基于位移監(jiān)測(cè)的邊坡穩(wěn)定性分析

李天

摘要：影響邊坡穩(wěn)定性的因素是復(fù)雜的、多方面，對(duì)于不同的邊坡，又具有其特殊性。就不穩(wěn)定的邊坡來(lái)講，這種特殊性最終將綜合反映在邊坡的位移上。所以，邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)對(duì)于掌握滑坡動(dòng)態(tài)，弄清楚滑坡規(guī)模以及預(yù)測(cè)出滑坡的趨勢(shì)，因此得出了可靠的邊坡穩(wěn)定性分析的結(jié)果具有及其重要的意義，不但為分析工作提供出了可靠的資料，同時(shí)也對(duì)邊坡進(jìn)一步的綜合加固治理設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：位移監(jiān)測(cè)；邊坡穩(wěn)定性

引言：在礦山開(kāi)采的過(guò)程中，隨著巖層巖體的風(fēng)化以及爆破振動(dòng)、運(yùn)輸擾動(dòng)的影響，大氣降水、凍融循環(huán)、地殼運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響越來(lái)越大，一旦發(fā)生滑坡直接影響礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，帶來(lái)很大的損失。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是礦山開(kāi)采時(shí)的重點(diǎn)工作之一。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法大都是用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀或全站儀等儀器進(jìn)行，精度低且效率較低。隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)（GNSS）、地面三維激光掃描技術(shù)、高精度測(cè)量機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，分析其在礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的測(cè)量方法、測(cè)量精度及各種方法的優(yōu)勢(shì)，是非常必要的。

一、GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

眾所周知，GNSS靜態(tài)定位技術(shù)精度較高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、控制測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)工作中。在礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作中，由于測(cè)區(qū)環(huán)境復(fù)雜，可以綜合運(yùn)用GNSS定位技術(shù)、數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析處理系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有GNSS定位子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)及輔助設(shè)施組成，輔助設(shè)施主要包括供電穩(wěn)壓設(shè)施、避雷設(shè)施等。其中GNSS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)測(cè)獲取定位數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，服務(wù)器根據(jù)GNSS接收機(jī)特有的IP地址和端口號(hào)，獲得觀(guān)測(cè)得到的原始數(shù)據(jù)，使用GNSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)算，得到精確的三維空間坐標(biāo)，與已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，計(jì)算得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移位情況，經(jīng)分析計(jì)算得到邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，自動(dòng)預(yù)警。在GNSS邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，GNSS接收機(jī)可以自動(dòng)觀(guān)測(cè)，且大多采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，無(wú)人為誤差及儀器對(duì)中誤差，極大地減輕了野外測(cè)量的工作強(qiáng)度，得到高精度的三維點(diǎn)位監(jiān)測(cè)成果，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程以及惡劣天氣條件下采集數(shù)據(jù)，可連續(xù)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)中，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)要求限定閥值、變化速率，當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及變形速率超出預(yù)定極限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。GNSS自動(dòng)化邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)具有測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

二、地面三維激光掃描技術(shù)

目前全站儀、GNSS等測(cè)量工具均為單點(diǎn)測(cè)量，效率相對(duì)低下。地面三維激光掃描系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“面式”快速掃描測(cè)量，其主要由激光掃描儀、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、外置數(shù)碼相機(jī)、掃描控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及外接電源等共同構(gòu)成。地面三維激光掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)坡體的快速數(shù)字化，得到坡體表面三維信息，實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所測(cè)”。運(yùn)用地面三維激光掃描技術(shù)，可以方便地從事各類(lèi)復(fù)雜、大型、不規(guī)則、非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)景或?qū)嶓w三維數(shù)據(jù)的采集，得到精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的工作流程包括前期規(guī)劃設(shè)計(jì)、野外掃描測(cè)量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析三個(gè)階段。前期規(guī)劃設(shè)計(jì)主要完成現(xiàn)場(chǎng)踏勘、控制點(diǎn)及掃描站點(diǎn)布設(shè)等工作；野外掃描時(shí)每測(cè)站掃描結(jié)束后現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)，判斷是否有遺漏掃描區(qū)域，檢查標(biāo)靶的采樣率是否符合要求，檢查無(wú)誤后對(duì)每一測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行命名，包括測(cè)站名稱(chēng)、掃描順序等，然后保存；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、平滑、不同站點(diǎn)間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合等，并提取特征點(diǎn)與前期掃描結(jié)果對(duì)比進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。三維激光掃描技術(shù)可以獲取高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取，可以精確獲得邊坡變化狀況。與測(cè)量機(jī)器人、GPS測(cè)量不同，三維激光掃描為遠(yuǎn)距離無(wú)接觸測(cè)量，無(wú)需在監(jiān)測(cè)體上埋設(shè)相關(guān)儀器設(shè)備，且為“面式”測(cè)量，速度快、精度高，能夠反映坡體的總體變形趨勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)，在大變形邊坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

三、測(cè)量機(jī)器人

近年來(lái)，高精度自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器越來(lái)越多，測(cè)量機(jī)器人是其中的典型代表，一般儀器測(cè)角精度達(dá)到0.5″，常見(jiàn)的儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家有徠卡、索佳、天寶等。測(cè)量機(jī)器人由帶電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和程序控制的TPS系統(tǒng)結(jié)合激光、通訊及CCD技術(shù)組合而成，可以自動(dòng)化進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、照準(zhǔn)、測(cè)角測(cè)距、跟蹤及記錄。由于測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化程度高，具有自動(dòng)搜尋照準(zhǔn)目標(biāo)測(cè)量并記錄的功能，且可以根據(jù)設(shè)置重復(fù)測(cè)量，在長(zhǎng)時(shí)間固定監(jiān)測(cè)或危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯。使用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)時(shí)，為了能夠同時(shí)盡可能多地觀(guān)測(cè)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)，常根據(jù)后方交會(huì)原理采用自由設(shè)站法測(cè)量，即找到便于觀(guān)測(cè)的位置設(shè)站后觀(guān)測(cè)兩處或以上已知點(diǎn)上設(shè)置的反射棱鏡后，對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練（又稱(chēng)為測(cè)量機(jī)器人自學(xué)習(xí)），設(shè)置正倒鏡、測(cè)量次數(shù)、通訊參數(shù)、限差等指標(biāo)后，使用自動(dòng)測(cè)量功能，測(cè)量機(jī)器人即可按照要求循環(huán)測(cè)量。測(cè)量的結(jié)果既可存入機(jī)器內(nèi)存，也可以遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。與GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，測(cè)量機(jī)器人觀(guān)測(cè)時(shí)需要通視，測(cè)區(qū)的地形、地貌、植被覆蓋可能會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響。與GNSS自動(dòng)化邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類(lèi)似，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)將測(cè)量機(jī)器人的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，使用專(zhuān)業(yè)軟件自動(dòng)分析，得出監(jiān)測(cè)結(jié)果，構(gòu)建機(jī)器人邊坡穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)論：在礦邊坡地面位移監(jiān)測(cè)方法中，GNSS技術(shù)、地面三維激光掃描技術(shù)、測(cè)量機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。GNSS方法測(cè)量精度高，無(wú)需通視即可測(cè)量且可以高度集成實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；地面三維激光掃描可以非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍廣，速度快，可以“面式”數(shù)據(jù)采集，成果可以進(jìn)行三維建模，形象直觀(guān)；測(cè)量機(jī)器人可以無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)量，且精度高，避免了人為誤差的影響。測(cè)繪科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為邊坡自動(dòng)化遙測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了條件。無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在礦山中使用無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)連續(xù)觀(guān)測(cè)，測(cè)量人員無(wú)需接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，精度高、穩(wěn)定性好，代表了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

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