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      免棱鏡全站儀在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究★

      2013-08-21 07:12:20張偉航劉金山楊姍姍李建剛
      山西建筑 2013年25期
      關(guān)鍵詞:棱鏡入射角全站儀

      張偉航 劉金山 楊姍姍 李建剛

      (1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院,河北遷安 064400;2.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì),河北唐山 063000)

      露天礦邊坡在其服務(wù)年限內(nèi)的穩(wěn)定性,一直是礦業(yè)生產(chǎn)部門及科技人員最為關(guān)心的課題。因?yàn)樗粌H關(guān)系到作業(yè)人員及設(shè)備的安全,同時也影響著生產(chǎn)的順利進(jìn)行。現(xiàn)在邊坡變形監(jiān)測方法多種多樣,每種方法所采用的儀器也不完全相同,其中全站儀是成熟可靠、使用比較簡單的一種儀器。普通全站儀以棱鏡為合作目標(biāo),在進(jìn)行邊坡監(jiān)測時,需要將棱鏡安置在固定的監(jiān)測點(diǎn)上,從而對邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測,一般進(jìn)行一次監(jiān)測就需要立一次棱鏡,并且要求監(jiān)測點(diǎn)一般都是在平臺上,方便安置棱鏡。對于露天邊坡比較危險的區(qū)域,使用普通全站儀進(jìn)行監(jiān)測對測量人員的生命安全構(gòu)成威脅,而且選擇監(jiān)測點(diǎn)也十分的麻煩。如果利用免棱鏡全站儀則不需要有棱鏡來配合測量,是很好的發(fā)展方向,在邊坡上粘貼反射膜片或者直接選擇特征點(diǎn)利用激光進(jìn)行測量來監(jiān)測變形情況,一個優(yōu)勢就是我們直接將監(jiān)測點(diǎn)選在要監(jiān)測的邊坡區(qū)域上,另一個優(yōu)勢就是使測量人員遠(yuǎn)離危險區(qū)域,安全得到保障。通過實(shí)驗(yàn)來尋找使用免棱鏡全站儀進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測的可靠方法,方便礦山對邊坡監(jiān)測,對礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[1]。

      1 精度分析

      各種類型的免棱鏡全站儀的測距原理及其基本功能相同,本次所使用儀器是SET250RX,SET250RX的EDM測距在免棱鏡的時候?yàn)?R級激光測量,該儀器測角部使用IACS(自主角度校準(zhǔn)系統(tǒng)),其測角的數(shù)值是穩(wěn)定和可靠的,其測角精度為2″。測距部使用共軸相位比較測量系統(tǒng),在棱鏡作為合作目標(biāo)時,精測精度可達(dá)到±(2 mm+2 ppm×D)mm;在反射片作為合作目標(biāo)時,精測精度可達(dá)到±(3 mm+2 ppm×D)mm,在免棱鏡的情況下精測最高精度可達(dá)到±(3 mm+2 ppm×D)mm。經(jīng)過測試,儀器各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。針對露天邊坡的變形監(jiān)測,主要是在空間上進(jìn)行考慮,在這里主要從x,y,h三個方向上進(jìn)行監(jiān)測。首先要對儀器的三個方向的精度進(jìn)行判斷。在使用免棱鏡全站儀進(jìn)行三維坐標(biāo)測量時,其三維坐標(biāo)公式如下[3]:北方向:x=x0+S×sinZ×cosAZ;東方向:y=y0+S×sinZ×sinAZ;高程:h=h0+S×cosZ+hi-hf。其中,x0為測站點(diǎn)縱坐標(biāo);y0為測站點(diǎn)橫坐標(biāo);h0為測站點(diǎn)高程;S為斜距;Z為天頂距;AZ為坐標(biāo)方位角;hi為儀器高;hf為目標(biāo)高,如果在使用免棱鏡進(jìn)行測量時,hf的值一般為0。

      表1 邊坡變形精度要求 mm

      根據(jù)誤差傳播定律,我們得到:

      其中,mx為所測點(diǎn)北方向縱坐標(biāo)中誤差;my為所測點(diǎn)東方向橫坐標(biāo)中誤差;mh為所測點(diǎn)高程中誤差;mp為所測點(diǎn)所測位置中誤差;ms為測距中誤差;mZ為測角中誤差。

      可以看出,mh與天頂距與所測距離有關(guān),其中天頂距與使用免棱鏡進(jìn)行測量時入射角度是相當(dāng)?shù)模?jīng)過對SET250RX性能測試,我們知道入射角在30°~90°為宜;測距標(biāo)稱為400 m,從天氣與精度考慮,我們?nèi)⌒∮?00 m距離。將不同入射角度和入射距離的mh(單位為mm)列入表2。

      表2 高程中誤差變化表

      通過表2可以看出,在不同角度和不同距離下,所測高程中誤差是不同的,當(dāng)天頂距為30°時,此時入射角也為30°,在200 m時中誤差達(dá)到了3.10,超出巖質(zhì)滑坡的要求,此時變形監(jiān)測距離極限為200 m;當(dāng)天頂距為45°時,此時入射角也為45°,在250 m時中誤差達(dá)到了3.01,超出巖質(zhì)滑坡的要求,此時變形監(jiān)測距離極限為250 m;當(dāng)天頂距為60°時,此時入射角也為60°,在300 m時中誤差達(dá)到了3.10,超出巖質(zhì)滑坡的要求,此時變形監(jiān)測距離極限為300 m;當(dāng)天頂距為90°時,此時入射角也為90°,在300 m時中誤差達(dá)到了2.91,仍未超出巖質(zhì)滑坡的要求。同時,在對SET250RX性能測試時發(fā)現(xiàn),入射角角度越大,其測距精度越高,入射角在90°時,測距精度最高。所以,在進(jìn)行變形監(jiān)測時,盡量選擇入射角角度大于45°。

      從以上分析中看出,其他測量值中誤差均和方位角有關(guān)系,這里取天頂距90°,所以

      將不同入射距離產(chǎn)生的最大mx,my列入表3。

      表3 點(diǎn)位中誤差變化表

      通常在滑坡監(jiān)測中要求水平位移為2 mm~5 mm,高程測量中誤差小于3 mm。由此可見,免棱鏡全站儀的精度是符合邊坡變形監(jiān)測要求的。

      2 外符合實(shí)驗(yàn)

      某露天礦現(xiàn)在已經(jīng)基本轉(zhuǎn)入地下,根據(jù)實(shí)際情況,在其邊坡最頂端產(chǎn)生地表裂縫某處后2 m處選擇了一點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn),固定三腳架,使用棱鏡的基座分別固定棱鏡和紅顏色紙板。紅色紙板自制,10 cm×10 cm,并作十字分劃線,線中心到基座的距離與棱鏡中心到基座距離一致。分別在距離其50 m,100 m,150 m,200 m后設(shè)置測站點(diǎn),利用自由設(shè)站法來進(jìn)行監(jiān)測。一般選基站點(diǎn)都應(yīng)選擇在穩(wěn)定的地點(diǎn),為了驗(yàn)證免棱鏡全站儀的可靠性,所以使用自由設(shè)站法。即每次都對設(shè)置的基站點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測量。測量結(jié)果如表4~表7所示。

      表4 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致50 m的H值監(jiān)測值

      表5 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致100 m的H值監(jiān)測值

      表6 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致150 m的H值監(jiān)測值

      表7 站點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)相距大致200 m的H值監(jiān)測值

      從表4~表7可以看出,在50 m,100 m處設(shè)站,變形規(guī)律符合性比較高,在有棱鏡的情況下,總沉降值為-13 mm,在50 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-12 mm,在100 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-13 mm;在150 m,200 m處設(shè)站,變形規(guī)律符合性一般,在150 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-16 mm,在100 m處免棱鏡監(jiān)測沉降值為-17 mm。但總的變形趨勢相當(dāng),都處于滑坡初始階段,并開始加速。距離越遠(yuǎn),其中誤差越大,符合性越差,但是其變形規(guī)律符合性比較高,可以進(jìn)行巖性變形監(jiān)測。

      3 結(jié)語

      通過外符合實(shí)驗(yàn)可以看出,使用免棱鏡全站儀在100 m以內(nèi)的監(jiān)測結(jié)果與棱鏡相當(dāng),變化規(guī)律一直比較穩(wěn)定,在200 m以內(nèi)趨勢一致,符合性一般。由此可見,可以利用其在一定范圍對邊坡進(jìn)行監(jiān)測。但是這里應(yīng)注意:1)如果監(jiān)測點(diǎn)選在豎直的邊幫上,設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)時應(yīng)盡量找一個平整的巖石面,而且盡量使用做好的監(jiān)測點(diǎn)貼在上面。2)自制監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)有十字中心,以方便尋找監(jiān)測中心。

      [1] 張偉航,甘德清,陳 超,等.邊坡變形監(jiān)測研究與進(jìn)展[J].礦山測量,2010(1):58-61.

      [2] 馮永長.無反射棱鏡全站儀實(shí)測精度檢測方法探討[J].山西建筑,2012,38(14):239-240.

      [3] 李建軍,劉 晟,代大爐.全站儀無棱鏡模式在島礁地形測量中的應(yīng)用[J].海洋測繪,2012,32(3):59-61.

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