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高边坡变形监测中全站仪坐标差分法的应用

2016-01-26向明明李曦凌

环球人文地理·评论版 2015年12期
关键词:高边坡变形监测应用方法

向明明++李曦凌

摘要:在各类基础项目施工中,需要对一些高边坡地形进行测绘工作,数据的准确性直接影响了建设工程的质量。对于高边坡的测试方法较为常用的是,在高边坡附近设立一个固定的观测基点,进而实现对高边坡的变形监测;相对而言,这种环境较为理想,但在城市或其他视线遮挡物较多的情况下,则很难实施。通视条件和场地的限制导致观测点距离高边坡越来越近,很容易受到影响,从而导致数据的准确性不足。本文以下针对高边坡变形对固定观测基点影响的分析,以提高观测精度为研究目的,阐述全站仪坐标差分法的有效应用措施。

关键词:全站仪;高边坡;变形监测;差分方法;应用方法

1.前言

近年来,随着我国经济发展趋势的逐渐平稳,各项社会基础设施建设也进入了完善阶段,特别是在城市发展的过程中,空间的不断扩展客观上与自然环境发生了一系列的冲突。例如,在城市周围的高边坡工程项目越来越多,其中涉及一些水利水电、农业灌溉等中小型工程,既对城市的发展有很大的推动作用,但同时也存在一些地质灾害的潜在威胁,就成了城市管理者和项目设计者共同要面临的问题。

边坡属于一种常规的工程项目,在交通、水利等设施中较为常见,一般为土石结构,是一种必要的建筑防护体系构成。就现实情况分析,影响边坡稳定性的因素很多,要预防边坡危险的方案却没有系统的总结。一方面和不同的地质环境差异存在关系,没有固定的规律可循,另一方面,很难构建一个理论模型用于精确地计算边坡变形量,其工作量与实际的施工过程存在很大的矛盾。因此,目前只有对高边坡当前可以进行变形监测,并将这一方面的检测数据准确、及时地提供给监测部门,进而确保设计人员可以正确地进行高边坡的现状分析,确保高边坡及周围建筑物的安全。

全站仪即全站型电子测距仪(Electronic Total Station),是一种功能优越的电子测距仪,集合了光、电、机等技术于一体,可以进行水平角、垂直角、平距、斜距等多种测试工作,是目前施工测绘中广泛替代经纬仪的设备。利用全站仪工具,便于实现常见的变形监测工作,通常的执行方法是:在高坡场地附近选择并设置固定的观测基点,然后从观测基点的位置上利用全站仪对监测点进行检测。在此,笔者需要强调的是通视条件不佳状态的环境中,高边坡工程和其他工程的观测区别及特点:

第一,在距离高层建筑物或结构物的较近的前提下,由于承受荷载较大,边坡的变形程度对周围建筑物的影响也较大,对地面的影响范围也很大。

第二,边坡的位置如果在建筑物的后侧,由于场地狭小视野不清,会导致变形观测的环境条件更加恶劣。因此,在观测的过程中要避免高边坡变形对检测基点的外在影响,通过一定的变通手段(如人工建设高层观测基点),确保检测基点与变形区域远离。

第三,在通视条件无法改变的前提下,为了提高测试的精确度,监测基点要尽量向前靠近监测点。但这种方式在实际操作中很难实现,因为原本就存在客观环境中的矛盾。

根据以上的分析,笔者提出利用全站仪设备,采取自由设站并结合坐标差分的方式来实现高边坡的测量,包括对水平位移和沉淀位移的变形监测。

2.差分方法原理分析

“差分法”是一种数值解析法,简单地说,就是利用微分原理来实现有限差分的代替,把导数用有限商代替,从而实现基本方程的构建和边界条件的设定。关于原理方面的理论分析较为抽象,但在应用中不需要考虑这些内容。“差分法”的实际应用中,即针对比较两个分数大小的过程中,用“化等法”或其他速算的方式来实现的一种数学技巧,以下针对详细的应用进行说明。

2.1沉降位移

沉降即垂直方向的变形变化,在沉降变形的观测中,只需要通过监测点的相对位移改变即可。换句话说,观测的过程中可以假设一个基准点(现实中可以存在)的高程,然后利用全站仪,结合坐标测量的方式获取不同监测点的高程和高程差分值。

很显然,这其中包括一个高程的数值集合,如H1、H2、H3……Hn,观测点的位移测量变化利用H1、H2、H3……Hn表示。为了减小不同次的观测误差对差分的影响,利用第一次观测的数据和第n次观测的数据对比,得到基准点的高程差分值,进而利用计算公式和比例系数λ进行带入计算,可以得到相应的比例系数。需要注意的是,以基准点的初始化体系中,高程与高程差分值是数据采用间接平方的方法得到的,这样可以进一步忽略其沉降位移的误差性。

2.2水平位移

笔者通过设置基点来做进一步的说明:首先,选择三个稳定的基点G1、G2、G3,在远离变形区的地面或者相对稳定的建筑层上,按照要求实现与测站点S的通视条件,维持完好;监测点的位置1#2#3#4#5#……n#可设置在高边坡的挡墙顶部,S的各站点(号)第一次与观测点和第i次观察的观测站点,与现场条件的影响不发生冲突,即S任何一个站点(号)不会发生交叉、重合。在进行第i次观测的过程中,在测站点Si设置全站仪,并假定一个坐标和后视方向,然后利用坐标的测量方法来推算出基点和观测点的坐标:

(X,Y)=xG1yG1xG2yG2xG3yG3x1y1x2y2……xnyn

相对应地,坐标差分值应该为:

(ΔX,ΔY)i=ΔxG1G2ΔyG1G2ΔxG21ΔyG21Δx12Δy12……Δx(n-1)nΔy(n-1)nΔxnG3ΔynG3ΔxG3G2ΔyG3G2

由此,利用算出的坐标差可以计算出第i次观测的各点在初始坐标系中坐标。以基准点在初始坐标系中的坐标和坐标差为已知数据采用间接平差的方法平差,就可以获得各个点的变形位移量;相对而言,水平位移的观测在高边坡的数据体系中更加重要,所需要的观测流程也更加复杂,如在第i次观测的

坐标系夹角,即为第一次观测的后世方向与第i次观测时产生的夹角,而这一算法的递增为i+1次、i+2次……等等,最后引入第i次坐标旋转形成的坐标差。endprint

3.误差分析判断

相比于传统的测量工具经纬仪等设备,全站仪坐标差分法在进行监测的过程中形成的误差较小,对观测结果不会构成过大的影响,可以防止产生误差的因素。利用全站仪进行监测,避免观测效果影响的优势如下。

第一,不需要额外设置专门的固定检测基站,在进行测绘的过程中,也可以很好地避免边坡周围的物体对检测基点的影响,如高层建筑、结构物、树木等。

第二,观测点的位置是可以自由选择的,这就给通视条件带来了很大的便利,同时也省去了全站仪安置中造成的认为误差。

第三,在监测点上设置棱镜强制安置螺丝,如果某一个测站点距离监测点的距离更加合理,就更加有利于减小目标偏移,并减弱观测成果的影响。

第四,利用三角高层测量的原理更加便捷。在观测高程的过程中,H测=H站+S tanτ+i-v+f,其中,S为水平距离,τ为竖角,i为仪器高,v为目标高,f为球气差。很显然,两点之间的高程差与测站点的高程、仪器不存在必然关系,这样就避免了测量仪器的误差提高了精度。

第五,在使用全站仪差分法的测量中,由于最终有价值的数据是“差分数据”,因此对观测中的变化数据要求并不明显,但要做到相对性和一致性。如,在进行第1次观测的过程中,要进行多次反复测量,并取第一次观测的数值,如此反复展开进行。

4.结束语

总体来说,随着我国城市化的发展以及各项社会基础设施的建设,对于高边坡变形的测试是一项重要工作,基于这一应用展开新的技术讨论,可以有效提高观测精确度、减少人工架设测站的次数、降低观测成本,并且实用性很广,具有很好的推广价值。

参考文献:

[1]陈子进,吴斌,梅连友.高边坡挡墙变形监测方法探讨——全站仪自由设站差分法[J].后勤工程学院学报,2005,02:90-93.

[2]陈子进,吴斌,梅连友.全站仪坐标差分法在高边坡变形监测中的应用[J].重庆建筑大学学报,2005,03:130-134.

[3]贾永强,杜静,杨旭.浅谈坐标差分法全站仪技术在变形监测中的应用[J].西部资源,2013,02:135-137.

[4]高荣,况龙川.基于全站仪的边坡变形监测非固定测站法[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2010,01:131-133.

[5]王春博,冯仲科,吴斌.超站仪非固定测站法在变形监测中的应用[J].测绘与空间地理信息,2012,06:38-41.

[6]许文学,羊远新,李锋.GPS配合全站仪在机场边坡变形监测中的应用[J].测绘地理信息,2012,06:60-63+67.endprint

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