三維激光掃描儀在尾礦庫壩體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張豐澤，張鵬濤，宋彩紅

(山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261438)

1 前言

新城金礦尾礦庫位于萊州灣黑松林空曠地帶，距離海邊約1km，壩體為土石混合壩，壩頂長(zhǎng)約1 500m，其選礦廠排出的尾礦漿堆積在尾礦庫中存儲(chǔ)。隨著尾礦的不斷堆積加高，壩體會(huì)受到各種力的作用及自然環(huán)境影響而發(fā)生沉降、變形，一旦發(fā)生潰壩泄露事故，后果不堪設(shè)想。因此應(yīng)按時(shí)對(duì)尾礦庫進(jìn)行定期變形監(jiān)測(cè)以確證尾礦庫安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)是利用全站儀(或GPS)結(jié)合水準(zhǔn)儀觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位三維坐標(biāo)變化來反映待測(cè)體的變形，為保證其精度一般在尾礦庫周圍較遠(yuǎn)的區(qū)域設(shè)立控制點(diǎn)，再由這些控制點(diǎn)導(dǎo)入尾礦庫上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這需大量測(cè)量人員背負(fù)沉重儀器設(shè)備涉入尾礦庫危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測(cè)量計(jì)算，耗時(shí)費(fèi)力，而且不能完全反映壩體整體變形情況[1]。為更直觀反映和對(duì)比整個(gè)壩體的形態(tài)及變化，采用三維激光掃描儀進(jìn)行尾礦庫壩體監(jiān)測(cè)。三維激光掃描可以高精度、快速地獲取測(cè)量區(qū)內(nèi)各個(gè)位置的三維信息，并能生成三維模型，通過對(duì)幾次觀測(cè)成果模型進(jìn)行對(duì)比，能清晰直觀反映出壩體的位移、變化形態(tài)及位移大小，為壩體安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的安全信息，同時(shí)提高測(cè)量工作效率，為尾礦庫的高效運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障[2]。

FX三維激光掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)為

測(cè)距精度(標(biāo)準(zhǔn)差)：<0.6mm@11m；<0.8mm@21m

單點(diǎn)定位精度：<0.4mm@11m；<0.8mm@21m

測(cè)角精度：25″(1.6mm@11m；3mm@21m)

角度分辨率：8″

建模精度：<0.5mm@25m；<1mm@50m

光斑直徑：2.3mm@5m；16mm@50m

激光類型：紅色，脈沖690nm

視野范圍：360°×270°連續(xù)掃描

2 方案措施及示意圖

尾礦庫壩體變形監(jiān)測(cè)主要是壩體的水平位移觀測(cè)和壩體的沉降變形觀測(cè)，具體包括控制測(cè)量和壩體三維激光掃描。

2.1 控制測(cè)量

控制測(cè)量的目的是獲取影像配準(zhǔn)所需的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。根據(jù)壩體形狀及掃描儀掃描范圍，本次變形監(jiān)測(cè)共布設(shè)控制點(diǎn)18組，每組控制點(diǎn)包括4個(gè)，同時(shí)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)74個(gè)，連接觀測(cè)工作為E級(jí)GPS控制測(cè)量、導(dǎo)線控制測(cè)量、四等水準(zhǔn)測(cè)量。

1)E級(jí)GPS控制測(cè)量

在進(jìn)行導(dǎo)線控制測(cè)量控制點(diǎn)前，為了得到起始觀測(cè)數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行靜態(tài)GPS觀測(cè)。本次衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)控制測(cè)量采用3臺(tái)上海華測(cè)雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量，GPS網(wǎng)形圖如圖1所示。

圖1 GPS網(wǎng)形圖

2)導(dǎo)線控制測(cè)量

3)四等水準(zhǔn)測(cè)量

本次控制點(diǎn)高程采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，共測(cè)量高程控制點(diǎn)72個(gè)，聯(lián)測(cè)2個(gè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)形成1條附合路線。四等水準(zhǔn)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 四等水準(zhǔn)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

2.2 三維激光掃描

1)日常觀測(cè)工作

為判定尾礦庫壩體變形情況，本項(xiàng)目使用Trimble FX三維激光掃描儀進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集。為全面了解礦尾礦庫變形情況，排除安全隱患，每個(gè)月對(duì)尾礦庫共計(jì)進(jìn)行掃描觀測(cè)。每一期測(cè)量工作均掃描74個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)來控制尾礦庫各個(gè)壩體斜面。為排除其他因素對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每次觀測(cè)架設(shè)的靶標(biāo)都是相同的，在進(jìn)行初次監(jiān)測(cè)時(shí)即訂做了4個(gè)相同的標(biāo)靶，每次監(jiān)測(cè)掃描時(shí)，同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都要架設(shè)同一個(gè)掃描標(biāo)靶掃描過程中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每次觀測(cè)架設(shè)相同靶標(biāo)。為滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)需求，每站掃描至少掃描3個(gè)控制點(diǎn)。

2)壩體變形分析

由于尾礦庫壩體體積比較龐大，如果把整個(gè)壩體掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行整體變形分析，會(huì)造成數(shù)據(jù)量過大，處理速度很慢，工作效率低等問題，因此對(duì)尾礦庫壩體整體變形分析時(shí)，將壩體分成三個(gè)部分，每個(gè)朝向?yàn)橐徊糠郑瑢⒚恳徊糠值挠^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配構(gòu)成一個(gè)完整的整體，采用RealWorks Survey Advanced點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件提供的Cutting plane點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工具對(duì)兩期觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫斷面截取，然后選取能顯示變形的特征線點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成線進(jìn)行對(duì)比。橫斷面線對(duì)比變形情況與監(jiān)測(cè)點(diǎn)大地坐標(biāo)監(jiān)測(cè)變形一致，具體對(duì)比如圖2至圖5所示。

圖2 兩期數(shù)據(jù)點(diǎn)云對(duì)比

圖3 壩體北側(cè)局部橫斷面切割數(shù)據(jù)放大對(duì)比

圖4 壩體西側(cè)局部橫斷面切割數(shù)據(jù)放大對(duì)比

根據(jù)尾礦庫變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)和壩體點(diǎn)云數(shù)據(jù)橫斷面曲線對(duì)比圖可以分析得出，尾礦庫壩體北側(cè)西半部分和壩體西側(cè)變形相對(duì)較大，但是變形程度比較小，在安全范圍以內(nèi)。分析尾礦庫部分壩體變形的原因?yàn)樵诒O(jiān)測(cè)期間內(nèi)壩體西側(cè)和北側(cè)進(jìn)行了施工加固，施工加固過程中大型車輛在監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近施工，一定程度上影響了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變化，根據(jù)定期監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)撐握尾礦庫動(dòng)向，及時(shí)排除隱患。

圖5 壩體東側(cè)局部橫斷面切割數(shù)據(jù)放大對(duì)比

3 結(jié)論

三維激光掃描儀做為一項(xiàng)新技術(shù)，將其應(yīng)用于尾礦庫監(jiān)測(cè)中，顛覆了傳統(tǒng)測(cè)量方法只測(cè)點(diǎn)變化，無法真實(shí)反映尾礦庫表面變化的情況，更有利于對(duì)尾礦庫變化的真實(shí)反映，可以更好地服務(wù)于生產(chǎn)中。