三峡工程万州库区高切坡变形监测预警研究*

魏学勇 欧阳祖熙 韩文心 周 昊 李 捷

(中国地震局地壳应力研究所，北京 100085)

三峡工程万州库区高切坡变形监测预警研究*

魏学勇 欧阳祖熙 韩文心 周 昊 李 捷

(中国地震局地壳应力研究所，北京 100085)

结合三峡库区高切坡监测工程技术特点，选用GPS和全站仪综合运用方式实施万州高切坡变形监测预警，并采用首级GPS控制网-二级工作基点网-三级变形监测网分层布网的组网方式实施监测。监测数据解算结果表明，监测网布设合理，监测精度高。

三峡库区;高切坡;变形;监测预警;控制网

1 引言

高切坡广泛分布于三峡库区迁建城镇中，是库区移民搬迁、城市重建过程中人为开挖山体形成的，据统计，库区对人民生命财产构成威胁的高切坡就多达2 700多处［1］。这些高切坡受降雨、人类开挖等工程活动，容易发生垮塌破坏，失稳变形，严重威胁着交通干线、迁建城镇居民点的安全。对高切坡的长期监测，有利于地质灾害预报、预警，达到防灾减灾的目的［2］。

与滑坡变形监测不同，高切坡多集中分布在人口、工程活动密集，建筑林立的城区，而且监测环境复杂;高切坡分布广泛，监测点布设量大，这也增加了高切坡监测网布设的难度，而且监测网型也往往比较复杂;鉴于以上因素，为确保三峡库区三期高切坡专业监测顺利实施，必须建立一套系统的，行之有效的监测预警方法。

万州区是三峡库区高切坡防护项目治理和变形监测预警的重点区域之一，依据监测方案和设计［3］要求，万州高切坡纳入专业监测预警工程的有101处，控制坡面面积27.15万 m2，其中重点监测15处，辐射监测86处。

2 高切坡监测工程技术方法

2.1 监测方案的制定

根据高切坡分布和监测工作的特点，选用地面测量方法(TPS)和空间测量技术(GPS)相结合的方法，并辅以多点位移计、深部钻孔倾斜测量等专门测量手段。地面测量方法精度高、应用灵活，适用于不同的变形体和不同环境，但须监测点之间保持通视，而且工作量较大;空间测量技术可以进行全天候监测，监测点无须通视，适用于大范围区域的变形监测，但监测点卫星信号受视空条件影响较大。

结合高切坡监测工程技术特点，综合考虑地面和空间测量方法的优缺点，我们选用全站仪和GPS综合运用实施万州区高切坡变形监测预警工程，实践证明，这不仅提高了监测网的合理性，降低了监测网型布设的难度，而且在监测精度、效率和监测速度方面都优于单一的监测方法［2］。

2.2 监测网布设

万州高切坡专业监测网分为三级布设［4］：首级GPS控制网，二级工作基点网，三级变形监测网。

1)首级GPS控制网

首级GPS控制网是万州整个高切坡分布区域的基准网，包含14个基准点。首级GPS控制网点要埋设在高切坡变形体以外空旷的稳定的基岩上，并且要求适合GPS观测和长期保存。该控制网点主要用于对整个监测网提供精确的坐标，并用于对二级工作基点网的基线复核和精度评定。首级GPS控制网点的三维坐标需要和万州区已知GPS基准点联测获得。首级GPS控制网布设示意图如图1所示。

图1 首级GPS控制网布设示意图Fig.1 First class reference station network

2)工作基点网

工作基点网是对首级GPS控制网的加密和补充，主要根据高切坡的分布和集中程度来布置。工作基点网点要埋设在高切坡变形影响外的基础牢固的适当地点，并需要和高切坡上的变形监测点保持通视。工作基点网主要用于为全站仪测量的设站点和定向点，以及为局部GPS测量提供工作基准，而且还可用于现场监测结果的校核和精度评定。工作基点网通过和首级GPS控制网联测获得三维坐标。万州高切坡工作基点网点位共设计64个。

3)变形监测网

变形监测网由布设在高切坡变形体上的监测点组成，其与工作基点网组成三角测量网以监测高切坡体的变形和位移。作为整个监测网络的第三级，变形监测网共布设监测点215处。变形监测网又包括GPS变形监测网和全站仪监测网，它们相互独立，自成体系，但它们能通过二级工作基点网相互连通，并能对整个监测网进行优化，以使高切坡变形监测达到最佳效果。

根据高切坡集中分布的区域，高切坡变形监测网又可分为多个子网，它们是：五桥监测子网、万光电池厂监测子网、神龙茶园监测子网、双河口监测子网、检察院后山监测子网、天子湖监测子网、钟鼓楼-枇杷坪小区、狮子山监测子网、南池沟-高家监测子网和江南新区监测子网等10个子网。另外，新田镇和瀼渡镇由于远离城区，故对其独立布网进行监测。图2是钟鼓楼-枇杷坪小区二级工作基点网和变形监测网布设示意图。

图2 工作基点网和变形监测网布设示意图Fig.2 Work reference station and deformation monitoring network

2.3 变形监测技术要求及实施

为提高变形监测精度，在实际测量中采取了以下措施［6，7］：GPS和全站仪监测网点采用具有强制对中基盘的钢筋混凝土观测墩。GPS测量采用同步图形组网观测方式，其优点在于作业方法简单，扩展速度较快;GPS观测时间一般不少于2个半小时;观测截止角设为15°，数据采样间隔为15 s。

全站仪监测采用极坐标法进行测量，并采用多测回测量方式，观测基线一般小于800 m。在施测过程中，应同时输入当时当地的气压、温湿度等以便对观测结果进行气象参数改正。

在高切坡监测点观测期间，要对基准网点和工作基点网点的稳定性进行检核，若证明基准点位于不稳定的区域或基础存在缺陷，应重新选埋新的点，并对监测网进行复测。

GPS测量采用徕卡GPS1200双频接收机，可同时接收GPS和GLONASS信号。TPS监测采用徕卡1200plus型全站仪。监测点位移量中误差不大于± 5 mm。

3 监测数据处理分析

3.1 监测数据处理

高切坡变形监测数据处理包括坐标转换系统建立、基准网数据处理、监测子网数据处理以及监测精度评定等几部分［2］。采用LEICA Geo Office6.0数据处理软件完成。

1)建立坐标转换系统

首先对万州区已知点进行GPS复测，获取其WGS84坐标，再利用软件提供的坐标投影转换模块，用“一步法”进行坐标匹配，从而建立WGS84-BJ54坐标转换系统。在投影转换过程中，投影模型选用TM模型，中央子午线输入108°，带宽为3°。

2)基准网数据处理

基线解算采用IGS精密星历，先进行无约束平差，获取WGS84坐标系统下的各坐标值，而后在WGS84-BJ54坐标转换系统下进行约束平差，获得各个监测点的当地BJ54坐标值。

3)变形监测网数据处理

监测子网数据处理包括GPS监测子网和全站仪监测子网数据处理。GPS变形监测采用边连式监测方案，要求基准点2个以上。为确保监测和解算精度，每期测量尽量保持固定基线测量方式。数据处理采用广播星历，平差方法采用控制点下的约束平差。全站仪主要采用极坐标观测方式，每期测量应保持仪器设站点和观测基线固定，数据处理也采用LEICA Geo Office 6.0进行。

3.2 监测数据可靠性检验

为保证监测数据质量的正确性、可靠性和合理性，应该在变形监测数据处理解算完成后进行可靠性检验。数据处理软件提供的T-检验和F-检验可用于平差结果的可靠性检验。基准网部分基线解算结果见表1，平差结果T-检验和F-检验结果见表2。

表1 首级基准网点解算结果表(单位：m)Tab.1 Calculated results of first class reference station network(unit：m)

表2 首级基准网平差结果检验表Tab.2 Adjusted results of first class reference station network

从表1～2可以看出，基准网基线解算质量较高，基线解算残差较小，各基准点平面点位误差小于±5 mm，而且T-检验和F-检验结果都小于临界值，平差结果为可接受状态，这表明基准网基线解算达到了预期的监测精度;同样，GPS变形监测点解算结果也要需经过可靠性检验及精度评定，经过相邻两期解算结果比较，其变形量也较小，说明解算结果合理，质量可靠性高。基准网和变形监测网数据解算结果表明，万州高切坡监测方案合理，监测网布设得当，监测结果精度高，能够满足高切坡变形监测预警的需要。

4 高切坡监测实例

WZ0394高切坡是万州区纳入重点专业监测的高切坡之一，其后侧为公路，前侧是迁建楼。高切坡较陡，坡角为83°，规模较大，坡长近140 m，坡高近20 m。高切坡在近期降雨及内侧开挖施工过程中，产生了裂缝和沉降，严重影响着后侧公路及前侧居民楼的安全。我们在高切坡体上建设了6个全站仪变形监测点和4个工作基，分布在高切坡两侧。高切坡位置及监测网布设如图3所示。

根据变形监测设计要求，高切坡监测频次为1次/月，目前已经监测16期。为保证测量精度，需对高切坡工作基点定期进行复核测量。表3为该高切坡工作基点GPS测量复核解算结果，从表3可以看出各工作基点中误差优于±5 mm，符合变形监测设计要求。

图3 高切坡变形监测点布设示意图Fig.3 Sketch of monitoring points of high cutting slope

表3 高切坡GPS工作基点复核结果(单位：m)Tab.3 Varified results of GPS work reference station(unit：m)

通过数据解算，可以获得每期的变形监测点的三维坐标及其变化量等参量。将各期观测值进行比较，可以分析高切坡的变形趋势。高切坡各方向的变形量如图4所示。

由图4可看出，高切坡的变形主要体现为向临空方向(X向)发生变形和不均匀沉降(H向)的特点。从变形曲线可看出，高切坡向临空方向变形最大近30 mm，沉降最大达18 mm，而且进入雨季，高切坡各方向变形有持续增大的趋势。在今年持续降雨过程中，该高切坡后侧公路现场调查发现产生了较大的裂缝和不均匀沉降现象，与实测结果相吻合，表明降雨对高切坡的变形具有重要影响，而且在时间上表现出一致性。

5 结语

1)结合高切坡监测工程技术特点，综合考虑地面和空间测量方法的优缺点，选用全站仪和GPS综合运用实施万州区高切坡变形监测预警工程，实践证明，这不仅提高了监测网的合理性，降低了监测网布设的难度，而且在监测精度和监测速度方面都优于单一的监测方法;

2)依据高切坡分布特征，采用首级GPS控制网-二级工作基点网-三级变形监测网的分层布网方式，不仅降低了监测网的布设难度，提高了监测效率，而且数据解算也表明，解算结果残差较小，可靠性高，达到了监测的预期精度。

图4 高切坡变形监测数据曲线Fig.4 Data curves of high cutting slope deformation monitoring

1 祝介旺，等.三峡库区万州段高切坡破坏模式和防护措施研究［J］.工程地质学报，2007，15(1)：8-14.

2 莫云，等.城镇大区域复杂高切坡群监测方法探讨［J］.地质科技情报，2010，29(1)：86-91.

3 苏爱军，高改萍.三峡库区高切坡监测预警系统实施方案［M］.武汉：长江水利部勘测技术研究所，2006.

4 欧阳祖熙，等.用GPS技术研究三峡工程万州库区滑坡的稳定性［J］.中国地质灾害与防治学报，2003，14(2)：76 -81.

5 韦志文.GPS控制网的布设与数据质量保证的探讨［J］.大地测量与地球动力学，2007，(增)：52-55.

6 魏学勇，等.三峡库区崩滑地质灾害变形监测技术研究及应用［J］.大地测量与地球动力学，2010，(增)：120-125.

7 欧阳祖熙，等.基于3S技术和地面变形观测的三峡库区典型地段滑坡监测系统［J］.岩石力学与工程学报，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

国务院三峡工程建设委员会项目：三峡库区重庆市万州区高切坡变形监测预警系统

魏学勇，男，1974年生，助理研究员，主要从事地质灾害变形监测预警研究.E-mail：xiaowei8566@sina.com

P228.4

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