建(構(gòu))筑物高邊坡變形監(jiān)測(cè)方法探析

周 勇

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

0 引言

重慶是一座典型的山地城市，主城區(qū)位于四川盆地的東南部，長(zhǎng)江與嘉陵江侵蝕河谷發(fā)育的低山丘陵地區(qū)。近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑物和大型構(gòu)筑物日益增多。在建設(shè)過程中，形成了眾多的基坑邊坡和環(huán)境邊坡。

對(duì)各類邊坡開展變形觀測(cè)工作，可以獲取邊坡位移和沉降等信息，分析變形的規(guī)律，為災(zāi)害預(yù)報(bào)提供依據(jù)。建(構(gòu))筑物高邊坡變形觀測(cè)的方法有很多種，目前最常用的方法是邊角測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量，分別獲得平面和高程變化信息。GNSS技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展，為邊坡監(jiān)測(cè)提供了更多方式。近年來，三維激光掃描技術(shù)的廣泛應(yīng)用，又將高邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)推進(jìn)了一大步。

1 邊坡變形

邊坡變形是一個(gè)自微觀變形向宏觀變形的轉(zhuǎn)化過程，一般自變形開始至失穩(wěn)要經(jīng)歷出現(xiàn)變形、緩慢變化、變化加劇、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等4個(gè)階段。在邊坡發(fā)生變形的過程中，采取適當(dāng)方法對(duì)其變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有利于在其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，做出防范措施。

引起邊坡變形主要工程的地質(zhì)資料不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致對(duì)場(chǎng)地情況分析失誤；外界不可抗力的影響(主要包括地震、火山等自然災(zāi)害使變形體的局部或整體產(chǎn)生變形)；工程邊坡的地質(zhì)條件多樣、情況復(fù)雜等。此外，還有對(duì)邊坡安全認(rèn)識(shí)不足、管理體制不合理、應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)不足等主觀因素。

2 邊坡變形監(jiān)測(cè)

2.1 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1監(jiān)測(cè)網(wǎng)

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)一般由基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、變形觀測(cè)點(diǎn)組成。基準(zhǔn)點(diǎn)需要設(shè)置在變形區(qū)域外，用于確定變形觀測(cè)項(xiàng)目的數(shù)學(xué)框架。工作基點(diǎn)是為了便于開展監(jiān)測(cè)工作，可能會(huì)設(shè)置到變形區(qū)域內(nèi)，在項(xiàng)目開展過程中需要定期復(fù)測(cè)。變形觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在變形體上，應(yīng)能夠反映出待測(cè)對(duì)象的變形特點(diǎn)，具有代表性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇非常重要，否則可能會(huì)缺失關(guān)鍵信息，從而無法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

以前，水平和高程監(jiān)測(cè)網(wǎng)多是分開布設(shè)的，目前隨著定位技術(shù)的發(fā)展，建立的變形觀測(cè)網(wǎng)大多是三維的。

2.1.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取非常重要，主要考慮變形體的重點(diǎn)位置，以及可能變形較大的地方。還要考慮到監(jiān)測(cè)區(qū)周圍的環(huán)境，如通視條件、測(cè)站點(diǎn)位置等。

變形觀測(cè)的主要內(nèi)容是變形的幾何量，包括水平位移和豎直位移(絕對(duì)位移或相對(duì)位移)、傾斜、應(yīng)變等；有的還包括一些物理量，例如應(yīng)力、大壩的滲水等。本文僅討論幾何三維變形情況。

2.2 變形監(jiān)測(cè)的頻率

一個(gè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)頻率，主要取決于觀測(cè)的目的、變形值的大小以及變形的速率。一般來說，在建筑物建設(shè)期間，以及建成后運(yùn)營(yíng)初期，邊坡的變形速率比較快，這個(gè)階段觀測(cè)頻率也要大一些。待建筑物和邊坡的變形趨于穩(wěn)定，可以根據(jù)情況減少觀測(cè)次數(shù)。

對(duì)于高邊坡變形觀測(cè)來說，主要包括警戒觀測(cè)、滑動(dòng)期觀測(cè)、滑坡后觀測(cè)等內(nèi)容。設(shè)定變形監(jiān)測(cè)最小觀測(cè)周期的原則，通常是兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果的差值可以體現(xiàn)邊坡的變化情況。設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位觀測(cè)中誤差為M，則位移中誤差即為2M，又設(shè)邊坡位移速率為V，監(jiān)測(cè)的周期為T，則有：

T×V≥2M,即：T≥2M/V。

例如：M=±5 mm，V=0.5 mm/d，T≥20 d。

而在實(shí)際工程中，可在此基礎(chǔ)上根據(jù)綜合情況進(jìn)行調(diào)整。

2.3 變形監(jiān)測(cè)的精度

變形觀測(cè)要求的精度高于絕大多數(shù)工程測(cè)量項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)的精度設(shè)置很重要，要求太高費(fèi)用和時(shí)間成倍增加，設(shè)定的精度太低又很可能影響變形分析的效率和準(zhǔn)確性，得不到正確的結(jié)論。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)量精度的設(shè)定要考慮變形大小、變形速率、儀器標(biāo)稱精度、采用的測(cè)量方法等，還要顧及測(cè)量的目的。對(duì)于安全監(jiān)測(cè)來說，項(xiàng)目實(shí)施綜合測(cè)量誤差應(yīng)小于待測(cè)物體容許變形值的1/10～1/20；若要研究過程變化，精度要求還要高得多，這就需要采用特殊設(shè)備或特殊方法。

3 高邊坡變形監(jiān)測(cè)方法

3.1 常規(guī)變形監(jiān)測(cè)

本文所述的常規(guī)測(cè)量方法，主要是指用常規(guī)儀器(經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀)進(jìn)行的角度、邊長(zhǎng)和高程測(cè)量來開展的變形觀測(cè)的方法。該方法具有設(shè)備成本較低、對(duì)技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)要求較低、數(shù)據(jù)處理過程簡(jiǎn)單、操作靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。但由于外業(yè)工作量大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，常規(guī)方法一度被棄用。近年來，隨著設(shè)備自動(dòng)化程度的提高、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)又煥發(fā)出新生。

目前，測(cè)量機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于邊坡變形觀測(cè)中，定時(shí)地對(duì)邊坡體上的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。市面上的測(cè)量機(jī)器人都具有自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，在完成首次初始化測(cè)量后，以后各期均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，在小范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守。但如果在建筑密集區(qū)和植被茂密區(qū)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，要受到通視條件的限制。

3.2 GNSS方法用于變形監(jiān)測(cè)

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位服務(wù)，采用GPS,BDS,GLONASS三星組合定位，GNSS在測(cè)量效率和精度方面都有了顯著提升。相對(duì)于常規(guī)的邊角測(cè)量技術(shù)來說，GNSS定位技術(shù)主要有測(cè)站無需通視、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、同時(shí)獲取三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候操作等優(yōu)點(diǎn)。

采用GNSS技術(shù)進(jìn)行滑坡變形監(jiān)測(cè)所采用的是GNSS相對(duì)定位，如圖1所示。對(duì)多臺(tái)GNSS接收機(jī)觀測(cè)同一組衛(wèi)星數(shù)據(jù)并進(jìn)行差分處理，使許多強(qiáng)相關(guān)誤差源的影響得以消除或減弱，所以GNSS測(cè)量的相對(duì)定位的精度非常高。對(duì)于各類邊坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，人們更加關(guān)心相對(duì)位置的變化，這就給GNSS技術(shù)用于變形觀測(cè)提供了前提。

監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形是通過比較不同期的觀測(cè)結(jié)果得出的，這樣就要求不同期的測(cè)量條件要嚴(yán)格一致(如衛(wèi)星條件、傳播途徑、接收機(jī)條件、安裝條件等)。但這是不可能的，這樣就不可避免地帶來了重復(fù)性誤差，我們所能做的只是盡量保持一致。

GNSS以其操作方便，精度高，可以全天候連續(xù)作業(yè)并可解決通視問題的優(yōu)越性能，正越來越廣泛的用于各類邊坡的變形監(jiān)測(cè)。隨著國(guó)產(chǎn)GNSS定位設(shè)備的快速發(fā)展，其價(jià)格越來越便宜，采用GNSS進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)費(fèi)用大為降低，但仍比傳統(tǒng)測(cè)量費(fèi)用高。目前，GNSS方法主要應(yīng)用于大面積、監(jiān)測(cè)點(diǎn)不多的高邊坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

3.3 攝影測(cè)量方法用于變形監(jiān)測(cè)

用攝影測(cè)量方法進(jìn)行大型目標(biāo)的變形監(jiān)測(cè)已有很多成功的先例。改進(jìn)了的攝影測(cè)量技術(shù)與大地測(cè)量技術(shù)結(jié)合，已經(jīng)形成一種變形監(jiān)測(cè)新方案。它應(yīng)用位移視差計(jì)算變形，提高監(jiān)測(cè)精度，其監(jiān)測(cè)視角相對(duì)于常規(guī)方法大大擴(kuò)展，提高了監(jiān)測(cè)工作的可靠度。此外，同時(shí)獲取影像數(shù)據(jù)，也是攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一。利用高邊坡影像，通過立體觀察判讀，可以在等值線上清晰的看到裂隙、滲水點(diǎn)、凸出石塊等等，見圖2。

攝影測(cè)量視角寬闊，可以避免變形信息的遺漏，其操作靈活，在進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的同時(shí)，紀(jì)錄了變形區(qū)域的地質(zhì)信息，為進(jìn)一步分析變形原因提供了很大的幫助。

3.4 激光掃描技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)

隨著激光測(cè)距技術(shù)硬件的快速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)日益受到重視，應(yīng)用也越來越廣泛。自2000年開始進(jìn)入中國(guó)以來，三維激光掃描技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面取得了重大的突破，在工業(yè)測(cè)量、建筑工程、機(jī)械制造、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、采礦、地質(zhì)地理、考古、林業(yè)、海洋等各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用前景。

三維激光掃描技術(shù)憑借快速、精確、直接獲取物體表面離散三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，得到廣大測(cè)繪人員的關(guān)注和青睞，在測(cè)繪工作中扮演著日益重要的角色。采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行定期掃描，將不同監(jiān)測(cè)周期掃描的三維模型進(jìn)行比對(duì)，能夠獲得掃描對(duì)象的整體變形情況，相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的以點(diǎn)代面，該方法降低了變形監(jiān)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)遺漏。在模型對(duì)比時(shí)，變形量不同的區(qū)域以不同的顏色顯示，可以直觀快速的了解觀測(cè)對(duì)象變形信息，見圖3。

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測(cè)，具有無需設(shè)置變形點(diǎn)、作業(yè)速度快、相對(duì)精度高等優(yōu)點(diǎn)。但是，在視角不好、遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，該方法效率較低。因此，三維激光掃描主要用于無植被的裸坡，或者人工建筑的邊坡監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外高邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分別介紹了常規(guī)變形監(jiān)測(cè)、GNSS技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)、攝影測(cè)量用于變形監(jiān)測(cè)、三維激光掃描技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)等方法，每種方法各有優(yōu)劣。通過比較，在高邊坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中要結(jié)合邊坡所在地的地形、地貌、氣象、經(jīng)濟(jì)等具體情況，選擇合理的監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用相對(duì)較合適的方法設(shè)計(jì)出最具經(jīng)濟(jì)效益的監(jiān)測(cè)方案，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，減少損失，避免重大事故的發(fā)生。