廣東某露天礦區(qū)邊坡變形監(jiān)測技術(shù)研究

曾偉堅

摘 要：本文基于筆者多年從事工程測量的工作經(jīng)驗，以廣東某露天礦區(qū)高邊坡變形監(jiān)測為研究背景，探討了基于全站儀的高邊坡變形監(jiān)測方法，分析了具體的作業(yè)方法和數(shù)據(jù)處理方法，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：智能全站儀 邊坡監(jiān)測 隧道

中圖分類號：TD824 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0067-02

變形觀測的方法有很多種，一般情況下最為有效的方法是前方交會和極坐標法。近年來由于全站儀和GPS的出現(xiàn)，用全站儀直接測量變形點的三維坐標的方法和GPS直接進行滑坡監(jiān)測的方法應(yīng)用越來越多。本文主要研究使用全站儀直接測量變形點的三維坐標的方法。

1 工程概況

廣東某露天礦礦井口坐落于露天開采形成的礦坑底部，四周為露天礦礦幫邊坡和排土形成的邊坡。邊坡長時間裸露，受風吹、日曬、雨水沖刷等自然力的影響，坡體表層巖體結(jié)構(gòu)松散、強度降低，存在局部邊坡塌滑的可能，嚴重威脅邊坡底部的工業(yè)廣場、井口及井工開采的作業(yè)人員和大量生產(chǎn)設(shè)備的正常運行，因此在井口邊坡進行變形監(jiān)測意義重大。

2 測量儀器探討

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，測量儀器發(fā)生了翻天覆地的變化。測量機器人（Measurement robot）或稱測地機器人（Georobot）是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并且獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀，可以實現(xiàn)測量的全自動化、智能化。尤其在小尺度局部坐標測量當中，測量精度高、靈活機動、快速便捷、無接觸等方面，有著其他測量技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

2.1 硬件介紹

TCA2003集成了步進馬達、CCD影像傳感器，是一種能自動搜索、識別和精確照準目標并獲取角度、距離和三維坐標的智能型電子全站儀，屬目前自動化程度較高的測量儀器，標稱測角精度0.5"，測距精度±（1mm+1PPm），配備相應(yīng)軟件，可自動照準目標、觀測和記錄，故有測量機器人之稱。國內(nèi)已有多家單位購買使用。

2.2 機載控制軟件

機載控制軟件是TCA2003的活動神經(jīng)中樞，TCA2003的自動化在其控制之下得到實現(xiàn)。利用選配的GeoBASIC語言，可以根據(jù)自己的需要開發(fā)相應(yīng)的機載應(yīng)用程序。該隧道進口高邊坡安全監(jiān)測中測量機器人控制軟件系新興縣國土資源局測繪隊自主開發(fā)，其作業(yè)模式和限差控制遵循我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范。方向、天頂距和邊長根據(jù)觀測精度等級可設(shè)置不同測回數(shù)，觀測值超限后能做出判斷并重測，觀測過程中外界條件不理想時可人為中斷，排除干擾后繼續(xù)觀測。此軟件成熟嚴謹，可應(yīng)用于控制測量、變形監(jiān)測等用途。

2.3 極坐標差分法基本原理

在監(jiān)測部位以外相對穩(wěn)定的地方建立工作基點網(wǎng)（包括設(shè)站點和參考基準站），每一個測量周期均按照極坐標的原理分別采集參考基準站和變形點的斜距、水平角、天頂距，將參考基準站的測量值與其真實值（通過建立工作基點網(wǎng)得到）相比，有一差異，這一差異可認為是受到各種因素影響的結(jié)果，包括大氣、溫度及儀器等的影響。把參考基準站的差異加到變形點的觀測值上，通過計算得到變形點的實際坐標。極坐標監(jiān)測系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

一般的變形監(jiān)測點都由測站點（儀器的架設(shè)點）、參考點（為了得到變形體上點的變形量而選取的參考點）和目標點（用來觀測變形體變形而選定的有代表性的點）三部分組成。本系統(tǒng)主要就是在觀測站架設(shè)儀器，通過對參考點和目標點的觀測值來得出變形體的變形趨勢，采用一臺測量機器人和計算機以及通訊電纜建立基站，將棱鏡安置在需要觀測變形的變形點和為了得到變形點的變形量而選定的比較穩(wěn)定的基準點上，通過對基準點和變形點持續(xù)的周期性觀測結(jié)果進行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形測量，進行安全和穩(wěn)定性等分析，得到所需要的數(shù)據(jù)成果。

3 變形監(jiān)測實施步驟研究

3.1 工作基點網(wǎng)建立

首先，在較穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)水準基準點3個，1個埋在施工單位辦公室后面的山坡上，另外2個埋在進洞口左側(cè)的山洼里，離進洞口300m左右，基礎(chǔ)較為穩(wěn)定，用混凝土現(xiàn)澆。進洞口監(jiān)測點布設(shè)，按照業(yè)主、施工單位負責人要求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在上高邊坡布設(shè)16個監(jiān)測點，編號為A01～A16；在中間高邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)9個監(jiān)測點，編號為A17～A26；在下邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)6個監(jiān)測點，編號為A27～A31，共布設(shè)31個監(jiān)測點，監(jiān)測點埋設(shè)牢固穩(wěn)定。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法

首先對各監(jiān)測點進行逐點人工觀測，取得坐標X、Y、H，建立概略坐標數(shù)據(jù)庫。概略坐標X、Y、H越精確，以后各期自動觀測精確照準速度越快。在監(jiān)測點變形累積一定程度后，要及時修正概略坐標數(shù)據(jù)庫。極坐標差分法坐標精度與基準站至監(jiān)測點和參考站的距離有很大關(guān)系。在觀測中，盡量選擇離監(jiān)測部位近的基準網(wǎng)點作為基準站和參考站。將TCA2003置于基準站觀測墩上，精確整平，設(shè)置好觀測點集、順序和測回數(shù)；儀器根據(jù)內(nèi)置點位概略坐標數(shù)據(jù)庫的坐標，自動進行目標判斷、精確照準，并測量方位角、天頂距和斜距，將讀數(shù)存儲于內(nèi)置SRAM卡中。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

將存儲于SRAM卡中原始采集的監(jiān)測點斜距、天頂距、水平角轉(zhuǎn)存至計算機（數(shù)據(jù)處理工作站），根據(jù)觀測值按以下模型，調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件，即可得到監(jiān)測點的三維坐標、位移量，并進一步進行變形分析和預(yù)測。

3.3.1 差分改正

將工作基點與參考基準站間的平距經(jīng)投影反算后，改化為以工作基點和參考基準站上儀器高和棱鏡高為準的斜距。

式中：S 為斜距；D 為平距；ΔH 為高差；S'為斜距觀測值。

3.3.2 監(jiān)測點位移量

按極坐標計算公式，可準確求得每周期各監(jiān)測點的三維坐標：

式中：、、為工作基點的坐標值。

與初始值比較，即得位移量：

4 結(jié)語

沉降監(jiān)測：從最近5期的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，中邊坡的A10、A11，上邊坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2～3mm，其他點位沉降在1mm以內(nèi)，隧道邊坡受天氣及隧道施工影響較小，整體邊坡沉降目前較小。平面位移監(jiān)測：從最近5期的平面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，監(jiān)測點位移量都在3mm以內(nèi)，整體邊坡近期平面位移較小。根據(jù)沉降及平面位移數(shù)據(jù)分析，近期該隧道進口邊坡變形較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻

[1] 黃聲亨，尹暉，蔣征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢大學出版社，2001.

[2] 張良琚，徐忠陽，包歡，等.自動極坐標差分測量系統(tǒng)及其在大壩外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報，2001（9）：28-30.endprint