TCA2003在高邊坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

肖火云

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

邊坡監(jiān)測(cè)的意義在于提供邊坡位移和變形等變化規(guī)律，判斷邊坡的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)邊坡變形發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)采取加固措施，以確保邊坡安全。通常來說，在多種變形監(jiān)測(cè)的方法中，極坐標(biāo)法和前方交會(huì)用最多，現(xiàn)階段用全站儀和GPS直接測(cè)量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)方法用來滑坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用較多。

TCA2003全站儀是自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器,擁有了機(jī)動(dòng)馬達(dá)、CCD影像傳感器并配有Monitor軟件的智能型電子全站儀，能夠通過主動(dòng)尋找、辨別并精確照準(zhǔn)、觀測(cè)目標(biāo)，從而得到目標(biāo)的距離、角度與三維坐標(biāo)，并且能夠自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)精度能夠達(dá)到測(cè)距±(1mm+1PPm)、測(cè)角0.5″，最大可能地降低了人的參與度，減少人工誤差，因此又稱為高精度測(cè)量機(jī)器人。TCA2003全站儀因其高精度、自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)被普遍應(yīng)用于滑坡及大壩變形監(jiān)測(cè)、特大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)控、地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)控等精度要求較高的工程測(cè)量中。高邊坡具有較大的危險(xiǎn)性，需在施工和運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè)，在邊坡出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，需要及時(shí)預(yù)報(bào)。本文主要對(duì)南平某高邊坡采用TCA2003從施工階段到運(yùn)營(yíng)管理階段進(jìn)行連續(xù)一年的監(jiān)測(cè)，通過分析邊坡累計(jì)位移和累計(jì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果。

1 測(cè)量原理

1.1 極坐標(biāo)差分法基本原理

將監(jiān)測(cè)網(wǎng)的參考基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)立在觀測(cè)目標(biāo)變形的影響區(qū)域外穩(wěn)固的位置，變形點(diǎn)布設(shè)在需監(jiān)測(cè)的變形體上。根據(jù)極坐標(biāo)的原理，在每一個(gè)監(jiān)測(cè)周期觀測(cè)并得到參考基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的水平角、斜距以及天頂距，先將前者的測(cè)量值和其在設(shè)點(diǎn)時(shí)得到的值對(duì)比，得到由于儀器、大氣與溫度等偶然誤差值，然后將其和變形點(diǎn)的觀測(cè)值疊加，得變形點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。具體來說，極坐標(biāo)差分法變形網(wǎng)由參考基準(zhǔn)點(diǎn)、儀器架設(shè)點(diǎn)以及變形點(diǎn)3點(diǎn)組成，通過在儀器架設(shè)點(diǎn)架設(shè)全站儀，觀測(cè)參考基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的棱鏡，得到兩點(diǎn)各自的變形值，并且對(duì)兩點(diǎn)進(jìn)行周期性的監(jiān)測(cè)。通過每次得到的變形值，計(jì)算得出變形體的變形趨勢(shì)，從而對(duì)變形體的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并得出結(jié)論[1-2]。

1.2 中間法三角高程測(cè)量基本原理

中間法三角高程測(cè)量，顧名思義就是在兩目標(biāo)點(diǎn)A、B之間大致中間位置上架設(shè)全站儀，類似于水準(zhǔn)測(cè)量，通過觀測(cè)A、B兩點(diǎn)上架設(shè)的棱鏡，得到A點(diǎn)、B點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)的高差h1和h2，類似于傳統(tǒng)三角高程測(cè)量，由此計(jì)算得到A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的高差為：

hAB=h2-h1

圖1 中間法三角高程測(cè)量原理圖

在高邊坡監(jiān)測(cè)中，沉降監(jiān)測(cè)較危險(xiǎn)及繁瑣，為減少工作量，可以用中間法三角高差測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量，其觀測(cè)精度可以與水準(zhǔn)測(cè)量相當(dāng)[3]。通過計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，與以往的周期性高差比較，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化量。對(duì)其沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其沉降變化規(guī)律。

2 實(shí)例分析

某高邊坡為平整建設(shè)用地時(shí)形成的人工邊坡，高度10m～46m。場(chǎng)地切坡后的坡面主要出露素填土、坡積粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化粉砂巖、土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖。邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)采用框架-錨索支護(hù)，網(wǎng)格內(nèi)植草護(hù)面。邊坡抗震防烈度為6度，加速度0.05g，安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)r=1.1。邊坡支護(hù)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。

由于該邊坡較高，普通的位移測(cè)量方法和水準(zhǔn)測(cè)量較難進(jìn)行。該邊坡監(jiān)測(cè)采取極坐標(biāo)法進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，中間法三角高程測(cè)量進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)采用強(qiáng)制觀測(cè)墩埋設(shè)在屋面或基巖上，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用萊卡小棱鏡永久埋設(shè)在邊坡的坡頂上。變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖如圖2所示。A、B、C、D四點(diǎn)為穩(wěn)定區(qū)域，構(gòu)成工作基點(diǎn)網(wǎng)，101～118為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。A、B、C、D四點(diǎn)建立獨(dú)立的平面坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為工作區(qū)域的西南角，X軸方向平行于邊坡走向，Y軸方向垂直于邊坡走向。首先對(duì)工作基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)，求得A、B、C、D四點(diǎn)的平面坐標(biāo)。高程基準(zhǔn)以A點(diǎn)高程為基準(zhǔn)，求得B、C、D三點(diǎn)相對(duì)于A的高差。

圖2 點(diǎn)位分布圖

基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定在位移和沉降觀測(cè)中非常重要，在進(jìn)行測(cè)量之前，對(duì)4個(gè)工作基點(diǎn)進(jìn)行了3次高精度觀測(cè)，4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)相互驗(yàn)證。在觀測(cè)過程中，若發(fā)現(xiàn)工作基點(diǎn)發(fā)生形變，則根據(jù)精度要求進(jìn)行加測(cè)，選擇最穩(wěn)定的點(diǎn)作為位移和沉降觀測(cè)起算點(diǎn)。

然后，將全站儀分別架設(shè)在A、B、C三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，采取分組多測(cè)回的方法，測(cè)得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)以及與A點(diǎn)的高差值初始數(shù)據(jù)。

每次觀測(cè)采用多測(cè)回的方法，觀測(cè)2測(cè)回，保證測(cè)角中誤差在0.5″之內(nèi)。將每次的觀測(cè)得到的平面坐標(biāo)以及與A點(diǎn)的高差值求得平均數(shù)據(jù)后，與初始數(shù)據(jù)相比，得到各個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程的變化值。△y為各個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量，△h為各個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量。

為從整體上進(jìn)行合理分析該邊坡的變形情況，本文對(duì)所布設(shè)的18個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)的近一年觀測(cè)資料，進(jìn)行了累計(jì)位移及累計(jì)沉降分析，得到各變形觀測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移和累沉降量的范圍及曲線圖。邊坡監(jiān)測(cè)期間，邊坡變形觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移為-6.80mm～4.95mm，邊坡累計(jì)沉降為-5.35mm～11.00mm，變形觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移及累計(jì)沉降曲線圖如圖3～圖4所示。

圖3 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移成果圖

圖4 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降成果圖

此邊坡經(jīng)過一年的觀測(cè)，從邊坡的累計(jì)位移及沉降曲線圖可以看出，邊坡的總體變形較小，邊坡的位移及沉降速率逐漸變小，邊坡的變形趨于穩(wěn)定。由此可以得出，此邊坡現(xiàn)階段已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)通過分析累計(jì)沉降和累計(jì)位移曲線圖，可得出邊坡的變形已趨于穩(wěn)定。運(yùn)用TCA2003在邊坡施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以指導(dǎo)施工，確保施工的安全，邊坡施工完成后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握了邊坡在運(yùn)營(yíng)期間的變形情況。由此可以得出，TCA2003用于高邊坡的位移及沉降監(jiān)測(cè)是真實(shí)有效的。

(2)TCA2003的高精度性和自動(dòng)化的特點(diǎn)，使其在邊坡監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。所用的方法滿足監(jiān)測(cè)的精度要求，采用極坐標(biāo)法作水平位移監(jiān)測(cè)，中間法三角高程作沉降監(jiān)測(cè)，可使監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)布點(diǎn)靈活,且工作量大為減少, 該方法簡(jiǎn)便、省時(shí)、效率高，尤其在邊坡發(fā)生險(xiǎn)情需連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，具有迅速獲得監(jiān)測(cè)成果的優(yōu)勢(shì)。