三峽工程萬州庫區高切坡變形監測預警研究*

魏學勇 歐陽祖熙 韓文心 周 昊 李 捷

(中國地震局地殼應力研究所，北京 100085)

三峽工程萬州庫區高切坡變形監測預警研究*

魏學勇 歐陽祖熙 韓文心 周 昊 李 捷

(中國地震局地殼應力研究所，北京 100085)

結合三峽庫區高切坡監測工程技術特點，選用GPS和全站儀綜合運用方式實施萬州高切坡變形監測預警，并采用首級GPS控制網-二級工作基點網-三級變形監測網分層布網的組網方式實施監測。監測數據解算結果表明，監測網布設合理，監測精度高。

三峽庫區;高切坡;變形;監測預警;控制網

1 引言

高切坡廣泛分布于三峽庫區遷建城鎮中，是庫區移民搬遷、城市重建過程中人為開挖山體形成的，據統計，庫區對人民生命財產構成威脅的高切坡就多達2 700多處［1］。這些高切坡受降雨、人類開挖等工程活動，容易發生垮塌破壞，失穩變形，嚴重威脅著交通干線、遷建城鎮居民點的安全。對高切坡的長期監測，有利于地質災害預報、預警，達到防災減災的目的［2］。

與滑坡變形監測不同，高切坡多集中分布在人口、工程活動密集，建筑林立的城區，而且監測環境復雜;高切坡分布廣泛，監測點布設量大，這也增加了高切坡監測網布設的難度，而且監測網型也往往比較復雜;鑒于以上因素，為確保三峽庫區三期高切坡專業監測順利實施，必須建立一套系統的，行之有效的監測預警方法。

萬州區是三峽庫區高切坡防護項目治理和變形監測預警的重點區域之一，依據監測方案和設計［3］要求，萬州高切坡納入專業監測預警工程的有101處，控制坡面面積27.15萬 m2，其中重點監測15處，輻射監測86處。

2 高切坡監測工程技術方法

2.1 監測方案的制定

根據高切坡分布和監測工作的特點，選用地面測量方法(TPS)和空間測量技術(GPS)相結合的方法，并輔以多點位移計、深部鉆孔傾斜測量等專門測量手段。地面測量方法精度高、應用靈活，適用于不同的變形體和不同環境，但須監測點之間保持通視，而且工作量較大;空間測量技術可以進行全天候監測，監測點無須通視，適用于大范圍區域的變形監測，但監測點衛星信號受視空條件影響較大。

結合高切坡監測工程技術特點，綜合考慮地面和空間測量方法的優缺點，我們選用全站儀和GPS綜合運用實施萬州區高切坡變形監測預警工程，實踐證明，這不僅提高了監測網的合理性，降低了監測網型布設的難度，而且在監測精度、效率和監測速度方面都優于單一的監測方法［2］。

2.2 監測網布設

萬州高切坡專業監測網分為三級布設［4］：首級GPS控制網，二級工作基點網，三級變形監測網。

1)首級GPS控制網

首級GPS控制網是萬州整個高切坡分布區域的基準網，包含14個基準點。首級GPS控制網點要埋設在高切坡變形體以外空曠的穩定的基巖上，并且要求適合GPS觀測和長期保存。該控制網點主要用于對整個監測網提供精確的坐標，并用于對二級工作基點網的基線復核和精度評定。首級GPS控制網點的三維坐標需要和萬州區已知GPS基準點聯測獲得。首級GPS控制網布設示意圖如圖1所示。

圖1 首級GPS控制網布設示意圖Fig.1 First class reference station network

2)工作基點網

工作基點網是對首級GPS控制網的加密和補充，主要根據高切坡的分布和集中程度來布置。工作基點網點要埋設在高切坡變形影響外的基礎牢固的適當地點，并需要和高切坡上的變形監測點保持通視。工作基點網主要用于為全站儀測量的設站點和定向點，以及為局部GPS測量提供工作基準，而且還可用于現場監測結果的校核和精度評定。工作基點網通過和首級GPS控制網聯測獲得三維坐標。萬州高切坡工作基點網點位共設計64個。

3)變形監測網

變形監測網由布設在高切坡變形體上的監測點組成，其與工作基點網組成三角測量網以監測高切坡體的變形和位移。作為整個監測網絡的第三級，變形監測網共布設監測點215處。變形監測網又包括GPS變形監測網和全站儀監測網，它們相互獨立，自成體系，但它們能通過二級工作基點網相互連通，并能對整個監測網進行優化，以使高切坡變形監測達到最佳效果。

根據高切坡集中分布的區域，高切坡變形監測網又可分為多個子網，它們是：五橋監測子網、萬光電池廠監測子網、神龍茶園監測子網、雙河口監測子網、檢察院后山監測子網、天子湖監測子網、鐘鼓樓-枇杷坪小區、獅子山監測子網、南池溝-高家監測子網和江南新區監測子網等10個子網。另外，新田鎮和瀼渡鎮由于遠離城區，故對其獨立布網進行監測。圖2是鐘鼓樓-枇杷坪小區二級工作基點網和變形監測網布設示意圖。

圖2 工作基點網和變形監測網布設示意圖Fig.2 Work reference station and deformation monitoring network

2.3 變形監測技術要求及實施

為提高變形監測精度，在實際測量中采取了以下措施［6，7］：GPS和全站儀監測網點采用具有強制對中基盤的鋼筋混凝土觀測墩。GPS測量采用同步圖形組網觀測方式，其優點在于作業方法簡單，擴展速度較快;GPS觀測時間一般不少于2個半小時;觀測截止角設為15°，數據采樣間隔為15 s。

全站儀監測采用極坐標法進行測量，并采用多測回測量方式，觀測基線一般小于800 m。在施測過程中，應同時輸入當時當地的氣壓、溫濕度等以便對觀測結果進行氣象參數改正。

在高切坡監測點觀測期間，要對基準網點和工作基點網點的穩定性進行檢核，若證明基準點位于不穩定的區域或基礎存在缺陷，應重新選埋新的點，并對監測網進行復測。

GPS測量采用徠卡GPS1200雙頻接收機，可同時接收GPS和GLONASS信號。TPS監測采用徠卡1200plus型全站儀。監測點位移量中誤差不大于± 5 mm。

3 監測數據處理分析

3.1 監測數據處理

高切坡變形監測數據處理包括坐標轉換系統建立、基準網數據處理、監測子網數據處理以及監測精度評定等幾部分［2］。采用LEICA Geo Office6.0數據處理軟件完成。

1)建立坐標轉換系統

首先對萬州區已知點進行GPS復測，獲取其WGS84坐標，再利用軟件提供的坐標投影轉換模塊，用“一步法”進行坐標匹配，從而建立WGS84-BJ54坐標轉換系統。在投影轉換過程中，投影模型選用TM模型，中央子午線輸入108°，帶寬為3°。

2)基準網數據處理

基線解算采用IGS精密星歷，先進行無約束平差，獲取WGS84坐標系統下的各坐標值，而后在WGS84-BJ54坐標轉換系統下進行約束平差，獲得各個監測點的當地BJ54坐標值。

3)變形監測網數據處理

監測子網數據處理包括GPS監測子網和全站儀監測子網數據處理。GPS變形監測采用邊連式監測方案，要求基準點2個以上。為確保監測和解算精度，每期測量盡量保持固定基線測量方式。數據處理采用廣播星歷，平差方法采用控制點下的約束平差。全站儀主要采用極坐標觀測方式，每期測量應保持儀器設站點和觀測基線固定，數據處理也采用LEICA Geo Office 6.0進行。

3.2 監測數據可靠性檢驗

為保證監測數據質量的正確性、可靠性和合理性，應該在變形監測數據處理解算完成后進行可靠性檢驗。數據處理軟件提供的T-檢驗和F-檢驗可用于平差結果的可靠性檢驗?；鶞示W部分基線解算結果見表1，平差結果T-檢驗和F-檢驗結果見表2。

表1 首級基準網點解算結果表(單位：m)Tab.1 Calculated results of first class reference station network(unit：m)

表2 首級基準網平差結果檢驗表Tab.2 Adjusted results of first class reference station network

從表1～2可以看出，基準網基線解算質量較高，基線解算殘差較小，各基準點平面點位誤差小于±5 mm，而且T-檢驗和F-檢驗結果都小于臨界值，平差結果為可接受狀態，這表明基準網基線解算達到了預期的監測精度;同樣，GPS變形監測點解算結果也要需經過可靠性檢驗及精度評定，經過相鄰兩期解算結果比較，其變形量也較小，說明解算結果合理，質量可靠性高?；鶞示W和變形監測網數據解算結果表明，萬州高切坡監測方案合理，監測網布設得當，監測結果精度高，能夠滿足高切坡變形監測預警的需要。

4 高切坡監測實例

WZ0394高切坡是萬州區納入重點專業監測的高切坡之一，其后側為公路，前側是遷建樓。高切坡較陡，坡角為83°，規模較大，坡長近140 m，坡高近20 m。高切坡在近期降雨及內側開挖施工過程中，產生了裂縫和沉降，嚴重影響著后側公路及前側居民樓的安全。我們在高切坡體上建設了6個全站儀變形監測點和4個工作基，分布在高切坡兩側。高切坡位置及監測網布設如圖3所示。

根據變形監測設計要求，高切坡監測頻次為1次/月，目前已經監測16期。為保證測量精度，需對高切坡工作基點定期進行復核測量。表3為該高切坡工作基點GPS測量復核解算結果，從表3可以看出各工作基點中誤差優于±5 mm，符合變形監測設計要求。

圖3 高切坡變形監測點布設示意圖Fig.3 Sketch of monitoring points of high cutting slope

表3 高切坡GPS工作基點復核結果(單位：m)Tab.3 Varified results of GPS work reference station(unit：m)

通過數據解算，可以獲得每期的變形監測點的三維坐標及其變化量等參量。將各期觀測值進行比較，可以分析高切坡的變形趨勢。高切坡各方向的變形量如圖4所示。

由圖4可看出，高切坡的變形主要體現為向臨空方向(X向)發生變形和不均勻沉降(H向)的特點。從變形曲線可看出，高切坡向臨空方向變形最大近30 mm，沉降最大達18 mm，而且進入雨季，高切坡各方向變形有持續增大的趨勢。在今年持續降雨過程中，該高切坡后側公路現場調查發現產生了較大的裂縫和不均勻沉降現象，與實測結果相吻合，表明降雨對高切坡的變形具有重要影響，而且在時間上表現出一致性。

5 結語

1)結合高切坡監測工程技術特點，綜合考慮地面和空間測量方法的優缺點，選用全站儀和GPS綜合運用實施萬州區高切坡變形監測預警工程，實踐證明，這不僅提高了監測網的合理性，降低了監測網布設的難度，而且在監測精度和監測速度方面都優于單一的監測方法;

2)依據高切坡分布特征，采用首級GPS控制網-二級工作基點網-三級變形監測網的分層布網方式，不僅降低了監測網的布設難度，提高了監測效率，而且數據解算也表明，解算結果殘差較小，可靠性高，達到了監測的預期精度。

圖4 高切坡變形監測數據曲線Fig.4 Data curves of high cutting slope deformation monitoring

1 祝介旺，等.三峽庫區萬州段高切坡破壞模式和防護措施研究［J］.工程地質學報，2007，15(1)：8-14.

2 莫云，等.城鎮大區域復雜高切坡群監測方法探討［J］.地質科技情報，2010，29(1)：86-91.

3 蘇愛軍，高改萍.三峽庫區高切坡監測預警系統實施方案［M］.武漢：長江水利部勘測技術研究所，2006.

4 歐陽祖熙，等.用GPS技術研究三峽工程萬州庫區滑坡的穩定性［J］.中國地質災害與防治學報，2003，14(2)：76 -81.

5 韋志文.GPS控制網的布設與數據質量保證的探討［J］.大地測量與地球動力學，2007，(增)：52-55.

6 魏學勇，等.三峽庫區崩滑地質災害變形監測技術研究及應用［J］.大地測量與地球動力學，2010，(增)：120-125.

7 歐陽祖熙，等.基于3S技術和地面變形觀測的三峽庫區典型地段滑坡監測系統［J］.巖石力學與工程學報，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

國務院三峽工程建設委員會項目：三峽庫區重慶市萬州區高切坡變形監測預警系統

魏學勇，男，1974年生，助理研究員，主要從事地質災害變形監測預警研究.E-mail：xiaowei8566@sina.com

P228.4

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