免棱鏡全站儀在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究★

張偉航 劉金山 楊姍姍 李建剛

(1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北遷安 064400;2.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山 063000)

露天礦邊坡在其服務(wù)年限內(nèi)的穩(wěn)定性，一直是礦業(yè)生產(chǎn)部門及科技人員最為關(guān)心的課題。因?yàn)樗粌H關(guān)系到作業(yè)人員及設(shè)備的安全，同時也影響著生產(chǎn)的順利進(jìn)行。現(xiàn)在邊坡變形監(jiān)測方法多種多樣，每種方法所采用的儀器也不完全相同，其中全站儀是成熟可靠、使用比較簡單的一種儀器。普通全站儀以棱鏡為合作目標(biāo)，在進(jìn)行邊坡監(jiān)測時，需要將棱鏡安置在固定的監(jiān)測點(diǎn)上，從而對邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測，一般進(jìn)行一次監(jiān)測就需要立一次棱鏡，并且要求監(jiān)測點(diǎn)一般都是在平臺上，方便安置棱鏡。對于露天邊坡比較危險的區(qū)域，使用普通全站儀進(jìn)行監(jiān)測對測量人員的生命安全構(gòu)成威脅，而且選擇監(jiān)測點(diǎn)也十分的麻煩。如果利用免棱鏡全站儀則不需要有棱鏡來配合測量，是很好的發(fā)展方向，在邊坡上粘貼反射膜片或者直接選擇特征點(diǎn)利用激光進(jìn)行測量來監(jiān)測變形情況，一個優(yōu)勢就是我們直接將監(jiān)測點(diǎn)選在要監(jiān)測的邊坡區(qū)域上，另一個優(yōu)勢就是使測量人員遠(yuǎn)離危險區(qū)域，安全得到保障。通過實(shí)驗(yàn)來尋找使用免棱鏡全站儀進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測的可靠方法，方便礦山對邊坡監(jiān)測，對礦山安全生產(chǎn)具有重要意義［1］。

1 精度分析

各種類型的免棱鏡全站儀的測距原理及其基本功能相同，本次所使用儀器是SET250RX，SET250RX的EDM測距在免棱鏡的時候?yàn)?R級激光測量，該儀器測角部使用IACS(自主角度校準(zhǔn)系統(tǒng))，其測角的數(shù)值是穩(wěn)定和可靠的，其測角精度為2″。測距部使用共軸相位比較測量系統(tǒng)，在棱鏡作為合作目標(biāo)時，精測精度可達(dá)到±(2 mm+2 ppm×D)mm;在反射片作為合作目標(biāo)時，精測精度可達(dá)到±(3 mm+2 ppm×D)mm，在免棱鏡的情況下精測最高精度可達(dá)到±(3 mm+2 ppm×D)mm。經(jīng)過測試，儀器各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。針對露天邊坡的變形監(jiān)測，主要是在空間上進(jìn)行考慮，在這里主要從x，y，h三個方向上進(jìn)行監(jiān)測。首先要對儀器的三個方向的精度進(jìn)行判斷。在使用免棱鏡全站儀進(jìn)行三維坐標(biāo)測量時，其三維坐標(biāo)公式如下［3］:北方向:x=x0+S×sinZ×cosAZ;東方向:y=y0+S×sinZ×sinAZ;高程:h=h0+S×cosZ+hi-hf。其中，x0為測站點(diǎn)縱坐標(biāo);y0為測站點(diǎn)橫坐標(biāo);h0為測站點(diǎn)高程;S為斜距;Z為天頂距;AZ為坐標(biāo)方位角;hi為儀器高;hf為目標(biāo)高，如果在使用免棱鏡進(jìn)行測量時，hf的值一般為0。

表1 邊坡變形精度要求 mm

根據(jù)誤差傳播定律，我們得到:

其中，mx為所測點(diǎn)北方向縱坐標(biāo)中誤差;my為所測點(diǎn)東方向橫坐標(biāo)中誤差;mh為所測點(diǎn)高程中誤差;mp為所測點(diǎn)所測位置中誤差;ms為測距中誤差;mZ為測角中誤差。

可以看出，mh與天頂距與所測距離有關(guān)，其中天頂距與使用免棱鏡進(jìn)行測量時入射角度是相當(dāng)?shù)模?jīng)過對SET250RX性能測試，我們知道入射角在30°～90°為宜;測距標(biāo)稱為400 m，從天氣與精度考慮，我們?nèi)⌒∮?00 m距離。將不同入射角度和入射距離的mh(單位為mm)列入表2。

表2 高程中誤差變化表

通過表2可以看出，在不同角度和不同距離下，所測高程中誤差是不同的，當(dāng)天頂距為30°時，此時入射角也為30°，在200 m時中誤差達(dá)到了3.10，超出巖質(zhì)滑坡的要求，此時變形監(jiān)測距離極限為200 m;當(dāng)天頂距為45°時，此時入射角也為45°，在250 m時中誤差達(dá)到了3.01，超出巖質(zhì)滑坡的要求，此時變形監(jiān)測距離極限為250 m;當(dāng)天頂距為60°時，此時入射角也為60°，在300 m時中誤差達(dá)到了3.10，超出巖質(zhì)滑坡的要求，此時變形監(jiān)測距離極限為300 m;當(dāng)天頂距為90°時，此時入射角也為90°，在300 m時中誤差達(dá)到了2.91，仍未超出巖質(zhì)滑坡的要求。同時，在對SET250RX性能測試時發(fā)現(xiàn)，入射角角度越大，其測距精度越高，入射角在90°時，測距精度最高。所以，在進(jìn)行變形監(jiān)測時，盡量選擇入射角角度大于45°。

從以上分析中看出，其他測量值中誤差均和方位角有關(guān)系，這里取天頂距90°，所以

將不同入射距離產(chǎn)生的最大mx，my列入表3。

表3 點(diǎn)位中誤差變化表

通常在滑坡監(jiān)測中要求水平位移為2 mm～5 mm，高程測量中誤差小于3 mm。由此可見，免棱鏡全站儀的精度是符合邊坡變形監(jiān)測要求的。

2 外符合實(shí)驗(yàn)

某露天礦現(xiàn)在已經(jīng)基本轉(zhuǎn)入地下，根據(jù)實(shí)際情況，在其邊坡最頂端產(chǎn)生地表裂縫某處后2 m處選擇了一點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)，固定三腳架，使用棱鏡的基座分別固定棱鏡和紅顏色紙板。紅色紙板自制，10 cm×10 cm，并作十字分劃線，線中心到基座的距離與棱鏡中心到基座距離一致。分別在距離其50 m，100 m，150 m，200 m后設(shè)置測站點(diǎn)，利用自由設(shè)站法來進(jìn)行監(jiān)測。一般選基站點(diǎn)都應(yīng)選擇在穩(wěn)定的地點(diǎn)，為了驗(yàn)證免棱鏡全站儀的可靠性，所以使用自由設(shè)站法。即每次都對設(shè)置的基站點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測量。測量結(jié)果如表4～表7所示。

表4 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致50 m的H值監(jiān)測值

表5 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致100 m的H值監(jiān)測值

表6 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致150 m的H值監(jiān)測值

表7 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致200 m的H值監(jiān)測值

從表4～表7可以看出，在50 m，100 m處設(shè)站，變形規(guī)律符合性比較高，在有棱鏡的情況下，總沉降值為-13 mm，在50 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-12 mm，在100 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-13 mm;在150 m，200 m處設(shè)站，變形規(guī)律符合性一般，在150 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-16 mm，在100 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-17 mm。但總的變形趨勢相當(dāng)，都處于滑坡初始階段，并開始加速。距離越遠(yuǎn)，其中誤差越大，符合性越差，但是其變形規(guī)律符合性比較高，可以進(jìn)行巖性變形監(jiān)測。

3 結(jié)語

通過外符合實(shí)驗(yàn)可以看出，使用免棱鏡全站儀在100 m以內(nèi)的監(jiān)測結(jié)果與棱鏡相當(dāng)，變化規(guī)律一直比較穩(wěn)定，在200 m以內(nèi)趨勢一致，符合性一般。由此可見，可以利用其在一定范圍對邊坡進(jìn)行監(jiān)測。但是這里應(yīng)注意:1)如果監(jiān)測點(diǎn)選在豎直的邊幫上，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)時應(yīng)盡量找一個平整的巖石面，而且盡量使用做好的監(jiān)測點(diǎn)貼在上面。2)自制監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)有十字中心，以方便尋找監(jiān)測中心。

［1］ 張偉航，甘德清，陳 超，等.邊坡變形監(jiān)測研究與進(jìn)展［J］.礦山測量，2010(1):58-61.

［2］ 馮永長.無反射棱鏡全站儀實(shí)測精度檢測方法探討［J］.山西建筑，2012，38(14):239-240.

［3］ 李建軍，劉 晟，代大爐.全站儀無棱鏡模式在島礁地形測量中的應(yīng)用［J］.海洋測繪，2012，32(3):59-61.