GPS技术在矿山边坡变形监测中的应用

GPS技术在矿山边坡变形监测中的应用
摘要：本文在简述矿山边坡变形监测意义的基础上，介绍了矿山边坡变形监测的任务和主要内容，根据我国某矿山边坡的实际情况,介绍了GPS变形监测网的设计，验证了GPS技术应用于矿山边坡变形监测的可行性，并且确定了最佳的观测参数。

关键词：GPS技术；矿山边坡；变形监测；最佳参数
Abstract：This article in the summary mine side slope deformation monitor significance foundation, introduced the mine side slope distortion monitor duty and the primary coverage. According to our country mine side slope actual situation, introduced the GPS distortion monitoring network design, confirmed the GPS technology to apply in the mine side slope deformation monitor feasibility, and has determined the best observation parameter.
Keywords：GPS technology；Mine Slope；Deformation Monitoring；The Best Parameters
矿山边坡变形监测的意义
我国的矿产资源非常丰富，已探明储量的有155种，为我国经济的发展奠定了坚实的基础。

随着我国经济的飞速发展，对能源和资源的需求量也大幅度增加，各地为了增加产量，花大力气扩大生产规模，但是在产量增加的同时随之而来的是这些工程区域以及工程运行期间所形成的边坡安全（变形）监测问题。

在边坡工程建设中，通过对边坡工程的安全监测，可以起到如下一些作用：（1）评价边坡施工及其使用过程中边坡的稳定性，并作出有关变形的预测预报，对于已经或正在滑动的滑坡体掌握其演变过程，及时捕捉崩塌与滑坡灾害的特征信息，如崩塌、滑坡的正确分析评价、预测预报及为相关治理工程等，提供可靠的资料和科学依据。

（2）为防止滑坡及可能的滑动和蠕变提供及时决策支持，预测和预报滑坡的边界条件、规模、滑动方向、发生时间及危害程度，并及时采取措施，以尽量避免和减轻灾害损失。

（3）通过监测可为决策部门提供相应参数依据，为有关方面提供相关的信息，以制定相对应的防灾救灾对策。

（4）监测已发生滑动破坏和加固处理后的滑坡，监测结果是评价滑坡处理效果的尺度。

（5）为进行有关位移反分析数值模拟计算提供参数。

矿山边坡变形监测的任务和主要内容
2.1 矿山边坡变形监测的任务
（1）提供边坡恶性变形发生的报警，以保证作业人员及设备的安全，且在变形趋稳时解除警报，以利组织生产；
（2）提供可靠的监测资料以识别不稳定边坡的变形和潜在破坏的机制及其影响范围，以制定防灾、减灾措施；
（3）对于矿山边坡，提供信息以便矿山调整采、掘计划，甚至修改设计；
（4）参与提出处理潜在滑体方案，为方案的实施提供安全监测，对处理效果提出评价。

边坡监测的目的是对可能发生滑坡的危险边坡进行观测，查明滑动性质、滑体规模和准确预报滑坡等以确保生产安全，避免灾难性事故的发生。

2.2 矿山边坡变形监测的主要内容
2.2.1选定变形监测基准点
矿山边坡变形监测基准点的选择直接影响到GPS监测数据的可靠性，这要求GPS监测基准点稳定可靠且尽可能不受各种不利因素的影响，此外，在选定变形监测基准点时，不但要考虑到当前矿山边坡变形监测的迫切需要，还应考虑到整个矿区将来边坡变形监测的需要，应将基准点建立在稳定地层上。

2.2.2 GPS变形监测网的设计
GPS变形监测网的设计是采用GPS技术对矿山边坡进行变形监测的关键。

应根据不同的监测目的选择不同等级的监测网及相应精度的基准点坐标。

监测点设计是监测网建立的重要内容，根据矿山的实际情况，选择原有监测基点，四等三角点及矿山重要部位的新测点作为GPS系统的监测点。

监测点大多布置在与边坡垂直方向上。

监测网的级别越高，测量的精度也越高。

2.2.3 GPS监测及其坐标转换
野外作业数据采集使用双频或单频GPS接收机，在监测基准点上固定安置接收机，以进行长时间的连续观测，其它接收机依次布设于各个监测点。

对重要监测点观测的时段为2小时，且要求2个或2个以上的观测时段，一般监测点为1个观测时段，且时段长为1小时。

GPS监测系统采用WGS－84坐标系，最常采用的数据形式为经度、纬度和高程。

对于边坡变形监测可以不进行坐标转换，通过比较不同时间的观测结果便可直接求出相应的差值或计算出相应的位移量。

但如果分析评价GPS测量系统建立之前的常规测量获得的结果，或要将GPS测点作为工程地质测绘图的控制点时，则需要进行坐标系统的转换，将GPS系统采用的WGS-84坐标系统转换成矿区采用的地方坐标系，以建立两者之间的联系，便可分析评价历年的累计变形及其发展变化趋势。

2.2.4监测结果的数据处理和变形分析
监测数据可自动处理，计算出相应的基线向量，并调出相位双差参考图，仔细观察和研究其变化，对于波动起伏超过限差要求的基线应进行重新测量。

边坡变形监测的实施
3.1边坡观测站的布设
观测点应布置在下列地段：工程地质条件较复杂，如断层、破碎带、风化带、岩层节理发育等地段；受地下水和地表水危害较大的地段；运输枢纽；已形成较高的边坡和服务年限较长的地段；正在进行边坡治理的地段。

观测线的条数取决于滑坡范围（监测范围）的大小、边坡岩石力学性质变化情况及地质条件复杂程度。

一般在滑体中央部分、沿预计的最大滑动速度方向（多数情况为大致垂直于露天矿边坡走向方向）布置一条，在其两侧再布设若干条。

在滑体上具有特征性的部位应设专门的观测点进行监测，当发现某些观测点有移动时，可在这些观测点的上、下、左、右增设观测点，以便准确确定边坡移动范围。

3.2 边坡的监测
观测工作在全部监测点埋设10～15天后进行，观测时首先将监测站的控制点与露天矿基本控制网点进行联测。

露天矿山边坡正常观测工作主要有如下内容：
（1）警戒观测：为确定边坡是否正常滑动，可根据季节及观测线的具体情况定期进行水准测量。

若发现观测点累计下沉达20mm时，可认为边坡开始滑动，需要进行全面观测。

全面观测包括测点的平面位置和高程测量。

（2）滑动期观测：滑动期观测周期根据边坡活跃程度而定，一般在1～3个月进行一次水准测量，3～6个月进行一次全面观测，在滑动速度快、变形大的情况下，应缩短观测周期以全面掌握和研究滑动规律。

当发现滑体产生裂隙时，必须测量裂隙的长短、深浅和走向，并在裂隙的两侧设置观测点，每月或每周观测一个裂隙的变化情况。

（3）滑坡后观测：包括观测点平面位置、高程及滑体的大小、滑落记录时间等，并在滑坡区平面图上表示出滑动面、裂缝位置、凸起、凹陷等变形发生的部位、时间及有关测量数据。

得到观测成果后，可按平差解析方法计算出各工作点的坐标，然后与首次观测成果相比较求得位移量。

外业观测结束以后要进行观测成果整理，观测成果整理主要内容有：根
据观测点平面位置和高程，计算移动和变形值，绘制移动和变形曲线图。

（1）测线剖面图：图上应表示出滑坡前后边界外形，各台阶标高、地物、岩层、地质构造界线、各观测点及其移动量。

如果滑动方向与观测线方向相差较大，应另绘滑动方向剖面图。

（2）滑坡区平面图：图上应表示出滑坡前后台阶或地形及其标高、地物、滑体边界、裂缝、观测线等，绘出各观测点的移动向量。

（3）对个别具有代表性的监测点，需绘位移或移动速度随时间的变化曲线。

根据上述图纸及滑坡区地质和采矿工程等条件，可推测滑动面的形状和位置，分析滑动原因，进行滑坡预报等。

工程实例－某矿区基准网比测
4.1 某矿区边坡GPS监测网系统
本项工作旨在运用GPS技术对该矿山部分高边坡开展全面监测，积累数据，通过比较分析,验证GPS用于矿山边坡变形监测的可行性,并且确定最佳观测参数。

利用GPS进行位移监测，一般有两种方案：第一种方案是在监测点上建立无人值守的GPS观测系统，通过软件控制，实现实时监测和变形分析、预报。

第二种方案是用若干台GPS接收机，定期对监测点进行观测，对数据实施后处理之后进行变形分析与预报。

第一种方案能实时监测，自动化程度也很高，但由于每个监测点上都需要安装GPS接收机，使监测系统的费用非常昂贵。

第二种方案劳动强度大，自动化程度低，但费用较省，当监测点较多时，优点比较明显。

利用GPS对某矿区边坡监测主要采用了第二种方法，因此大大降低了监测系统费用。

图1 某矿区边坡变形GPS监测系统总体结构
某矿区GPS监测网使用2到3个基准点以及若干监测点，组成形变监测控制网。

同时为了达到更高的监测精度，对监测网的几个方面作了相应的要求：
4.3 边坡平面位移监测网
开展了边坡安全监测网的优化设计、建网和首期观测工作，优化设计中考虑了增强网型结构，并顾及了常规高精度测量仪器的现状与发展态势，平面位移监测网共8点，编号为I01～I08，沿边坡分布，组成4个大地四边形，最终确定的设计方案如图2所示。

图2测区监测网设计图
4.4 参数选择比较与分析
4.4.1 高度截止角比较
分别选用、、高度截止角，采用HDS2003软件进行基线解算，通过GPS 与常规边角网观测值的比较，得出选用20°高度截止角效果最好。

4.4.2 时段长度比较
对观测的12小时数据，固定高度截止角为20°，分解成3小时、6小时、12小时，采用HDS2003软件分别解算，通过对基线的影响分析可知：3小时观测即可满足要求，6小时观测值与12小时观测值无显著差异。

4.4.3 起算点坐标精度
以基准点I01的单点定位坐标作为起算点，采用HDS2003进行了精密基线的解算，通过与联测精确的地心坐标的结果比较，得出结论：起算点联测精确的地心坐标可以提高基线解算的精度，它对基线解算结果的影响是不能忽略的
4.4.4 对流层参数估计
选用对流层参数估计和无对流层参数估计方法，采用HDS2003进行了精密基线的解算，通过对不同基线的精度影响分析，可以看出，无对流层参数估计的解算结果好于进行对流层参数估计的结果。

5 结束语
本文通过一个工程实例—某矿区边坡形变监测，首先综合考虑各种因素，设计了测区的监测控制网，然后通过比较分析，验证了GPS用于矿山边坡变形监测的可行性，并且通过对比，确定了GPS用于矿山边坡变形监测时的最佳观测参数，这有利于指导变形监测实践。

参考文献：
[1]徐嘉谟.边坡及其它类工程地质问题研究[J].水文地质工程地质,1997,No.2:35～38
[2]李曙锋,贺跃光.露天矿山边坡变形监测及工程实例[J].2002,V ol.16,No.2
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。