三維激光掃描儀在尾礦庫壩體監(jiān)測中的應用研究

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，壩頂長約1 500m，其選礦廠排出的尾礦漿堆積在尾礦庫中存儲。隨著尾礦的不斷堆積加高，壩體會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，后果不堪設想。因此應按時對尾礦庫進行定期變形監(jiān)測以確證尾礦庫安全運行。

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測是利用全站儀(或GPS)結合水準儀觀測監(jiān)測點的點位三維坐標變化來反映待測體的變形，為保證其精度一般在尾礦庫周圍較遠的區(qū)域設立控制點，再由這些控制點導入尾礦庫上各監(jiān)測點，這需大量測量人員背負沉重儀器設備涉入尾礦庫危險區(qū)域進行實地測量計算，耗時費力，而且不能完全反映壩體整體變形情況[1]。為更直觀反映和對比整個壩體的形態(tài)及變化，采用三維激光掃描儀進行尾礦庫壩體監(jiān)測。三維激光掃描可以高精度、快速地獲取測量區(qū)內(nèi)各個位置的三維信息，并能生成三維模型，通過對幾次觀測成果模型進行對比，能清晰直觀反映出壩體的位移、變化形態(tài)及位移大小，為壩體安全運行提供強有力的安全信息，同時提高測量工作效率，為尾礦庫的高效運行提供強有力的保障[2]。

FX三維激光掃描儀的主要技術指標為

測距精度(標準差)：<0.6mm@11m；<0.8mm@21m

單點定位精度：<0.4mm@11m；<0.8mm@21m

測角精度：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)測主要是壩體的水平位移觀測和壩體的沉降變形觀測，具體包括控制測量和壩體三維激光掃描。

2.1 控制測量

控制測量的目的是獲取影像配準所需的控制點三維坐標。根據(jù)壩體形狀及掃描儀掃描范圍，本次變形監(jiān)測共布設控制點18組，每組控制點包括4個，同時布設監(jiān)測點74個，連接觀測工作為E級GPS控制測量、導線控制測量、四等水準測量。

1)E級GPS控制測量

在進行導線控制測量控制點前，為了得到起始觀測數(shù)據(jù)，首先要進行靜態(tài)GPS觀測。本次衛(wèi)星定位技術(GPS)控制測量采用3臺上海華測雙頻GPS接收機進行測量，GPS網(wǎng)形圖如圖1所示。

圖1 GPS網(wǎng)形圖

2)導線控制測量

3)四等水準測量

本次控制點高程采用四等水準測量，共測量高程控制點72個，聯(lián)測2個已知水準點形成1條附合路線。四等水準的各項技術指標見表1。

表1 四等水準的各項技術指標

2.2 三維激光掃描

1)日常觀測工作

為判定尾礦庫壩體變形情況，本項目使用Trimble FX三維激光掃描儀進行多次數(shù)據(jù)采集。為全面了解礦尾礦庫變形情況，排除安全隱患，每個月對尾礦庫共計進行掃描觀測。每一期測量工作均掃描74個變形監(jiān)測點，通過這些監(jiān)測點來控制尾礦庫各個壩體斜面。為排除其他因素對變形監(jiān)測點的影響，每個監(jiān)測點每次觀測架設的靶標都是相同的，在進行初次監(jiān)測時即訂做了4個相同的標靶，每次監(jiān)測掃描時，同一個監(jiān)測點都要架設同一個掃描標靶掃描過程中每個監(jiān)測點每次觀測架設相同靶標。為滿足點云數(shù)據(jù)配準需求，每站掃描至少掃描3個控制點。

2)壩體變形分析

由于尾礦庫壩體體積比較龐大，如果把整個壩體掃描數(shù)據(jù)進行整體變形分析，會造成數(shù)據(jù)量過大，處理速度很慢，工作效率低等問題，因此對尾礦庫壩體整體變形分析時，將壩體分成三個部分，每個朝向為一部分，將每一部分的觀測數(shù)據(jù)進行匹配構成一個完整的整體，采用RealWorks Survey Advanced點云數(shù)據(jù)處理軟件提供的Cutting plane點云數(shù)據(jù)處理工具對兩期觀測的數(shù)據(jù)進行橫斷面截取，然后選取能顯示變形的特征線點云數(shù)據(jù)構成線進行對比。橫斷面線對比變形情況與監(jiān)測點大地坐標監(jiān)測變形一致，具體對比如圖2至圖5所示。

圖2 兩期數(shù)據(jù)點云對比

圖3 壩體北側局部橫斷面切割數(shù)據(jù)放大對比

圖4 壩體西側局部橫斷面切割數(shù)據(jù)放大對比

根據(jù)尾礦庫變形監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)和壩體點云數(shù)據(jù)橫斷面曲線對比圖可以分析得出，尾礦庫壩體北側西半部分和壩體西側變形相對較大，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為在監(jiān)測期間內(nèi)壩體西側和北側進行了施工加固，施工加固過程中大型車輛在監(jiān)測點附近施工，一定程度上影響了監(jiān)測點位的變化，根據(jù)定期監(jiān)測，可實時撐握尾礦庫動向，及時排除隱患。

圖5 壩體東側局部橫斷面切割數(shù)據(jù)放大對比

3 結論

三維激光掃描儀做為一項新技術，將其應用于尾礦庫監(jiān)測中，顛覆了傳統(tǒng)測量方法只測點變化，無法真實反映尾礦庫表面變化的情況，更有利于對尾礦庫變化的真實反映，可以更好地服務于生產(chǎn)中。