一種庫區(qū)邊坡沉降觀測(cè)方案及數(shù)據(jù)分析

曹占虎

（中山市坦洲鎮(zhèn)工程建設(shè)中心，廣東 中山528467）

一些大型建筑物如橋梁、水庫大壩及庫區(qū)邊坡等的施工及運(yùn)行期都需對(duì)其穩(wěn)固性進(jìn)行變形觀測(cè)，變形觀測(cè)方案的制訂及測(cè)量方法要根據(jù)建筑物的性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)情況及精度要求來確定。一般來講，垂直位移采用精密水準(zhǔn)測(cè)量，水平位移采用基準(zhǔn)線法、導(dǎo)線法等[1－2]，然而受環(huán)境限制，有些地方如陡峭的庫區(qū)邊坡，人員安置棱鏡或標(biāo)尺比較困難，也不安全，施工及運(yùn)行初期觀測(cè)密度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，野外工作量大，效率低，有需要采用新技術(shù)替代傳統(tǒng)方法[3－6]。本文介紹一種邊坡變形觀測(cè)方案，采用免棱鏡全站儀施測(cè)，人員無需于邊坡安置棱鏡或標(biāo)尺，從而便捷安全完成野外觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)證明，精度可滿足要求。

1 免棱鏡全站儀的測(cè)距精度

1.1 免棱鏡全站儀的測(cè)距精度

免棱鏡全站儀無需棱鏡也可測(cè)距，真正實(shí)現(xiàn)“所瞄即所測(cè)”，同常規(guī)全站儀相比，具有使用范圍大，測(cè)距快，外業(yè)工作量小，安全性高等特點(diǎn)，特別適合野外不宜或不方便設(shè)置棱鏡的場(chǎng)合。但測(cè)量標(biāo)志顏色及測(cè)距精度是兩個(gè)需要考慮的問題，據(jù)測(cè)定，在外部天氣情況良好的情況下，采用紅色及白色標(biāo)志，測(cè)距精度分別可達(dá)±1.2mm及±0.93mm[7－8]，最大測(cè)程可達(dá)500m，按式（1）計(jì)算中誤差[5－6]:

式中:I為各次測(cè)量均值，Li為單次測(cè)距值，n為測(cè)距次數(shù)，實(shí)驗(yàn)中n取10，以上精度可滿足普通變形觀測(cè)的要求。

1.2 免棱鏡測(cè)距與棱鏡測(cè)距的精度對(duì)比

采用SOKKIA 1130R3免棱鏡測(cè)距儀，其標(biāo)稱精度:測(cè)角±1″，測(cè)距單棱鏡測(cè)程5km，測(cè)距精度±（2mm＋2×10－6D），免棱鏡測(cè)程0.3m～350m，測(cè)距精度±（3mm＋2×10－6D）。TOPCON GTS－311傳統(tǒng)測(cè)距儀，其標(biāo)稱精度:測(cè)角±2″，測(cè)距單棱鏡測(cè)程5km，測(cè)距精度±（2mm＋2×10－6D），兩個(gè)儀器單棱鏡測(cè)距精度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)中免棱鏡測(cè)距用白色標(biāo)志，同一距離測(cè)距10次，免棱鏡測(cè)距精度可達(dá)±0.93mm，GTS－311傳統(tǒng)測(cè)距儀測(cè)距精度為±0.66 mm，兩種儀器測(cè)距較差最大值為1.2mm，測(cè)距長(zhǎng)度60m，從以上數(shù)據(jù)可看出在測(cè)程較短時(shí)同等級(jí)傳統(tǒng)測(cè)距儀測(cè)距精度高于免棱鏡測(cè)距，但精度相差不大。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某庫區(qū)邊坡需進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，該邊坡已噴砂漿，呈灰黑色，且比較陡峭，人員難以進(jìn)入，坡長(zhǎng)115m，坡高20m～40m，測(cè)區(qū)圖見圖1。

圖1 邊坡監(jiān)測(cè)圖

2.2 監(jiān)測(cè)方案及精度評(píng)定

邊坡監(jiān)測(cè)由三部分組成，即坡體水平位移和沉降、坡腳水平位移及沉降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況坡體水平位移和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)15個(gè)，坡腳水平位移和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)。在現(xiàn)場(chǎng)30m外，選擇易保護(hù)穩(wěn)固方便觀測(cè)的地方設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，水準(zhǔn)點(diǎn)和平面點(diǎn)各3個(gè)。測(cè)區(qū)面積小于1km2，根據(jù)測(cè)量規(guī)范[9]，平面控制網(wǎng)采用全站儀按二級(jí)導(dǎo)線法施測(cè)，高程控制采用精密水準(zhǔn)儀按三等水準(zhǔn)精度測(cè)設(shè)一條閉合水準(zhǔn)線路[10]，平面及水準(zhǔn)控制網(wǎng)平差[11]后作為基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)（表1）。高程控制網(wǎng)的等級(jí)為三等，水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求、觀測(cè)級(jí)差見表2、表3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境均勻布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋整個(gè)邊坡，監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)志采用白色金屬標(biāo)記且錨固在山坡中。邊坡毛面每周觀測(cè)兩次，結(jié)構(gòu)梁每周觀測(cè)一次。控制網(wǎng)采用TC2003招普康全站儀（精度1.0″，1mm 1ppm）及徠卡精密水準(zhǔn)儀SPLIWTER0.5施測(cè)（精度 0.5mm/km），圖1中K1、K2、K3即為監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，平面控制網(wǎng)采用符合導(dǎo)線，有2個(gè)起算點(diǎn)GD133及GD134，2個(gè)起算點(diǎn)均位于測(cè)區(qū)外，圖1中無顯示，高程控制網(wǎng)采用閉合導(dǎo)線，起算點(diǎn)SⅣ3見圖1中△?？刂凭W(wǎng)觀測(cè)完成后，從附近上一級(jí)控制點(diǎn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4～表7，從中可以看出，控制網(wǎng)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，成果可靠，可作為監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

表1 邊坡監(jiān)測(cè)平面控制網(wǎng)主要技術(shù)要求

水準(zhǔn)線路應(yīng)按附合路線和環(huán)形閉合差計(jì)算，每km水準(zhǔn)測(cè)量高差全中誤差，按以下式計(jì)算[11－12]:

式中:MW為高差全中誤差（mm）；W為閉合差（mm）；L為相應(yīng)線路長(zhǎng)度；N為附合或閉合路線環(huán)的個(gè)數(shù)。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件，為了安全及減少野外工作量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移采用極坐標(biāo)法用幾何水準(zhǔn)測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程。儀器采用免棱鏡全站儀，儀器標(biāo)稱精度為:測(cè)程0.3m～350m，精度±（3mm＋2×10－6D）。

表2 水準(zhǔn)測(cè)量的主要技術(shù)要求

表3 水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)站觀測(cè)限差

表4 檢測(cè)結(jié)果邊長(zhǎng)比較

表5 觀測(cè)結(jié)果角度比較

表6 觀測(cè)結(jié)果坐標(biāo)比較

表7 高程控制網(wǎng)精度評(píng)定

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 邊坡變形精度分析

邊坡變形測(cè)定數(shù)據(jù)的精度即各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算式為:

式中，α為水平方位角，β為鉛垂面垂直角，S為斜距。于是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位總誤差為:

因測(cè)角精度較高，距離又很近，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度主要依賴于免棱鏡測(cè)距儀的測(cè)距精度，根據(jù)本文2中的實(shí)驗(yàn)，在視距不超過測(cè)程時(shí)，測(cè)距精度為±0.93mm，達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際取:S＝40m，β＝40°，ms＝2.0mm，免棱鏡測(cè)距儀測(cè)角精度±1.0″，則半測(cè)回測(cè)角中誤差mα＝mβ＝±2.0″，根據(jù)式（4）可計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度:M＝±2.0mm，以上估算表明:免棱鏡測(cè)距儀所測(cè)的點(diǎn)位精度可滿足邊坡變形觀測(cè)的精度要求。

2.3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

邊坡加固處于施工期，邊坡監(jiān)測(cè)尚未開始，施工期中對(duì)邊坡周圍建筑物進(jìn)行了沉降觀測(cè)，采用國(guó)家Ⅱ級(jí)變形觀測(cè)的有關(guān)技術(shù)及精度要求施測(cè)，從監(jiān)測(cè)報(bào)警值（見表8）及觀測(cè)數(shù)據(jù)（見表9）分析[13－14]:

（1）沉降速率:本階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率在－0.02mm/d～0.04mm/d，最大值為0.04mm/d，沉降速率很小。

（2）累積沉降量:從觀測(cè)數(shù)據(jù)可看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中累積沉降量有1點(diǎn)為負(fù)值，5個(gè)點(diǎn)為正值，其余為0，最大值為0.2mm，遠(yuǎn)小于報(bào)警值，負(fù)值表示上升，正值表示下降，上升的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)為觀測(cè)誤差引起。

（3）結(jié)論:綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)，邊坡周圍建筑物屬正常沉降。

表8 邊坡監(jiān)測(cè)報(bào)警值

由表9可看出，沉降量最大值為0.2mm（CJ5），累計(jì)沉降量最大為值0.2mm（CJ5），速率最大值為0.04mm/d（CJ5）。

表9 邊建筑物沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

現(xiàn)在各行各業(yè)對(duì)安全問題越來越重視，很多大型建筑物如水庫大壩及庫區(qū)邊坡需要變形觀測(cè)來判斷施工和運(yùn)行期目標(biāo)物的穩(wěn)固性并對(duì)沉降趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)[14－15]，在施工期及運(yùn)行初期監(jiān)測(cè)密度往往較大，野外工作量也較大，而受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，陡峭邊坡人員進(jìn)入困難，也不方便放置棱鏡，而免棱鏡全站儀真正實(shí)現(xiàn)了“所瞄即所測(cè)”，本文提出一種變形觀測(cè)的新方案，在這些難以放置棱鏡的場(chǎng)合使用免棱鏡全站儀施測(cè)，實(shí)驗(yàn)證明相對(duì)傳統(tǒng)方法，此方案能夠便捷安全完成野外觀測(cè)任務(wù)，大大減少了野外工作量，提高了工作效率，同時(shí)精度也可滿足要求。

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