基于測(cè)量機(jī)器人的黃土滑坡變形監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

張偉琪，王 利，曲軒宇

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3. 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054)

黃土高原是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)生在黃土地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害比例將近1/3，而黃土滑坡因其有頻發(fā)性、廣布性、復(fù)雜性、災(zāi)難性等特征[1-2]，嚴(yán)重?fù)p害當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全，影響生產(chǎn)、生活及社會(huì)穩(wěn)定，從而成為我國(guó)黃土地區(qū)一種典型的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。因此，對(duì)黃土滑坡的監(jiān)測(cè)以及預(yù)警預(yù)報(bào)具有十分重要的意義。

現(xiàn)今，測(cè)量機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于礦區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)、隧道變形監(jiān)測(cè)、基坑邊坡監(jiān)測(cè)、高鐵形變監(jiān)測(cè)[3-6]，目前基于測(cè)量機(jī)器人的邊坡監(jiān)測(cè)多采用固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測(cè)方式作業(yè)，這種方法固然可以節(jié)省人力物力，但其缺少多余觀測(cè)量，不易檢查發(fā)現(xiàn)粗差。針對(duì)黃土滑坡的特殊性，為了探討測(cè)量機(jī)器人應(yīng)用于黃土滑坡變形監(jiān)測(cè)的精度和可靠性，本文選取位于涇河南塬的廟店滑坡為研究對(duì)象，基于測(cè)量機(jī)器人，采用移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)方法[7]，來獲取滑坡體水平方向和垂直方向上的地表位移，這種方法不僅成本低，大大減輕測(cè)量人員的工作強(qiáng)度，而且所獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高、精度更好，非常適合這種小區(qū)域內(nèi)的黃土滑坡變形監(jiān)測(cè)工作。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析，了解和掌握黃土滑坡體表面的變形活動(dòng)狀況和變化規(guī)律，確定滑坡體的變形范圍及變形發(fā)展階段，掌握黃土滑坡體變形的發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)行黃土滑坡工程地質(zhì)勘察、整治工程設(shè)計(jì)和黃土滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供一些有參考價(jià)值的信息。

1 監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2007)規(guī)定變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)點(diǎn)宜分為基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)于通視條件較好的小型工程，可以不設(shè)置工作基點(diǎn)，直接在基準(zhǔn)點(diǎn)上測(cè)定變形觀測(cè)點(diǎn)，滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)通?？梢圆捎锚?dú)立的自定義坐標(biāo)系[8-9]。由于本研究區(qū)域面積大約在1 km2以內(nèi)，故變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)點(diǎn)分兩類布設(shè)，即只設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)。整個(gè)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)由12個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)組成，且每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)都埋設(shè)有強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，如圖1所示。其中基準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)，布設(shè)在滑坡體以外300 m的穩(wěn)定區(qū)域，用作滑坡形變監(jiān)測(cè)的參考基準(zhǔn)，編號(hào)JZ01、JZ02和JZ03，其中JZ03作為備用基準(zhǔn)點(diǎn)。9個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻布設(shè)在滑坡體上，用于全面掌握滑坡體的地表變形特征，依次編號(hào)：MD01～MD09。研究區(qū)域北側(cè)最初只布設(shè)了MD08和MD09兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)前期的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)分析及地質(zhì)踏勘結(jié)果，將該區(qū)域確定為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域后，于2017年2月又在該區(qū)域補(bǔ)埋了3個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別編號(hào)為MD10、MD11和MD12。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

本研究區(qū)域的滑坡體地表位移監(jiān)測(cè)采用的是瑞士Leica公司的第四代高精度全自動(dòng)全站儀TS30。該儀器的標(biāo)稱測(cè)角精度為0.5″，標(biāo)稱精密測(cè)距精度為0.6 mm+1 ppm×d，標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距精度為1 mm+1 ppm×d(d為實(shí)測(cè)距離，單位km)。移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)方式與傳統(tǒng)的全站儀觀測(cè)作業(yè)方法一樣，完成一個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)任務(wù)之后，需要人工將儀器搬到下一個(gè)測(cè)站點(diǎn)上，重復(fù)操作直至完成所有外業(yè)監(jiān)測(cè)任務(wù)。對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)站，先是在基準(zhǔn)點(diǎn)的強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩上安置整平儀器，然后設(shè)置測(cè)站，首次使用需要對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)量，之后儀器便會(huì)按照設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)號(hào)順序、測(cè)回?cái)?shù)等自動(dòng)搜索并且精確照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡，自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算各項(xiàng)限差，如果誤差超限則會(huì)自動(dòng)重測(cè)，直至完成全部測(cè)回作業(yè)。

基于測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)廟店滑坡，采用獨(dú)立的自定義坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在監(jiān)測(cè)區(qū)域以外。假定JZ02基準(zhǔn)點(diǎn)的起算坐標(biāo)為(500，500，300)，通過GNSS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)求解出JZ01-JZ02兩基準(zhǔn)點(diǎn)間的邊長(zhǎng)及大地方位角，使得該滑坡獨(dú)立坐標(biāo)系的北方向與WGS84大地坐標(biāo)系北方向一致，便于分析滑坡走向，同時(shí)利用高精度全站儀直接精確測(cè)定該邊長(zhǎng)，采用這兩種方法測(cè)量，互相驗(yàn)證，進(jìn)而確定出JZ01基準(zhǔn)點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。自2015-05開始首期觀測(cè)，定期對(duì)研究區(qū)域的基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，一直延續(xù)至今。2016年上半年之前，每?jī)芍芾脺y(cè)量機(jī)器人進(jìn)行1次外業(yè)監(jiān)測(cè)；自2016年下半年開始，根據(jù)該黃土滑坡體的變形情況及變形規(guī)律，改為每月外業(yè)監(jiān)測(cè)1次。

2 測(cè)量機(jī)器人定位精度分析

采用移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)方式，將測(cè)量機(jī)器人安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，在該自定義坐標(biāo)系下已知基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)為(XJZ，YJZ，ZJZ)。基于空間極坐標(biāo)測(cè)量原理即可求定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在該空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X,Y,Z)。計(jì)算原理：

X=XJZ+D·cosβ·cosα.

(1)

Y=YJZ+D·cosβ·sinα.

(2)

(3)

式中：D為斜距，β為高度角，α為目標(biāo)點(diǎn)的方位角，式(3)第三項(xiàng)為球氣差改正，當(dāng)距離很短時(shí)，可以忽略。由式(1)～(3)可知，影響目標(biāo)點(diǎn)定位精度的因素有：斜距D的誤差mD，因?yàn)闇y(cè)量機(jī)器人具有豎軸傾斜自動(dòng)補(bǔ)償器，所以水平角和垂直角的測(cè)量中誤差相等。忽略測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)誤差、測(cè)量?jī)x器高的誤差以及球氣差，按照誤差傳播定律，微分得監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分量中誤差分別為

(4)

(5)

(6)

(7)

其中，mP和mZ分別為目標(biāo)點(diǎn)位平面和垂直方向的中誤差，TS30測(cè)量機(jī)器人的測(cè)距固定誤差為0.6 mm，比例誤差為1×10-6，測(cè)角精度為0.5″。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示本研究區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度角均在5°～8°范圍內(nèi)，斜距D均在467～731 m范圍內(nèi)。忽略球氣差的影響，根據(jù)式(6)和式(7)得：當(dāng)斜距D=731 m，高度角分別取5°和8°時(shí)，平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差數(shù)值分別達(dá)到最大，最大值分別為±1.9 mm和±1.8 mm。由此可見，采用移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)作業(yè)方式，空間極坐標(biāo)法的理論定位精度很高，滿足監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)果分析

3.1 黃土滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求

《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2007)規(guī)定滑坡監(jiān)測(cè)的精度不應(yīng)超過表1的規(guī)定，本文所選區(qū)域滑坡體土質(zhì)主要為Q2黃土。顧及黃土滑坡的特殊性，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)作業(yè)所使用儀器設(shè)備的精度情況，參考《精密工程測(cè)量規(guī)范》中三級(jí)精密測(cè)角測(cè)距的精度要求[12]，見表1～表3。依據(jù)式(1)～式(7)，取水平位移監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中誤差限值為±5 mm，垂直位移監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中誤差限值為±5 mm，地表裂縫的觀測(cè)中誤差限值為±5 mm。

表1 滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求 mm

表2 精密角度測(cè)量的等級(jí)與基本精度規(guī)定 (″)

表3 精密距離測(cè)量的等級(jí)與基本精度規(guī)定 mm

3.2 測(cè)量機(jī)器人的實(shí)測(cè)精度

表4 水平方向點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mm

表5 垂直方向中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mm

3.3 滑坡體變形結(jié)果及分析

自2015-05首次觀測(cè)以來，截止到2017-08，對(duì)涇陽廟店滑坡利用Leica TS30測(cè)量機(jī)器人共進(jìn)行42次有效監(jiān)測(cè)，外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Leica三維變形監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)進(jìn)行處理。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平累計(jì)位移和垂直累計(jì)位移變化趨勢(shì)如圖2和圖3所示。

圖2 水平方向累計(jì)位移

圖3 垂直方向累計(jì)位移

從圖2和圖3可以看出，在所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，水平累計(jì)位移和垂直累計(jì)位移變化最為明顯的是MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)，截止2017-08，MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的最大水平位移為267 mm，最大沉降量為588 mm。其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水平方向和垂直方向的位移變化都不是特別明顯，其中最小水平位移為7 mm(MD01)，最大水平位移為31 mm(MD08)；最小沉降量為20 mm(MD12)，最大沉降量為52 mm(MD08)。從2015-05開始首期監(jiān)測(cè)以來，MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平累計(jì)位移曲線和垂直累計(jì)位移曲線均呈S形變化。第20期之前，位移速率逐漸變小，累計(jì)位移量緩慢增長(zhǎng)。從第21期開始，位移速率逐漸加快，第27期的水平位移速率和垂直位移速率均達(dá)到了最大值，最大水平和垂直位移速率分別為1.6 mm/d和3.3 mm/d，可見該滑坡體當(dāng)時(shí)正處在加速變形階段，與此同時(shí)，MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)后方出現(xiàn)兩條新的平行拉張裂縫，呈東西走向，平行于臨空面發(fā)育，在此期間內(nèi)，當(dāng)?shù)卮迕襁M(jìn)行冬灌和春灌。第31期之后，MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率減小，究其原因，這是由于農(nóng)忙時(shí)節(jié)到來，莊稼成熟，當(dāng)?shù)卮迕駮簳r(shí)停止灌溉引起的。從第36期開始(2016-12)，MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向和垂直方向的形變趨勢(shì)曲線更加平緩，主要原因是2016-12，監(jiān)測(cè)區(qū)域南側(cè)，原來的舊灌溉渠改道，新的灌溉渠修建完成，離監(jiān)測(cè)區(qū)域滑坡體后緣的舊渠最短距離也在100 m以上，并且當(dāng)?shù)赝Ｖ箤?duì)滑坡體后緣農(nóng)田的灌溉，可見灌溉對(duì)黃土滑坡的變形影響較大。新舊灌溉渠對(duì)比如圖4所示。

圖4 新舊灌溉渠對(duì)比

為進(jìn)一步探討測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)結(jié)果與滑坡體實(shí)際變形情況是否相一致，選取MDF13號(hào)裂縫位移計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。MDF13位移計(jì)布設(shè)于MD09監(jiān)測(cè)點(diǎn)后緣約6 m處的主控裂縫上，該地裂縫2015-12首次出現(xiàn)，位移計(jì)垂直于裂縫進(jìn)行布設(shè)，以監(jiān)測(cè)裂縫寬度的變化，從2016-03-06—2017-07-16，位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5藍(lán)色曲線所示，黑色和紅色點(diǎn)狀線分別表示測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)的水平位移和垂直位移值。

圖5 MDF13位移計(jì)與全站儀結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出，從2016-03-12，該裂縫寬度一直呈擴(kuò)張趨勢(shì)，從2016-12至今，裂縫位移呈平穩(wěn)變化狀態(tài)。全站儀所監(jiān)測(cè)的變形點(diǎn)與位移計(jì)的布設(shè)點(diǎn)位置相差6 m左右，且監(jiān)測(cè)原理不相同，導(dǎo)致變形結(jié)果無法直接比較；但是，兩者的監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線在量級(jí)和變形趨勢(shì)上均具有較好的一致性。上述分析表明，利用測(cè)量機(jī)器人對(duì)該研究區(qū)域黃土滑坡變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果精度較高，并且與實(shí)際形變趨勢(shì)一致，可為滑坡體的變形預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠的基礎(chǔ)信息。

4 結(jié) 論

基于黃土滑坡的特殊性，通過研究測(cè)量機(jī)器人應(yīng)用于黃土滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度和可靠性，結(jié)合具體滑坡實(shí)例，采用測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)黃土滑坡的實(shí)測(cè)平均平面點(diǎn)位中誤差為±4.0 mm，垂直方向的平均高程中誤差為±2.4 mm，滿足規(guī)范及監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)要求。測(cè)量機(jī)器人的監(jiān)測(cè)結(jié)果和位移計(jì)的結(jié)果在量級(jí)和變形趨勢(shì)上一致，并且注意到灌溉因素對(duì)該區(qū)域的黃土滑坡變形具有顯著性影響。針對(duì)黃土滑坡多期次破壞的特點(diǎn)，采用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)作業(yè)，省時(shí)省力、成本低、精度高。此種滑坡變形監(jiān)測(cè)方法可以在黃土滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警中推廣使用。