基于GPS技术的公路滑坡三维形变监测技术研究Word下载.docx
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2.1公路滑坡基本概念8
2.2影响公路边坡稳定性因素9
2.3滑坡作用机理10
2.3.1发生滑坡的条件11
2.3.2滑坡的分类12
2.4公路滑坡的危害13
3公路滑坡的变形监测14
3.1公路滑坡常规监测方法14
3.1.2沉降监测方法15
3.1.3地面三维变形监测方法15
3.1.3.1全站仪三维变形监测15
3.1.3.2三维激光扫描仪变形监测16
3.1.4摄影测量监测方法16
3.1.5测斜仪监测方法17
3.2GPS滑坡监测优势17
4GPS公路滑坡三维变形监测研究18
4.1GPS技术进行公路滑坡监测的可行性分析18
4.1.1GPS测量的平面精度18
4.1.2坐标系转换18
4.1.3GPS技术监测滑坡体垂直形变的可行性21
4.1.3.1几种常见高程系统简介21
4.1.3.2几种常见高程系统之间的联系22
4.1.3.3滑坡体的垂直变形22
4.2GPS测量原理与方法23
4.2.1伪距定位法23
4.2.2载波相位定位法23
4.2.3GPS相对定位24
4.3GPS在公路滑坡监测中的实施25
4.3.1基准点的选择与坐标测定25
4.3.2GPS滑坡监测所采用的高程系统25
4.4GPS滑坡监测网的技术设计26
4.4.1技术依据26
4.4.2GPS滑坡监测网的设计26
4.4.3GPS观测的基本技术要求27
4.5GPS滑坡监测数据的采集28
4.5.1GPS接收机的检验28
4.5.2GPS卫星可见性预报28
4.5.3GPS外业观测29
4.6GPS监测网的数据处理30
4.6.1GPS数据处理的准备30
4.6.2GPS基线处理32
4.6.3GPS网平差34
4.6.4GPS滑坡监测基准点稳定性分析36
5GPS滑坡监测工程实例分析36
5.1监测工作概述36
5.2施测仪器36
5.3监测依据36
5.4施测等级36
5.5施测方法37
5.6监测基准网的布设、施测37
5.7监测单体网38
5.8基准网监测数据处理与稳定性分析38
5.9监测点数据处理及精度分析40
6总结45
6.1本文研究内容总结45
6.2GPS变形监测技术展望46
致谢46
参考文献46
1绪论
1.1国内外研究现状
国际上对于地质灾害的研究和防治已有百多年的历史。
据史料记载,目前世界上可见到的最早关于滑坡的观测记录是瑞士从1880年开始对一个湖岸滑坡的观测,此项观测一直持续到1934年才结束,前后历时55年;
美国从1895年开始,到1916年为止,对波特兰德滑坡进行了长达22年的观测。
1956年,前苏联学者叶米里扬洛娃就在其所著的《滑坡观测技术指南》一书中对滑坡位移观测的原理、方法和应用进行了较为系统的总结。
由此可见,地质灾害监测手段作为避灾、防灾的重要环节己有悠久的历史。
近百年来,地质灾害的监测方法已经从简单的宏观监测方法发展到利用仪器精确地测定灾害地表或地下得变形量。
长久以来,地表外部位移监测主要采用经纬仪、水准仪、测距仪、位移计、测缝仪等,这些以大地测量为主的监测方法,具有直观、简单、投入快、监测较为准确等特点,在地质灾害特别是在滑坡灾害监测中发挥了重要的作用。
但是,这些常规大地测量监测方法由于人工作业劳动强度高,观测工作易受地形、地物、植被、视距、天气状况等因素的影响,而且作业周期较长等的缺点,使其难以准确、实时的发现灾害变形体的整体变形量。
地下内部变形监测主要采用倾斜仪、静力水准、应变计、孔隙水压计、雨量计等,这些仪器具有可获取监测灾害体内部不同变形物理参数、环境因素(地下水、天气等)的特点,但是也存在对变形监测阶段的选择性较强,仪器安装环境的要求相对较高,安装成本较大等缺点。
随着现代科学技术的迅猛发展,尤其是空间信息技术、电子信息技术、计算机技术的发展使得以全球定位系统(GPS)、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、电子全站仪为代表的现代高科技技术手段,逐渐成为灾害勘察与监测的重要技术方法,这些现代先进技术,具有全天候性,不受天气、时间和地点的限制,而且人工干预较少,监测精度高,作业周期短的特点。
GPS卫星定位技术以其合理的卫星星座框架,强大的服务功能,特别是具有可以实现任何地方、任何时间的全天候定位功能、作业灵活简便、定位精度高等优点,使得GPS技术在国民经济建设各领域的应用研究发展十分迅速,已经从理论研究走向应用阶段。
目前,GPS技术已经广泛的应用在地质灾害的监测中,尤其是在公路滑坡灾害监测方面。
例如我国己在长江三峡等大型水利水电工程中建立了GPS监测网,用于各种边坡的变形监测,长安大学也先后在108国道、川藏318国道、铜黄高速公路等施工和运营的过程中应用GPS技术进行边坡三维变形监测,为公路建设和运营中的灾害防治提供了科学依据。
GPS技术应用于公路滑坡监测,由于点位的选择不受通视条件的限制,因而选点灵活,可以根据监测需要将监测点布设在反映变形体整体变形情况的特征点上。
同时,由于GPS具有全天候性,因而可以在任何地点、任何天气和任何时间进行连续监测。
而且在监测过程,它主要关注的是两期监测中所求得监测点的坐标之间的差异,而不是监测点本身的坐标。
这样两期监测中所含的共同系统误差虽然会分别影响两期的坐标值,但却不会影响所求得的变形量,即在GPS滑坡监测中,只要天线在监测过程中保持固定不动,天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果。
另外,GPS静态相对定位具有很高的定位精度(平面1-3mm,高程3-1Omm),以及较高的作业自动化程度,使得GPS技术在公路地质灾害监测上有着广阔的应用前景。
但是在高精度GPS滑坡监测中,当监测点较多时,由于每个监测点上都需要安装GPS接收机,造价较为昂贵,极大地限制了GPS技术的应用,并且仅用少量的GPS接收机也无法在监测过程中获得变形体整体的、连续的变形信息。
因此,降低GPS监测系统成本,实现对变形体的连续监测,对促进GPS技术在公路地质灾害监测中的广泛应用具有非常重要的意义。
针对此问题,香港理工大学的丁晓利教授(1999)提出了“GPS一机多天线监测系统”的思想,即在不改变由于已有GPS接收机结构的基础上,通过一个附加的GPS信号分时器连接开关将多个天线阵列与同一台GPS接收机连接。
这样,就可以用一个天线来代替一台GPS接收机,从而大大的降低了GPS变形监测系统的成本。
并已成功地研制了GPS一机多天线变形监测系统。
该系统不但大大节省了硬件费用,而且自动化程度较高,可自动报警。
该系统将微波技术、计算机技术与GPS监测技术相结合,是一项具有国际领先的创新成果,在公路滑坡地质灾害监测中有着广阔的应用前景。
1.2选题的目的与意义
滑坡是山区经济建设中经常遇到的一种山体变形现象,它是指斜坡岩土在重力作用下,一般由于改变了坡内一定部位的软弱带的应力状态,或因水和其他物理化学作用降低了该带的强度,以及因振动力或其他作用破坏了该带岩土的结构,使部分岩土失去稳定而沿该带作整体和长期地向下滑动的现象。
滑坡一旦发生,就会中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿、掩埋村镇,给人民的生命财产造成重大损失。
据初步统计,我国每年因滑坡等地质灾害所造成的损失约为200亿元人民币。
仅在80年代,在我国西南、西北地区发生的一次性死亡人数在200人以上或者直接造成经济损失在千万元以上的灾难性滑坡事件就有十余起,如1984年新滩滑坡、1989年溪口滑坡和乌江滑坡。
近年来,由于国家大力发展基础建设,因人类活动而造成的滑坡事件更是屡见不鲜。
而公路作为人类的主要交通运输线之一,它的安全运营直接影响着人类的生命和财产安全。
因此,为了确保国民经济发展战略目标的顺利实现,保障人民生命财产安全和社会稳定,必须对公路边坡地质灾害采取可靠、有效的监测措施。
目前公路滑坡监测常采用的方法大多为全站仪观测。
全站仪观测虽然精度较高,但是观测工作受地形、地物、植被、视距、天气状况等因素的影响较大。
而GPS技术作为一种新兴的大地测量手段,它避免了传统监测方法在公路滑坡监测中的弊端,实现了连续、实时、动态监测,使得监测数据更能表达当前滑坡体所处的状态,并且监测数据能够得到及时地分析和处理,从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势,为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据,这对于处于活跃阶段的滑坡体变形及断层的相对运动监测具有特别意义。
1.3本文主要研究内容
本文首先对公路滑坡进行简要介绍,简述公路滑坡的危害。
并对当前公路滑坡监测的监测方法进行简要介绍与分析。
即沉降监测方法、地面水平位移监测方法、地面三维变形监测方法、数字摄影测量监测方法、测斜仪监测方法等。
然后针对目前GPS用于变形监测的方法、监测的原理、数据处理方法及其存在的问题作简要介绍和分析,并从GPS滑坡监测网网形设计、数据采集与控制、数据处理等方面入手,结合铜黄高速公路滑坡监测的实际监测资料证明采用GPS进行公路滑坡监测能够满足其精度要求。
最后针对国内、外GPS滑坡监测研现状展望GPS监测技术的发展方向。
2公路滑坡简介
2.1公路滑坡基本概念
公路滑坡是公路两侧地表斜坡上的岩土层在重力作用下,以一个较大的整体,沿着一定的软弱面或软弱带向下滑动的现象。
公路滑坡的发生,是斜坡土或岩体平衡条件遭到破坏的结果,其平衡条件为岩或土体重力所产生和侧向滑动分力,等于或小于滑动面的抗滑阻力。
公路滑坡的形成和发展的主要原因是因为修建公路开挖形成了人工边坡,破坏了原来岩层的自然条件,再加上一些人为因素或外界条件(降雨、地震等)的影响,是斜坡上的表层受力状态发生变化,进而发生滑坡。
滑坡的组成要素主要有以下几种:
滑坡体—指滑坡的整个滑动部分,简称滑体;
滑坡壁—指滑坡体后缘与不动体脱离开后暴露在外面的形似壁状的分界面;
滑动面—指滑坡体沿下伏不动体下滑的分界面,简称滑带;
滑动面—指平行滑动面受揉皱及剪切的破碎地带,简称滑带;
滑坡床—指滑体滑动时所依附的下伏不动体,简称滑床;
滑坡舌—指滑坡体前缘形如舌状的凸出部分;
滑坡台阶—指滑体滑动时由于各段土体滑动速度的差异,在滑坡体表面形成台阶状的错台;
滑坡周界—指滑坡体和周围不动体在平原上的分界线;
滑坡洼地—指滑动时滑坡体与滑坡壁间拉开成的沟糟,或中间低四周高的封闭洼地;
滑坡鼓丘—指滑坡体前缘因受阻力而隆起的小丘;
滑坡裂缝—指滑坡活动时在滑体及其边缘所产生的一系列裂缝。
位于滑体上或后部多呈弧形展布者称拉张裂缝;
位于滑体中部两侧又常伴有羽毛状排列的裂缝称羽毛状裂缝;
滑坡体前部因滑动受阻而隆起形成的张性裂缝称鼓张裂缝;
位于滑坡体中前部、尤其滑舌部呈放射状展布者称扇状裂缝。
2.2影响公路边坡稳定性因素
公路边坡的稳定性主要受下滑力和抗滑动阻力的影响。
并且外界条件的变化随时随地都可以改变公路边坡的应力平衡状态,即影响公路边坡稳定性的因素不是单一的,而是一系列自然和人为因素的综合。
一般认为,影响公路边坡稳定性的主要因素包括边坡地表的土石性质、地形、地质构造条件和水的作用等。
1边坡地表的土石性质
它是指公路边坡表层土石的矿物成分、结构、物理力学性质以及粘土类土的胶体化学性质,这些性质及其变化对边坡的稳定性起着直接的影响作用。
边坡岩石的露头部分会因风化作用而产生很多裂隙,岩石很破碎,容易发生滑坡;
特别是石灰岩的风化带,岩体较松软,风化物与粘土交混在一起,更容易导致滑坡。
这是因为粘土和石灰岩的风化物含有大量的遇水后膨胀物,当粘土浸水膨胀后,大大降低了颗粒间的凝聚力,从而使抗剪阻力减低,边坡稳定性受到破坏;
或因风化作用使岩石的强度降低,导致岩体内的可溶性矿物析出,加大了岩体的裂隙,使岩体的抗剪力大大降低,从而产生滑坡。
2地形
坡度、高差越大,滑坡位能越大,所形成滑坡的滑速越高。
斜坡前方地形的开阔程度,对滑移距离的大小有很大影响。
地形越开阔,则滑移距离越大。
阔程度,对滑移距离的大小有很大影响。
3地质构造条件
地质构造条件是影响边坡稳定性的最重要因素之一,在研究变形观测问题时,应当首先考虑地质构造条件对边坡稳定性的直接影响。
例如岩层的倾向和倾角对边坡稳定性影响极大。
此外,岩层的裂隙和断层对边坡也有很大的影响作用,当裂隙和断层方向与边坡方向同向时,很容易产生沿裂隙和断层面的滑坡变形。
因此,在变形监测设计时应详细了解断层和较大裂隙的分布状况。
4水的作用
水的作用与边坡稳定性密切相关,边坡土石往往是在水的作用下发生质的变化,形成滑坡变形,造成地表破坏。
①雨水与地表水的作用
雨水是地表水的主要来源,尤其在雨季,一方面冲刷边坡,一方面加大地表径流量并向地下渗水,使边坡上土石的物理性质发生变化,造成边坡稳定性受损。
在一定的条件下,地表水和雨水量固定,这样便形成了相对固定的地表边坡状态。
而当地表水突然增加时,例如持续暴雨或大型水工建筑物的修建,均会造成公路边坡滑坡的危险。
②地下水的影响
地下水位升高,可使边坡上的土石浸湿,甚至达到饱和状态,这样便会使土石的抗剪强度大大降低。
一旦有突变情况使得地下水位上升,即会引发滑坡。
此外,由于地下水的作用使岩石浸湿,土的容重增加,加大了下滑力,也可能引发边坡下滑。
由河流补给的地下水在边坡中流动时具有较大的动水压力,它可冲起粘土,造成潜蚀,使边坡的稳定性受损;
或因水的冲刷作用直接导致边坡失稳。
当含水层位于冻土带时,冬季结冰时使含水层冻结形成冰锥,融冰时可发生翻浆现象。
这种胀缩作用也会加快边坡破坏,形成滑动变形。
5人为因素
人类活动同样也可以影响边坡稳定性,例如公路、铁路、水库等设施的修建造成天然岩土层的破坏,影响边坡的原始稳定状态,造成滑坡。
另外,违反自然规律、破坏斜坡稳定条件的人类活动都会诱发滑坡。
例如:
①开挖坡脚:
修建铁路、公路、依山建房、建厂等工程,常常因使坡体下部失去支撑而发生下滑。
例如我国西南、西北的一些铁路、公路、因修建时大力爆破、强行开挖,事后陆陆续续地在边坡上发生了滑坡,给道路施工、运营带来危害。
②蓄水、排水:
水渠和水池的漫溢和渗漏,工业生产用水和废水的排放、农业灌溉等,均易使水流渗入坡体,加大孔隙水压力,软化岩、土体,增大坡体容重,从而促使或诱发滑坡的发生。
水库的水位上下急剧变动,加大了坡体的动水压力,也可使斜坡和岸坡诱发滑坡发生。
支撑不了过大的重量,失去平衡而沿软弱面下滑。
尤其是厂矿废渣的不合理堆弃,常常触发滑坡的发生。
综上所述,影响边坡稳定性的因素是众多的、复杂的。
因此,在进行变形监测设计和变形分析时,应全面考虑当地的历史条件、地质条件、地形地貌条件和水文条件等,进行综合研究,才能得出正确的研究结果。
2.3滑坡作用机理
公路边坡是一个地质体,其滑动面一般都是由地质上的构造软弱面所组成的,它决定了滑坡体的几何形状、受力条件、岩石或土的抗变形能力即抗剪强度等。
公路边坡受到一定的外力干扰后开始蠕变,初期变形速率较慢,至一定的时期后,速度加快,增加至一定程度后,如果公路边坡的制约条件较强,则公路边坡的蠕变会逐渐变缓,最后趋于稳定。
但是若公路边坡滑动的约束条件不够强,则蠕变速度达到一定程度后就将产生突变,导致滑坡的发生。
2.3.1发生滑坡的条件
1滑坡产生的基本条件
产生滑坡的基本条件是斜坡体前有滑动空间,两侧有切割面。
例如中国西南地区,特别是西南丘陵山区,最基本的地形地貌特征就是山体众多,山势陡峻,沟谷河流遍布于山体之中,与之相互切割,因而形成众多的具有足够滑动空间的斜坡体和切割面。
广泛存在滑坡发生的基本条件,滑坡灾害相当频繁。
从斜坡的物质组成来看,具有松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低,容易产生变形面下滑;
坚硬岩石中由于岩石的抗剪强度较大,能够经受较大的剪切力而不变形滑动。
但是如果岩体中存在着滑动面,特别是在暴雨之后,由于水在滑动面上的浸泡,使其抗剪强度大幅度下降而易滑动。
降雨对滑坡的影响很大。
降雨对滑坡的作用主要表现在,雨水的大量下渗,导致斜坡上的土石层饱和,甚至在斜坡下部的隔水层上击水,从而增加了滑体的重量,降低土石层的抗剪强度,导致滑坡产生。
不少滑坡具有“大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑”的特点。
地震对滑坡的影响很大。
究其原因,首先是地震的强烈作用使斜坡土石的内部结构发生破坏和变化,原有的结构面张裂、松弛,加上地下水也有较大变化,特别是地下水位的突然升高或降低对斜坡稳定是很不利的。
另外,一次强烈地震的发生往往伴随着许多余震,在地震力的反复振动冲击下,斜坡土石体就更容易发生变形,最后就会发展成滑坡。
2滑坡产生的主要条件
滑坡产生的两个主要条件是:
一是地质条件与地貌条件;
二是内外营力和人为作用的影响。
地质条件与地貌条件主要与下列因素有关
①岩土类型:
岩、土体是产生滑坡的物质基础。
一般来说,各类岩、土都有可能构成滑坡体结构松散,抗剪强度和抗风化能力较低,在水的作用下其性质能发生变化的岩、土,如松散覆盖层、黄土、红粘土、泥岩、凝灰岩、板岩、页岩、煤系地层、片岩、千枚岩等及软硬相间的岩层所构成的斜坡易发生滑坡。
②地质构造条件:
组成斜坡的岩、土体只有被各种构造面切割分离成不连续状态时,才有可能向下滑动的条件。
同时,构造面又为降雨等水流进入斜坡提供了通道。
故各种节理、缝隙、层理面、岩性界面、断层发育的斜坡,特别是当平行和垂直斜坡的陡倾构造面及顺坡缓倾的构造面发育时最易发生滑坡。
③地形地貌条件:
只有处于一定的地貌部位、具备一定坡度的斜坡,才可能发生滑坡。
一般江、河、湖(水库)、海、沟的岸坡,前缘开阔的山坡、铁路、公路和工程建筑物的边坡和坡度大于10度,小于45度,下陡中缓上陡、上部成环状的坡形都是易发生滑坡的有利地形。
④水文地质条件:
地下水对活动在滑坡形成中起着重要作用。
它的作用主要表现在:
软化岩、土,降低岩、土体的强度,产生动水压力和孔隙水压力,潜蚀岩、土,增大岩、土容重,对透水岩石产生浮托力等。
尤其是对滑坡带的软化作用和降低强度作用最突出。
就内外营力和人为作用的影响而言,地壳运动的地区和人类工程活动的频繁地区是滑坡多发区,外界因素和作用,可以使产生滑坡的基本条件发生变化,从而诱发滑坡。
主要的诱发因素有:
地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡、河流等地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷;
不合理的人类工程活动,如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、水库蓄或泄水、矿山开采等都可诱发滑坡。
此外,还有如海啸、风暴潮、冻融等许多作用也可诱发滑坡。
2.3.2滑坡的分类
为了更好地对滑坡的认识和治理
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