短的基线向量,构成闭合的几何图形,构建GPS基线向量网。接着进行GPS控制网的三维无约束平差。三维无约束平差后,以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的固定坐标、固定边长及固定方位为网的基准,进行约束条件,并在平差计算中考虑GPS网与地面网之间的转换参数。

4 GPS控制网监测点变形结果及分析

4.1 监测点变形监测成果

提供的变形监测成果 (只列出部分)主要包括:监测点平差坐标成果 (见表 4),监测点最终变形结果 (见表 5),在某时间段内监测点变形速度 (见表 6),GPS监测点水平方向累计变形矢量图 (见图 3),监测点水平方向、垂直 H方向随时间变化的累计变形量图 (见图 4、图 5),监测点水平方向、垂直方向变形速度图 (见图 6、图 7)。

表4 大地坐标系下平差坐标成果Tab.4 Adjus tment coordinate results under geodetic coordinate system

表5 部分监测点最终变形结果Tab.6 Final deformation result of partialmonitoring points

表6 监测点变形速度Tab.6 Defor mation velocity ofmonitoring points

图3 GPS监测点水平方向累计变形矢量示意图Fig.3 Sketch map of horizontal directions accumulation deformation ofGPSmonitoring points

4.2 变形动态监测成果分析

通过变形监测网 19期观测数据的处理和分析,得到以下的结论:

1)经过网平差计算后的最终坐标值,水平面 N、E方向中误差普遍在1.0 mm以下,N、E方向中误差均值分别为0.69 mm,0.57 mm。高程 H方向中误差也在2.0 mm范围内,中误差均值为1.47 mm。表明迁水铁矿GPS控制网,监测结果中误差小,观测质量好,精度高,完全能达到矿山变形监测的精度和要求。

2)监测点的水平位移向量方向和边坡面倾向基本一致,均指向矿坑开挖方向,符合露天开挖引起的岩体移动的一般规律;且矿山边坡水平方向整体变形远大于垂直方向变形。

3)从监测点变形速度图中可以看出,各监测点并非均匀移动,而是有季节性地变化。6～9月是每年降雨量最大的时期,也是滑坡最频繁的时期,而监测数据也显示,这段时间的位移变化量及变形速度相对都较大,其它时间段,变形速度相对较小。另外,周边地质环境也会影响到监测点的变形速度。所以,在降雨量大、周边环境发生异常时,要适当缩短监测周期,加强对边坡变形的监控力度,而冬季变形速度较小,可适当延长监测周期。

4)平差后,监测点坐标中误差较小,水平 N、E方向上最大为0.7 mm,高程 H方向上为1.4 mm,高程 H方向上中误差比水平 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:在目前的技术条件下,GPS垂直观测精度较水平观测精度低;垂直方向变形小;在量测天线高时垂直方向所引起的人为误差较大等。前两个原因引起的误差为非现场测量人员能克服的,而后一个原因引起的误差则可以通过卡尺、钢卷尺采用多次分段测量求得平均值以消减,为人为测量误差。

5 结束语

目前采用的GPS变形监测的方式主要是采用几台接收机,定期到监测点上观测,对数据实施后处理并进行变形分析与预报。方法成本相对较低,但劳动强度大,不能实时监测,自动化程度较低。所以如何研制开发既能实时实现滑坡变形监测、又能大大降低变形监测造价的监测系统,如GPS一机多天线技术、GPS/ INS组合、伪卫星增强GPS精密定位等监测系统,将是下一步此领域的研究方向。

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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

孙彩敏 (1967～),女,河南禹县人,副教授,硕士,主要研究方向:数字化测图。