黑河引水工程第一期技术总结报告.doc

黑河引水工程库岸滑坡监测监测网布设及第一期监测技术总结报告长安大学测绘科学与工程系 黑河引水工程库岸滑坡监测监测网布设及第一期监测技术总结报告 项目负责： 技术审核： 报告校核： 报告编制： 黑河引水工程库岸滑坡监测监测网布设及第一期监测技术总结报告1.任务概述根据工程地质勘察，黑河金盆库区与大坝相距11km与16km处存在若干个滑坡，它们分别是：水门沟、碾子沟、水溜沟、望长沟、桃园沟等。工程地质稳定性评价结果认为：除望长沟滑坡比较稳定以外，其余4个滑坡都存在不同程度的不稳定性。在库区蓄水后有可能成为影响周城公路和库区安全的隐患，需对其变形情况进行长期监测。本课题的任务就是应用大地测量的现代理论和技术，布设高精度监测系统，监测上述4个滑坡的微量水平和垂直位移，研究坡体变形特点，并通过监测结果评价坡体的稳定性。为确保周城公路的通车安全和库区安全提供科学的决策依据。2.测区概况 水门沟、碾子沟、水溜沟、桃园滑坡位于库区黑河河谷左岸、周坡公路23至28公里里程碑处，与大坝相距11至16公里。 黑河河谷呈“V”字型，两岸地形陡峻，山坡坡度一般在35至55之间，高差达数百米，公路在滑坡体上拦腰穿过。滑体中发育小冲沟，切割坡体，水库蓄水后各滑坡体前缘均被水库淹没。滑体岩性主要为崩塌堆积的碎石和含碎石的坡积粉质粘土，滑体以外山坡的岩性为变质岩、阳起钠长片岩、绢云母石英片岩、绿泥石片岩等。山坡和滑坡植被茂密，公路以上坡体主要为灌木，公路以下部分为农田，部分为荒草和陡坡。 各滑坡体的主要特征如下：桃园沟滑坡距大坝约16km，位于两条冲沟之间，其东侧冲沟就是桃园沟。滑坡顶部有数级陡坎，下部受黑河河水侵蚀形成高10米至15米的陡坎，主滑方向为168。水溜沟滑坡距大坝约13.5km，坡体覆盖较厚的植被，其侧后缘边界不很清楚，前缘靠近河谷，有大片基岩露出，滑坡体被流水切割分成两部分，主滑方向为187。碾子沟滑坡距大坝约12.5km，滑坡体发育在一冲沟中，植被覆盖较厚，但边界清楚，前缘边界直达河床，主滑方向为60。水门沟滑坡距大坝约11km，具有典型的圈椅状地貌，其侧后缘植被覆盖较厚，前缘至582m高程处，下部露出基岩，主滑方向为62。3.作业依据3.1 工程测量规范(GB50026-93)3.2 精密工程测量规范(GB/T1314-94)3.3 全球定位系统(GPS)测量规范(CH2001-92)3.4 中短程光电测距规范(ZBA76004-87)3.5 水准测量电子记录规定(ZBA76005-87)3.6 本黑河引水工程库岸滑坡形变监测技术设计书4.监测网的布设 考虑到测区地形复杂，滑坡体植被覆盖层较厚，通视困难的特点，监测以采用GPS定位技术为主，配合以高精度全站仪测量的基准边以及精密水准测量等技术手段。监测网主要以GPS观测点为主，并辅以水准测量的高程点。于2000年8月22日至8月28日进行了野外踏勘与选点，9月10日至10月4日进行了现场变形监测点和监测基准点观测墩的制做与埋设。4.1 滑坡监测基准点的布设 监测网中的基准点是分析各滑坡体水平位移场和垂直位移场的参考基准，因此，基准点应埋设在滑坡体以外稳定地区的基岩上，且根据各滑坡的不同情况选取不同的基准点数。水门沟的水平位移基准点选在滑坡体对岸的山坡上，共有3个基准点：SM01、SM02、SM03，而两个垂直位移基准点SMS1和SMS2则选在滑坡体两侧的公路旁(见图1所示)。碾子沟共有2个基准点：NZS1和NZS2，分别埋设在滑坡体两侧各100m以外的公路旁，它们既是水平位移基准点，也是垂直位移基准点 (见图2所示)。水溜沟布设了3个基准点：SLS1、SLS2、SLS3，同样是埋设在滑坡体两侧各100m以外的公路旁，也是水平基准点与垂直基准点重合(见图3所示)。桃园沟共布设了4个基准点：TYO1、TYO2、TYS1、TSY2。其中TYO1和TYO2埋设在滑坡体对岸的坡体基岩上，为水平位移基准点；TYS1和TYS2则埋设在滑坡体两侧的公路旁，为水平与垂直基准点(见图4所示)。4.2 变形监测点的布设 本课题是采用GPS现代精密定位技术监测滑坡体的水平微量位移，因此，所有变形监测点均布设成带有强制归心的GPS观测墩。在公路及其以下的滑坡部分，还需进行水准观测，以监测滑坡体的垂直位移，因此，在滑坡体此部分的GPS观测墩上还设立了垂直位移变形监测点。 GPS变形监测点站沿滑坡主滑线及其两侧剖面线布设，布点范围由滑坡后缘起到594m设计水位线为止。各个滑坡体布设的变形监测点的个数，取决于滑坡体的大小，分别为6到10个变形监测点。相邻监测点间的距离约为30m到60m，公路以及公路以下点距较小，公路以上点距较大。各滑坡监测点的概略状况见图1至图4。GPS监测网的基准点和监测点均埋设水泥观测墩作为长期观测标记，观测墩中心安装了强制对中螺丝，用以固定仪器和观测标志。水泥观测墩参照精密工程测量规范（GB/T 15314-94）附录B提供的图样设计（见图5）。兼作垂直位移监测与水平位移监测用的监测点，其观测墩顶部除设置强制对中螺丝外加设球状的水准点标记。位于公路旁的垂直位移监测基准点，同样必须埋设在稳定、坚固的基岩上，但可不制作水泥观测墩，而仅埋设水准标石。5. 滑坡监测坐标系5.1 滑坡独立坐标系 考虑到测区内要求监测的4个滑坡体的位移场具有相对独立性，同时为了便于对滑坡体位移变形进行分析，因此，将每个滑坡分别采用根据其主滑方向设计的滑坡独立坐标系，其中取X轴的正向与相应滑坡的主滑方向一致，Y轴与X轴构成右手系，坐标原点设置在滑坡体外并考虑使X和Y坐标尽量不出现负值。它们各自的位置基准（起始点坐标）和方向基准（X轴正向方位角）如下：滑坡监测网名称起算点名称起算点坐标X轴正向方位角xy水门沟监测网SM0150040062碾子沟监测网NZ0150030060水溜沟监测网SL01500200187桃园沟监测网TY01600200168 监测网的尺度基准采用由精密基线测量提供的尺度。5.2 滑坡54北京坐标系 为了便于综合利用4个滑坡的监测资料，使滑坡监测研究成果与库区其它研究成果兼容，采用GPS定位技术联测原P54坐标系的控制点，将GPS平面测量结果转换到P54椭球，并以108为中央子午线将测量成果投影成三度分带的高斯坐标，其投影面为630m的高程面。5.3 高程系统（1956年黄海高程系）将水准测量联测到测区内已有1956年黄海高程系的高程点上，并利用GPS定位技术中的大地高和水准测量高差，求出各点在1956年黄海高程系中的正高常。6.监测技术方法和监测实施6.1 监测技术方法 监测工作采用精密测距、GPS定位技术以及精密水准测量三种技术方法。 精密测距用以测定基准网的起算边，为监测网提供尺度基准。 GPS定位技术主要用来监测滑坡体的水平位移，同时测定其三维位移场。 精密水准测量用来测定公路及其以下坡体的垂直位移，尤其是库区蓄水后坡体的垂直沉降。6.2 一期监测作业的实施 2000年11月23日至11月29日对4个滑坡体实施了首次监测。 GPS测量采用4台Asthch双频接收机，采用边连式和网连式进行相对静态定位观测，多余观测量达50%以上，具有足够的可靠性。 GPS测量的主要技术指标为： 每时段同步观测时间：基准网180min 监测网120min 观测卫星截止高度角 15 有效观测卫星数 4 数据采样间隔 15 观测时段数目 2 PDOP值 5 水准测量采用Ni002精密水准仪和配套的铟瓦水准标尺进行，按工程测量规范变形测量三等垂直位移监测网的技术要求，沿所布设的水准路线往返观测。其主要精度指标为： 相邻基准点高差中误差 1.0mm 每站高差中误差 0.3mm 水准环线闭合差 0.6 (n-测段的测站数) 具体施测时按上述规范中二等水准测量的技术要求进行。 高精度基线测量为监测提供尺度基准，施测时采用Leica TC1800全站仪对基线边进行往返观测，往返测各测量4测回，每测回读数4次，其技术要求如下： 同一测回内各次读数较差 0.5 mm 各测回较差 0.7 mm 边长测量需进行气象改正，并根据仪器检验结果改正加常数和乘常数，最后改成平距投影到630高程面上。6.3 使用的仪器设备6.3.1 Ashtech Z-12双频GPS接收机4台，其标称精度为5mm+1ppm。6.3.2 Leica TC 1800全站仪1台，仪器的测角精度为1，测距精度为1mm+1ppm。6.3.3 Ni002高精度水准仪1台，铟瓦水准尺一对。6.3.4 586便携计算机1台。6.3.5 惠普586掌中宝微珍计算机1台。7.GPS测量的数据处理及精度分析7.1 GPS基线向量解算GPS数据处理，采用Ashtech公司提供的商品化软件GPPS下载数据和解算基线向量。由于基线长度均较短，所以基线向量解算均采用双差模型求其固定解，并对基线向量组成的独立环进行闭合差检验，各滑坡体GPS基线向量独立网闭合差的检验结果统计于表1、表2、表3及表4中。表1 水门沟基线向量独立环闭合差统计独立环总数最小闭合差（mm）最大闭合差（mm）平均闭合差（mm）平均允许闭合差（mm）闭合差分布区间03mm35mm5mm250.27.72.5510.5015个6个4个表2 碾子沟基线向量独立环闭合差统计独立环总数最小闭合差（mm）最大闭合差（mm）平均闭合差（mm）平均允许闭合差（mm）闭合差分布区间03mm35mm5mm100.22.91.6110.3310个0个0个表3 水溜沟基线向量独立环闭合差统计独立环总数最小闭合差（mm）最大闭合差（mm）平均闭合差（mm）平均允许闭合差（mm）闭合差分布区间03mm35mm5mm2505.92.3711.0115个7个3个表4 桃园沟基线向量独立环闭合差统计独立环总数最小闭合差（mm）最大闭合差（mm）平均闭合差（mm）平均允许闭合差（mm）闭合差分布区间03mm35mm5mm140.45.42.5310.347个6个1个 从以上统计结果可以看出，GPS基线向量独立环的最大闭合差为7.7mm，最大平均闭合差为2.55mm，均远小于平均允许闭合差的值。因此，本次GPS测量的基线向量精度高，可靠性强，完全符合规范及技术设计的要求，可以作为平面控制计算及滑坡监测的基本观测数据。7.2 GPS网的三维无约束平差为了进一步检查GPS网的测量精度，对该基线向量观测值组成的网进行三维无约束平差，以获得有关网的内部附合精度的信息。由平差可获得基线向量各个观测值改正数、点位坐标各分量的中误差等精度指标。以上各精度指标的分布统计如下列各表所示：表5 水门沟基线向量的精度指标的统计基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数分布区间及其分布的百分率01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率d（x）31个79%7个18%1个3%d（y）24个62%11个28%4个10%d（z）31个79%5个13%3个8%空间直角坐标各分量中误差分布区间及其分布的百分率空间直角坐标各分量01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率X11个92%1个8%0个0%Y11个92%1个8%0个0%Z11个92%1个8%0个0%表6 碾子沟基线向量的精度指标的统计基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数分布区间及其分布的百分率01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率d（x）17个94%1个6%0个0%d（y）17个94%1个6%0个0%d（z）16个89%2个11%0个0%空间直角坐标各分量中误差分布区间及其分布的百分率空间直角坐标各分量01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率X7个100%0个0%0个0%Y7个100%0个0%0个0%Z7个100%0个0%0个0%表7 水溜沟基线向量的精度指标的统计基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数分布区间及其分布的百分率01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率d（x）32个82%6个15%1个3%d（y）24个61%10个26%5个13%d（z）36个92%3个8%0个0%空间直角坐标各分量中误差分布区间及其分布的百分率空间直角坐标各分量01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率X9个75%3个25%0个0%Y9个75%3个25%0个0%Z9个75%3个25%0个0%表8 桃园沟基线向量的精度指标的统计基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数基线向量观测值改正数分布区间及其分布的百分率01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率d（x）20个80%5个20%0个0%d（y）15个60%10个40%0个0%d（z）19个76%6个24%0个0%空间直角坐标各分量中误差分布区间及其分布的百分率空间直角坐标各分量01.0（mm）百分率1.02.0（mm）百分率2.03.0（mm）百分率X3个27%8个73%0个0%Y3个27%8个73%0个0%Z3个27%8个73%0个0% 由以上统计资料可以看出，所有观测值改正数均小于3.0mm；空间直角坐标分量中误差均小于2.0mm，其中71%以上的均小于1mm。因此，本次GPS测量的基线向量网的内部附合精度很好，不存在系统误差和粗差，可以作为平面控制计算及滑坡监测的基本观测数据。7.3 GPS网的二维约束平差为了将WGS-84空间直角坐标系下的GPS基线观测值投影到高斯平面上，并转换到国家1954年北京坐标系中，采用同济大学的GPSNET软件包进行二维约束平差。在平差中，为了便于综合利用4个滑坡的监测资料，使滑坡监测研究成果与库区其它研究成果兼容，采用原P54坐标系的控制点D141为已知坐标，将GPS平面测量结果转换到P54椭球，并以108为中央子午线将测量成果投影成三度分带的高斯坐标，其投影面为630m的高程面。该坐标成果见附表2。 另外，为了便于对滑坡体位移变形进行分析，建立各滑坡独立坐标系，即：建立以每一滑坡的基准点为起算控制点，以基线边TYS1-TYS2、SM01-SM02为坐标系的尺度基准，取X轴的正向与相应滑坡的主滑方向一致的独立坐标系。同时，相应地将平差结果转换到滑坡独立坐标系。 各滑坡平面坐标成果见附表1。下列各表给出平差后各滑坡监测平面网的精度统计结果：表9 边长平差精度水门沟边长平差精度精度区间1/10万1/10万1/20万1/10万1/10万1/20万1/10万1/10万1/20万1/10万1/10万1/20万2.0（s）最弱方位角中误差（s）平均方位角中误差（s）方位角数62752.91.40百分率16%71%13%碾子沟方向平差精度精度区间01.0（s）1.02.0（s）2.0（s）最弱方位角中误差（s）平均方位角中误差（s）方位角数9801.70.98百分率53%47%0%水溜沟方向平差精度精度区间01.0（s）1.02.0（s）2.0（s）最弱方位角中误差（s）平均方位角中误差（s）方位角数198114.41.46百分率50%21%29%桃园沟方向平差精度精度区间01.0（s）1.02.0（s）2.0（s）最弱方位角中误差（s）平均方位角中误差（s）方位角数95104.41.87百分率37%21%42%表11 坐标平差精度水门沟坐标平差精度精度区间01.0（mm）1.02.0（mm）2.0（mm）最弱点坐标分量中误差（mm）平均坐标分量中误差（mm）d（x）分量数7个4个01.40.97百分率64%36%0%d（y）分量数6个5个01.41.01百分率55%45%0%碾子沟坐标平差精度精度区间01.0（mm）1.02.0（mm）2.0（mm）最弱点坐标分量中误差（mm）平均坐标分量中误差（mm）d（x）分量数6个000.30.25百分率100%0%0%d（y）分量数6个000.30.23百分率100%0%0%水溜沟坐标平差精度精度区间01.0（mm）1.02.0（mm）2.0（mm）最弱点坐标分量中误差（mm）平均坐标分量中误差（mm）d（x）分量数11个000.70.53百分率100%0%0%d（y）分量数11个000.80.44百分率100%0%0%桃园沟坐标平差精度精度区间01.0（mm）1.02.0（mm）2.0（mm）最弱点坐标分量中误差（mm）平均坐标分量中误差（mm）d（x）分量数7个3个01.50.75百分率70%30%0%d（y）分量数8个2个01.20.74百分率80%20%0% 由以上统计资料可以看出，最弱点坐标分量的中误差全部小于1.5mm；而最弱边边长相对中误差由于边长过短（只有20m左右），接收机的固定误差影响较大，不能作为衡量精度的最主要指标。因此，应该用最弱点中误差和最弱边相对中误差综合考虑，共同衡量GPS网的精度。通过综合考虑，各项精度指标完全满足规范和技术设计的要求，可以作为滑坡监测分析、预测和决策的数据依据。8.水准测量的数据处理及精度分析水准测量采用Ni002精密水准仪和配套的铟瓦水准标尺进行，按工程测量规范变形测量三等垂直位移监测网的技术要求，沿所布设的水准路线往返观测。具体施测时按上述规范中二等水准测量的技术要求进行。水准测量记簿采用了惠普586掌中宝微珍计算机，用设计好的二等水准测量记录的软件进行记录。该软件能自动进行测站检核，对观测条件按规范作了严格的限定。野外施测工作顺利，测量成果完全符合规范和技术设计的要求。水准网平差采用同济大学的平差软件包ANG_LEV进行，以测区内已有的1956年黄海高程系的高程点D141为高程起算点。并利用GPS定位技术中的大地高和水准测量高差，求出各点在1956年黄海高程系中的正高常。下列各表给出了水准网的平差结果及精度统计：表12 水门沟水准网的平差结果及精度统计点号高程中误差固定D141640.5930YSMS1641.49680.0004NSM09639.27600.0004NSM08638.94650.0005NSM07639.82560.0005NSMS2642.52840.0005NSM06620.86430.0005NSM05626.94150.0005NSM04622.91490.0005N序号点串闭合差(m)限差(m)长度(Km)1SMS1-SM09-SM08-SM07-SMS2-SM06-SM05-SM04-SMS10.000690.002041闭合差限差(mm)= 2L(Km) 表13 碾子沟水准网的平差结果及精度统计点号高程中误差固定NZS1650.4790YNZS6651.01350.0001NNZS5651.02880.0001NNZS2650.43150.0001NNZS3628.11380.0001NNZS4635.08990.0001N序号点串闭合差(m)限差(m)长度(Km)1NZS1-NZS6-NZS5-NZS2-NZS3-NZS4-NZS10.000230.00170.7闭合差限差(mm)= 2L(Km)表14 水溜沟水准网的平差结果及精度统计 点号高程中误差固定SLS1669.0069YSLS3649.41170.00004NSLS4657.14610.00005NSLS5643.59460.00005NSLS2665.67690.00005NSLS8665.63380.00004NSLS7667.28550.00004NSLS6667.61680.00003N序号点串闭合差(m)限差(m)长度(Km)1SLS1-SLS3-SLS4-SLS5-SLS2-SLS8-SLS7-SLS6-SLS10.00010.002351.4闭合差限差(mm)= 2L(Km)表15 桃园沟水准网的平差结果及精度统计点号高程中误差固定TYS1660.8445YTYS36