边坡变形监测技术现状及新进展
曾伟坚
摘 要：本文基于笔者多年从事工程测量的工作经验，以广东某露天矿区高边坡变形监测为研究背景，探讨了基于全站仪的高边坡变形监测方法，分析了具体的作业方法和数据处理方法，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：智能全站仪 边坡监测 隧道
中图分类号：TD824 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0067-02
变形观测的方法有很多种，一般情况下最为有效的方法是前方交会和极坐标法。近年来由于全站仪和GPS的出现，用全站仪直接测量变形点的三维坐标的方法和GPS直接进行滑坡监测的方法应用越来越多。本文主要研究使用全站仪直接测量变形点的三维坐标的方法。
1 工程概况
广东某露天矿矿井口坐落于露天开采形成的矿坑底部，四周为露天矿矿帮边坡和排土形成的边坡。边坡长时间裸露，受风吹、日晒、雨水冲刷等自然力的影响，坡体表层岩体结构松散、强度降低，存在局部边坡塌滑的可能，严重威胁边坡底部的工业广场、井口及井工开采的作业人员和大量生产设备的正常运行，因此在井口边坡进行变形监测意义重大。
2 测量仪器探讨
随着科学技术的发展，测量仪器发生了翻天覆地的变化。测量机器人（Measurement robot）或称测地机器人（Georobot）是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并且获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪，可以实现测量的全自动化、智能化。尤其在小尺度局部坐标测量当中，测量精度高、灵活机动、快速便捷、无接触等方面，有着其他测量技术不可比拟的优势。
2.1 硬件介绍
TCA2003集成了步进马达、CCD影像传感器，是一种能自动搜索、识别和精确照准目标并获取角度、距离和三维坐标的智能型电子全站仪，属目前自动化程度较高的测量仪器，标称测角精度0.5"，测距精度±（1mm+1PPm），配备相应软件，可自动照准目标、观测和记录，故有测量机器人之称。国内已有多家单位购买使用。
2.2 机载控制软件
机载控制软件是TCA2003的活动神经中枢，TCA2003的自动化在其控制之下得到实现。利用选配的GeoBASIC语言，可以根据自己的需要开发相应的机载应用程序。该隧道进口高边坡安全监测中测量机器人控制软件系新兴县国土资源局测绘队自主开发，其作业模式和限差控制遵循我国现行有关规范。方向、天顶距和边长根据观测精度等级可设置不同测回数，观测值超限后能做出判断并重测，观测过程中外界条件不理想时可人为中断，排除干扰后继续观测。此软件成熟严谨，可应用于控制测量、变形监测等用途。
2.3 极坐标差分法基本原理
在监测部位以外相对稳定的地方建立工作基点网（包括设站点和参考基准站），每一个测量周期均按照极坐标的原理分别采集参考基准站和变形点的斜距、水平角、天顶距，将参考基准站的测量值与其真实值（通过建立工作基点网得到）相比，有一差异，这一差异可认为是受到各种因素影响的结果，包括大气、温度及仪器等的影响。把参考基准站的差异加到变形点的观测值上，通过计算得到变形点的实际坐标。极坐标监测系统方框图如图1所示。
一般的变形监测点都由测站点（仪器的架设点）、参考点（为了得到变形体上点的变形量而选取的参考点）和目标点（用来观测变形体变形而选定的有代表性的点）三部分组成。本系统主要就是在观测站架设仪器，通过对参考点和目标点的观测值来得出变形体的变形趋势，采用一台测量机器人和计算机以及通讯电缆建立基站，将棱镜安置在需要观测变形的变形点和为了得到变形点的变形量而选定的比较稳定的基准点上，通过对基准点和变形点持续的周期性观测结果进行比较、实时改正，从而得出变形点的三维变形测量，进行安全和稳定性等分析，得到所需要的数据成果。
3 变形监测实施步骤研究
3.1 工作基点网建立
首先，在较稳定的区域埋设水准基准点3个，1个埋在施工单位办公室后面的山坡上，另外2个埋在进洞口左侧的山洼里，离进洞口300m左右，基础较为稳定，用混凝土现浇。进洞口监测点布设，按照业主、施工单位负责人要求，根据现场实际情况，在上高边坡布设16个监测点，编号为A01～A16；在中间高边坡挡墙布设9个监测点，编号为A17～A26；在下边坡挡墙布设6个监测点，编号为A27～A31，共布设31个监测点，监测点埋设牢固稳定。
3.2 外业数据采集方法
首先对各监测点进行逐点人工观测，取得坐标X、Y、H，建立概略坐标数据库。概略坐标X、Y、H越精确，以后各期自动观测精确照准速度越快。在监测点变形累积一定程度后，要及时修正概略坐标数据库。极坐标差分法坐标精度与基准站至监测点和参考站的距离有很大关系。在观测中，尽量选择离监测部位近的基准网点作为基准站和参考站。将TCA2003置于基准站观测墩上，精确整平，设置好观测点集、顺序和测回数；仪器根据内置点位概略坐标数据库的坐标，自动进行目标判断、精确照准，并测量方位角、天顶距和斜距，将读数存储于内置SRAM卡中。
3.3 数据处理及成果分析
将存储于SRAM卡中原始采集的监测点斜距、天顶距、水平角转存至计算机（数据处理工作站），根据观测值按以下模型，调用相应数据处理软件，即可得到监测点的三维坐标、位移量，并进一步进行变形分析和预测。
3.3.1 差分改正
将工作基点与参考基准站间的平距经投影反算后，改化为以工作基点和参考基准站上仪器高和棱镜高为准的斜距。
式中：S 为斜距；D 为平距；ΔH 为高差；S'为斜距观测值。
3.3.2 监测点位移量
按极坐标计算公式，可准确求得每周期各监测点的三维坐标：
式中：、、为工作基点的坐标值。
与初始值比较，即得位移量：
4 结语
沉降监测：从最近5期的沉降监测数据来看，中边坡的A10、A11，上边坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2～3mm，其他點位沉降在1mm以内，隧道边坡受天气及隧道施工影响较小，整体边坡沉降目前较小。平面位移监测：从最近5期的平面位移监测数据来看，监测点位移量都在3mm以内，整体边坡近期平面位移较小。根据沉降及平面位移数据分析，近期该隧道进口边坡变形较小，趋于稳定状态。
参考文献
[1] 黄声亨，尹晖，蒋征.变形监测数据处理[M].武汉大学出版社，2001.
[2] 张良琚，徐忠阳，包欢，等.自动极坐标差分测量系统及其在大坝外部变形监测中的应用[J].测绘通报，2001（9）：28-30.endprint
