深度探讨基于GPS的变形监测

2022-09-11

1 变形监测的定义

变形是自然界普遍存在的现象, 它是指变形体在各种负荷作用下, 其形状、大小及位置在时间和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的, 如果超出允许值, 则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍, 如地震、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。

所谓变形监测, 就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是首先在变形区域内布设若千变形监测点 (或者叫观测点) , 然后定期对其进行观测, 采集监测点的各期变形信息, 对观测数据进行处理, 计算出监测点的变形量及其变化速率, 进行变形分析, 找出变形规律, 并做出预测, 对其变形引起的破坏提出防范措施。

变形体的范畴可以大到整个地球, 小到一个工程建 (构) 筑物的块体, 它包括自然和人工的构筑物。根据变形体的研究范围, 可将变形监测研究对象划分为这样3类。

(1) 全球性变形研究, 如监测全球板块运动、地极运动、地球自转速率变化、地潮等。

(2) 区域性变形研究, 如地壳变形监测、城市地面沉降等。

(3) 工程和局部性变形研究, 如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。

在精密工程测量当中, 最具代表性的变形体有大坝、桥梁、矿区、高层 (耸) 建筑物防护堤、边坡、隧道、地铁、地表沉降等。

2 变形监测的目的和意义

随着时代的进步, 人类生产、生活领域不断扩大。高大建筑物和工业设施遍布城乡。基于生产和生活的需要, 大量抽取地下水, 不断进行地下矿物的开采等等因素的影响, 造成城市和矿区地面下沉, 地面建筑物倾斜、变形, 加上地震、山体滑坡、露天矿边坡变形等地面形变, 严重的威胁着人类的生产和生存。迫切需要监视地表、地面建筑物和各种工程设施以及生存空间的点位移动状况, 进行地面变形测量。国内外因变形出现的事故众多, 以大坝为例, 法国67m高的马尔巴塞 (Malpasset) 拱坝1959年垮坝;意太利262m高的瓦依昂 (vajont) 拱坝1 9 6 3年因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效;美国93m高的提堂 (Teton) 土坝1 9 7 6年溃坝:我国板桥和石漫滩两座土坝1 9 7 5年洪水漫坝失事等。可见, 保证工程建筑物安全是一个十分重要且很现实的问题。为此, 变形监测的目的就是通过变形监测了解地面形变 (即垂直沉降和水平位移) 的情况, 然后进行变形分析, 得出变形的规律和破坏程度, 最后作出管理决策。

变形监测工作的意义重点表现在两方面:首先是实用上的意义, 主要是掌握各种建筑物和地质的稳定性, 为安全性诊断提供必要的信息, 以便及时发现问题并采取措施;其次是科学上的意义, 包括更好的理解变形的机理, 验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说, 进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。

3 全球定位系统 (GPS) 应用现状

3.1全球定位系统 (GPS) 在变形监测中的应用

G P S在地壳形变监测中的应用:监测地壳形变、测定地球板块间相对运动的速率, 进行地震预报, 要求相对定位的精度优于1 0汗量级。监测点之间的距离一般在几十至数百千米。这对传统的大地测量技术来说是很难实现的。实践证明, G P S地壳形变监测网基线相对精度可达1护量级。这就有可能将G P S定位技术用于地壳形变监测。我国自2 0世纪9 0年代初以来, 在国家地震局重点项目资助和国家有关科技项目的资助下, 先后在华北、祁连山-河西走廊、川滇、青藏等建立了监测地壳水平形变的G P S区域监测网, 首都圈G P S监测网, 以及中美合作建立的龙门山G P S地壳形变监测网和喜马拉雅山局部地区板块与地壳形变监测网, 都取得了十分宝贵的观测资料。实践证明G P S定位技术用于地壳形变监测是可行的。

G P S在矿区或城市地面沉降监测中的应用:矿区或城市地面沉降观测一般用水准测量的方法进行。水准测量的精度高, 但劳动强度大, 作业时间长。用G P S相对定位与水准测量相结合的方法或者只用G P S相对定位方法进行矿区或城市地面沉降观测, 实践证明是一种行之有效的好方法。国内外的研究资料证明, 对于数公里的短基线, G P S相对定位精度可达毫米级。2 0世纪90年代初, 中国大港油田地面垂直形变监测网中, GPS大地高测量精度为3mm~4mm;1994年, 苏州城市G P S形变监测网两期数据处理, GPS网平面精度为2mm~3mm, 高程精度为5 m m。刘大杰、王遗南、张华海、栾元重、潘焱清、高井样等和王军等人均在这方面作了研究。

G P S在露天矿边坡变形监测中的应用:露天矿的范围一般在数公里之内, 比较适宜于G P S定位技术进行测量。中国矿业大学在霍林河露天煤矿进行的变形监测工作表明, G P S的定位精度完全满足矿区地面形变测量的精度要求。

G P S在滑坡变形监测中的应用:为了更好的开展长江三峡库区地质灾害的监测和防治, 完善监测手段, 形成高水平的立体综合监测网, 推动动态监测, 建立地质灾害现代化监测网络创造条件。原武汉测绘科技大学, 于1 9 9 9年2月至7月在三峡库区进行了G P S监测试验, 进行了多方面的试验与研究, 结果表明:在三峡库区进行变形监测, 完全可以用G P S来代替常规的外观观测方法, 且在精度、速度、时效性、效益等方面都优于常规方法。

进行G P S变形监测时, 如果每个监测点上都安置一台G P S接收机, 则势必造成高额的仪器费用投入, 使G P S监测的成本居高不下, 而且不可避免的发生这些昂贵的仪器设备在运行时的损失问题。为此, Ding XL, 黄丁发, 何秀凤等研制了一种低费用、多天线的G P S变形监测系统。其宗旨是采用一个特制天线转换开关来实现多个G P S天线与一台接收机相连接, 接收机按预先设置的程序分时扫描每一台天线并实现G P S卫星的跟踪观测, 通过数据处理软件来完成数据处理。丁晓利等在原来的基础之上, 研制出了第2代多天线G P S系统, 新的系统加强了不同硬件和软件之间的高度集成, 采用O E M板代替成品接收机, 使整个系统在内部高度集成, 数据处理与管理算法也更加先进。实践证明, 使用一机多天线G P S监测系统, 不仅可以大大节省硬件设备费用的投入, 而且能够有效的应用于局部变形监测之中。

G P S技术应用于变形监测领域, 具有自动化程度高;定位精度高;可以实现全天候的实时动态观测;可消除或削弱系统误差的影响;可直接用大地高进行垂直变形测量等优点。同时, G P S技术具有全球、无误差积累等优点, 使观测工作效率大大提高, 节省了大量的人力和物力。因此, G P S定位技术成为一种新的很有前途的变形监测方法, 具有广阔的前景。

摘要：基于GPS的变形监测应用十分广泛, 本文首先分析探讨了变形监测的定义及目的意义, 在此基础上, 笔者认真总结了当前国内外相关案例, 分析了基于GPS的变形监测的应用, 包括地壳形变, 滑坡变形和高层建筑监测等一系列的应用, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：GPS,变形监测,地壳形变,高层建筑