GPS 在山区高速公路边坡监测中应用*

张兵强，罗生虎，曹海波，桂 刚，李新龙

(1.陕西省交通厅 利用外资项目办公室，陕西 西安710068;2.西安科技大学 理学院，陕西 西安710054)

0 引 言

高速公路作为一种现代化的公路运输通道在当今社会中在发挥着越来越重要的作用，高速公路所经地区的水文地质、地形等因素都会对施工以及以后的正常使用造成一定的影响。安川公路沿线部分路段沿着水库修建，使得该路段岩石岩质总体上较弱，并且风化裂隙发育，当路堑边坡开挖或遇水浸润弱化时，可能产生边坡局部或大面积失稳现象，如崩塌、滑坡等不利于工程的地质现象。除此之外，安川公路沿线还存在多处不同类型岩质高边坡，若开挖后坡体发生破坏，造成的损失不可估量，如果不及时妥善处理，无疑会影响工程建设的顺利推进及建成后道路的正常运营。

边坡稳定性问题是一个复杂的离散、随机性非线性的问题。其主要表现在岩性、几何形态、物质组成的多样性，物理、力学参数的离散性、随机性等与边坡稳定状态关系的非线性等。影响边坡稳定性的因素较多，如岩性、岩石节理发育程度和风化情况、边坡所处构造带情况以及地下水等都对边坡稳定性有所影响［1-4］。目前已有许多学者开展过岩质高边坡稳定性评价及处治技术研究，但不同工程地形地质各异，均具有各自显著的特点和区别［5-12］，因此，在应用已有研究成果的同时，还需要结合具体工程特点开展进一步评价和应用研究工作。

在高速公路边坡监测中，进行地表变形监测时，由于一些山区高速公路边坡其自身的特点，通常表现在边坡高差较大，气候条件恶劣，这就使得传统的监测手段难以达到边坡监测的精度要求。全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS技术)是随着现代科学技术的迅速发展起来的新一代精密卫星定位系统，GPS 测量的基本原理是测量已知位置的卫星到接收机之间的距离，然后综合多颗卫星数据后确定地面待测点的三维坐标。由于GPS 技术具有全天候、高精度和自动测量的特点，加之选点方便、操作简单、不受气候限制并能同时测定观测点的三维坐标，作为先进的测量技术已经融入国民经济建设、国防建设等各个领域。近些年来，GPS 测量已成功用于地表沉降、大坝自动化监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等方面已得到应用，获得了令人满意的结果和精度，也为GPS 替代水准测量提供了可能。但是在高速公路边坡中的应用还比较少见［13-16］。文中针对安川公路中部分路段面临的特殊地质水文特点，采用GPS 技术对安川公路某段路基位移进行检测，以期对相关工程路段的施工进行技术指导。

1 监测网建立和精度提高

在常规的GPS 测量应用中，为了使GPS 卫星信号不发生堵塞，选取变形监测网络时，应该远离大面积平静的水面，远离电磁干扰源等。考虑到高速公路边坡变形监测的要求，采取了以下几个方面措施，以提高观测精度。

1.1 观测基点

在常规GPS 测量中，对中误差一般为1 ～3 mm.由于高速公路边坡观测时间较长，有时可长达数年，而仪器受风吹和日照等因素的影响，可能会发生变形。因此，在布置监测网时，观测基点采用强制对中的观测墩，其上钢片上表面应保持水平，正中预埋的特制螺杆和GPS 仪器连接在一起，可以减少对中误差及长时积累的变形误差，同时节省了操作时间，如图1 所示。

1.2 观测移动点

移动点布置在边坡平台上，为了降低人为操作造成的误差，同观测基点一样制作了观测墩，如图1 所示。

图1 观测基点Fig.1 Observation basis point

1.3 观测窗口和观测时间

GPS 的观测精度决定于卫星的几何分布强度以及可接受信号的卫星数。通常情况下，不同时段观测区可接收到的卫星数量一般不同，这就需要选择恰当的观测窗口进行观察，通过对该区域不同时段的卫星分布调查发现，白天时段卫星数量通常都在6 颗以上，超过最少4 颗的要求。这可能与本边坡周围地势高，没有阻挡卫星信号的障碍有关。因此，本区白天时段均能作为适当的观测窗口。

同时，为了减弱其它随机误差的影响，提高观测精度，在使用用GPS 进行变形观测时必须要有足够的观测时间。如果观测时间短，无法排除随即因素对结果的影响，导致观测精度降低，如果观测时间较长，在观测精度提高不大的基础上，会耗费太多时间，因此，必须选取合适的观测时间。在该区域GPS 变形监测中，通过计算对比后确定各监测点的观测时间为90 min.

1.4 数据处理中GPS 误差源研究

高精度GPS 测量中，卫星轨道精度、对流层延迟影响、多路径效应、相位中心的改正以及起始点坐标精度等都会对定位精度有一定的影响。

1.4.1 星历的研究

卫星星历是GPS 定位中的重要数据。卫星星历由地面监控站跟踪监测GPS 卫星而确定。由于地面监测站的测试误差以及卫星在空中运行受到多种摄动力的影响，地面监测站难于充分可靠地测定各种作用力的影响，使得测定的卫星卫星轨道轨道会有误差。误差对GPS 定位有着重要的影响，其对基线的影响可以较精确地表示为:

式中 Δr 为轨道误差;r 为卫星至测站的相对位移矢量;Δb 为基线矢量的误差;b 为两站之间的基线矢量，基线向量的位置和方向、观测时段的长短、观测的卫星数量及其几何分布等因素都对其有影响，一般情况下，其取值范围为1/10 ～1/4.

取r=22 000 km，则轨道误差为50 m，而基线误差仅为0.2 ～0.5 ppm ×基线长度，本次边坡监测范围较小，其基点间的距离大都控制在1 km 以内，则基线误差应在0.2 ～0.6 mm 之间，其精度已能满足监测要求。况且广播星历的精度为5 ～10 m，而精密星历(IGS)的精度甚至可以达到5 cm，因此，采用广播星历解算完全可以满足对边坡变形的监测要求。

1.4.2 对流层延迟影响研究

对流层延迟是影响高精度GPS 定位的重要因素之一。电磁波通过对流层时传播速度会发生变化，路径也会发生弯曲，从而产生对流层延迟。由于边坡监测测区范围较小，因此采用随机模型来描述对流层延迟随时间的变化规律，减少对流层延迟影响。

1.4.3 多路径误差

GPS 卫星信号经某些物体表面的反射而达到接收机的信号与直接达到接收机的信号叠加产生干涉，使测量值产生系统误差，这就是多路径效应。

为了降低多路径效应，提高测量精度，选择合适的测站以避开信号反射物是一种简单而有效的方法，但是由于在实际测量中边坡变形点的位置选择有一定的限制，采用适当增加监测点，延长测点的观测时间来削弱多路径误差的影响。

1.4.4 起算点误差

在GPS 数据基线解算中，起算点的确定是一个不容忽视的问题，起算点的精度将影响基线解算的精度。起算点对基线解算的最大影响表述为式(2)。

式中 δs为起算点对基线的最大影响;D 为基线的长度(以km 计);δX1为起算坐标的误差。

令基线长度D=1 km，如要对基线的影响小于0.1 mm，则要求起算点坐标误差应小于1.7 m.

2 监测数据分析

自2009 年7 月份开始进行布点，于2009 年10月、2010 年3 月、2010 年7 月、2010 年10 月和2011 年3 月对K208 +595 ～K208 +814 的边坡于进行了5 次不定期观测。监测结果表明，准点坐标没在每次监测中没有任何变化，说明观测基准点选择是较为成功的，具有参考价值。将监测位移点监测所得数据与上次监测所得数据进行对比分析，确定各点的三维变形量，K208 +595 ～K208 +814 边坡监测位移量情况见表1 ～4.

K208 +595 ～K208 +814 边坡共计监测10 个观测点。2009 年10 月至2010 年3 月期间，坡表整体位移较大，其中，监测位移点1，2，3，4，5，6 相对位移较小，而点7，8，9，10 相对位移较大，点10位移最大，水平方向最大位移达9.1 mm，竖直方向最大位移达5 mm.说明该阶段一、二、三级边坡相对较稳定，而四、五级边坡稳定性相对较差。2010年3 月至2010 年7 月期间，坡表位移量有所减小，但不是很明显，观测位移点7，8，9，10 仍有较大相对位移，点7 水平方向最大位移为8.1 mm，竖直方向最大位移为3 mm，四、五级边坡仍处于较不稳定状态。2010 年7 月至2010 年10 月期间，该地区降雨量较大，对边坡稳定性明显不利，但从监测结果可以看出，坡表位移量明显减小，观测点7 位移量最大，水平方向位移5.8 mm，竖直方向位移1 mm，其他点位移量均较小，说明坡表整体趋于稳定。2010 年10 月至2011 年3 月期间，坡表位移量已经非常小，点10 位移量最大，水平方向位移3.2 mm，竖直方向位移2 mm，其他点位移量均很小，边坡表面整体稳定，处于正常的蠕动变形状态，对边坡整体稳定性没有影响。

表1 K208 +595 ～K208 +814 边坡监测数据变化量表(2009.9 ～2010.3)Tab.1 K208 +595 ～K208 +814 scale slope monitoring data changes(2009.9 ～2010.3)

表2 K208 +595 ～K208 +814 边坡监测数据变化量表(2010.3 ～2010.7)Tab.2 K208 +595 ～K208 +814 slope monitoring data changes (2010.3 ～2010.7)

表3 K208 +595 ～K208 +814 边坡监测数据变化量表(2010.7—2010.10)Tab.3 K208 +595 ～K208 +814 slope monitoring data changes (2010.7—2010.10)

表4 K208 +595 ～K208 +814 边坡监测数据变化量表(2010.10—2011.3)Table4 K208 +595 ～K208 +814 9 slope monitoring data changes (2010.10—2011.3)

3 结 论

文中针对安川公路中部分路段面临的特殊地质水文特点，采用GPS 技术对安川公路某段路基位移进行检测。结果显示

1)GPS 坡表位移监测结果可以看出，边坡坡体与坡表的位移方向基本一致，但坡表位移量要大于坡体深部位移量;

2)通过分析施工方式，可以发现，这是因为边坡应用锚索框架梁和抗滑桩进行加固后，滑动面下部的边坡体是稳定的。即，滑动面以下的抗滑桩没有位移，而滑动面上部边坡体处于滑动状态，且从滑动面到坡表之间滑动量呈线性变化，越靠近坡表位移变化量越大。

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