震區牛圈溝不穩定斜坡災害原位監測與數據處理

陳建坤

（湖南有色新田嶺鎢業有限公司 湖南 郴州 423000）

1 不穩定斜坡監測數據獲取

1.1 監測內容與方法

震中不穩定斜坡位于汶川縣映秀鎮牛圈溝飛魚咀對面（即二號攔砂壩右側），為一土砂質不穩定斜坡，滑坡在地貌上呈北向U形凹地，縱長約70m，寬約30m，上側以滑坡后沿山體為界，左右兩側以山體叢生灌木為界，下部以公路為界，滑體總面積2000m2，一旦發現滑坡會阻斷道路，阻塞河道，影響人們的正常的生活。

本控制網平面坐標外業觀測采用中國中海達測繪公司生產的HD8200G單頻GPS接收機6臺，觀測方法采用靜態相對定位的方法進行野外數據采集。

控制網高程坐標采用日本生產的拓普康GTS7501全站儀進行測量，具有許多特性和特點：高精度且實際精度遠高于標稱指標，該全站儀測角精度為1″，標稱測距精度為2mm+2ppm，一般氣象條件下的測程為3000m。

坡體形變監測點平面坐標采用日本生產拓普康GTS-102型全站儀進行觀測，高程采用萊卡NA720光學水準儀進行觀測。

1.2 主要精度指標

震區牛圈溝不穩定斜坡要求按《全球定位系統（GPS）測量規范》的C級GPS點布設。

國家水準網布設成一等、二等、三等、四等4個等級。現用的水準測量規范為：GB/T 12897-2006《國家一、二等水準測量規范》與GB/T 12898-2009《國家三、四等水準測量規范》。工程上常用的水準測量為：三、四等水準測量；等外水準測量。

表1 常用地表不穩定斜坡垂直位移監測方法各自特點

1.3 控制網點布設

牛圈溝飛魚咀對面不穩定斜坡的控制網遵守布設原則布設為了6個點，其中D03，D04為基準點，其它控制點分別為D05，D06，D07，D08。

1.4 控制網施測

（1）GPS測量：

GPS控制網外業觀測時，作業人員應參照靜態觀測基本作業技術要求來執行。天線對中誤差不應大于3毫米，基座圓水準氣泡必須居中，觀測前后在天線互為120°方向上量取天線斜高，互差應小于5毫米。開機后把測站相關信息輸入GPS接收機并做外業觀測記錄。牛圈溝局部控制網采用4臺中海達GPS同時段測量，由于牛圈溝地形復雜，開機時間不少于2小時。

圖1 牛圈溝飛魚咀對面不穩定斜坡控制網布設圖

圖2 震區牛圈溝不穩定斜坡外觀變形監測點布置圖

表2 控制網點坐標

（2）全站儀對向三角高程測量的原理

對向觀測又稱為往返觀測，其觀測原理與單向觀測相同。將全站儀置于A 點，棱鏡置于B 點，測得A、B 兩點間的高差hAB，hAB稱為往測高差；再將全站儀置于B 點，棱鏡置于A 點，測得B、A 兩點間的高差hBA，hBA稱為返測高差。往返兩次觀測高差的平均值即可作為最終的測量結果。往測計算公式：

返測計算公式：

式中：S往、S返、α往和α返分別為往返觀測的斜距和豎直角，i往、i返、v往和v返分別為往返觀測的儀器高和棱鏡高，K往和K返分別為往返觀測時的大氣折光系數。在全站儀進行往返測量時，如果觀測是在相同氣象條件下進行的，特別是在同一時間進行，則可假定大氣折光系數對于反向觀測基本相同，因此。又和同是A、B兩點間的平距，也可認為近似相等，即有：

從式（1）、（2）可得對向觀測計算高差的基本公式為：

式中符號意義同前。

因此，在氣象條件穩定時，全站儀對向三角高程測量可以不考慮地球曲率及大氣折光系數的影響，與單向觀測相比有明顯優勢。

1.5 形變監測點布設

牛圈溝宜使用方格網型，方格網型為在不穩定斜坡體范圍內，多條縱向、橫向測線近直交，組成方格網，測點設在測線的交點上（也可加密布設在交點之間的測線上）。這種網型測點的分布的規律性強，且較均勻，監測精度高，適用于不穩定斜坡體地質結構復雜，或群體性不穩定斜坡體。

1.6 形變監測點施測

布樁采用大鐵錘把木樁打入監測點位置中，并用小鐵錘打進木樁中，并同時反復用鋼卷尺測量樁高，使它控制在10cm。由于鋼卷尺的精度不高，經過實地測量操作，方法可行。

牛圈溝飛魚咀對面不穩定斜坡應采用前方交會法，在D06號點架全站儀，對后視點D05，檢驗誤差精度，前視點為各樁號點，觀測各樁號點的坐標。高程觀測采用精密萊卡NA700水準儀配合5米塔尺從D07號引高程，用聯測方法測量上中下各兩排木樁，其中測量為A，B，E，F，H，I排。通過全站儀與水位儀測量的高程對比，解算出高差。

2 不穩定斜坡監測數據處理

2.1 GPS數據處理

牛圈溝閉合導線數據處理結果

X、Y坐標以牛圈溝D03、D04為基準解算閉合導線數據結果為準，高程H用以牛圈溝D03、D04為基準的GPS數據結果為準。

圖3 震區牛圈溝不穩定斜坡控制網

2.2 三角高程數據處理

全站儀對向三角高程測量的中誤差：

表3 數據融合最終結果控制網點坐標

表4 形變監測點坐標數據結果

表5 區不穩定斜坡樁位水準測量

根據誤差傳播定律，由公式（2.4）進行微分，并轉變為中誤差關系式，則式（2.4）可變為：

式中：mh為往返觀測平均高差中誤差，mS往、mS返、mα往和mα返分別為往返斜距和堅直角中誤差，mi往、mi返、mv往和mv返分別為往返儀器高和棱鏡高量取中誤差，其他符號意義同前。由于儀器和觀測條件相同，可取mα往=mα返=mα，mS往=mS返=mS，S往=S返S，mi往=mi返=mv往= mv返=m，α往=α返=α。于是式（3.5）可簡化為：

對式（3.6）進行開平方，則：

三角高程數據采用南方平易2005軟件進行數據處理，最終獲取合格的高程數據結果。

2.3 數據融合

對GPS和三角高程數據的處理結果進行融合，平面坐標以GPS處理出來的X、Y坐標為準，高程坐標H以三角高程處理處的結果為準，最終得到控制點的精確坐標。如圖所示：

2.4 監測點平面坐標數據處理

對照《樁號點號觀測對照表》，將全站儀獲取的每個形變監測點的3個坐標挑選出來，統一匯總好，再將其錄入Excel表格，編輯公式，求解出形變監測點坐標的平均值，再將其平面坐標提取出來即可，如下表所示

2.5 監測點水準高程數據處理

水準測量外業式作結束后，要檢查手簿，再計算各點間的高差。經檢核無誤后，才能進行計算和調整高差閉合差。最后計算各點的高程。

2.6 不穩定斜坡體形變數據處理

不穩定斜坡體整體流域因地震，水流等因素的影響會產生形變，對其整體的地形改變量測量具有重要意義。將所獲取的地形數據導入南方CASS7.0數據處理軟件，按照草圖上所畫的區域和標記的點號，用復合曲線畫好滑坡的邊界線，然后在圖面上生成三角網和0.5米等高距的等高線，生成不穩定斜坡的大比例尺地形圖。

圖4 震區牛圈溝不穩定斜坡1：100大比例尺地形圖

3 結論

（1）利 用GPS、GPT-102全站儀，建立野外控制網和觀測站點，繪制大比例尺地形圖，可以實現對震中不穩定斜坡進行動態監測。

（2）將牛圈溝飛魚咀對面的不穩定斜坡（ 即D05～D07控制點之間的不穩定斜坡）確定為首批實施重點監測對象是正確的，監測設計基本原則合理，監測手段及監測技術切實可行，行之有效。

（3）監測實施過程可以分為儀器埋設與安裝、現場觀測、資料處理與分析、信息反饋及預測預報等5個基本環節來完成，它們對于掌握和認識各不穩定斜坡體的穩定性性狀缺一不可。

（4）監測成果與不穩定斜坡現場宏觀特征相符，說明監測成果的可靠性和科學性；另外，在已獲取各類監測資料的基礎上，信息反饋必須及時、準確即時應重視和加強資料的綜合分析、管理和預測預報工作。