建(构)筑物高边坡变形监测方法探析

周 勇

(重庆市勘测院，重庆 401121)

0 引言

重庆是一座典型的山地城市，主城区位于四川盆地的东南部，长江与嘉陵江侵蚀河谷发育的低山丘陵地区。近年来，随着城市建设的快速发展，高层建筑物和大型构筑物日益增多。在建设过程中，形成了众多的基坑边坡和环境边坡。

对各类边坡开展变形观测工作，可以获取边坡位移和沉降等信息，分析变形的规律，为灾害预报提供依据。建(构)筑物高边坡变形观测的方法有很多种，目前最常用的方法是边角测量和水准测量，分别获得平面和高程变化信息。GNSS技术和遥感技术的发展，为边坡监测提供了更多方式。近年来，三维激光扫描技术的广泛应用，又将高边坡变形监测技术推进了一大步。

1 边坡变形

边坡变形是一个自微观变形向宏观变形的转化过程，一般自变形开始至失稳要经历出现变形、缓慢变化、变化加剧、结构失稳等4个阶段。在边坡发生变形的过程中，采取适当方法对其变形进行监测，有利于在其结构失稳前发现危险，做出防范措施。

引起边坡变形主要工程的地质资料不够准确，导致对场地情况分析失误；外界不可抗力的影响(主要包括地震、火山等自然灾害使变形体的局部或整体产生变形)；工程边坡的地质条件多样、情况复杂等。此外，还有对边坡安全认识不足、管理体制不合理、应对经验不足等主观因素。

2 边坡变形监测

2.1 变形监测系统设计

2.1.1监测网

变形监测网一般由基准点、工作基点、变形观测点组成。基准点需要设置在变形区域外，用于确定变形观测项目的数学框架。工作基点是为了便于开展监测工作，可能会设置到变形区域内，在项目开展过程中需要定期复测。变形观测点设置在变形体上，应能够反映出待测对象的变形特点，具有代表性。监测点的选择非常重要，否则可能会缺失关键信息，从而无法进行预测。

以前，水平和高程监测网多是分开布设的，目前随着定位技术的发展，建立的变形观测网大多是三维的。

2.1.2监测点的选取

监测点的选取非常重要，主要考虑变形体的重点位置，以及可能变形较大的地方。还要考虑到监测区周围的环境，如通视条件、测站点位置等。

变形观测的主要内容是变形的几何量，包括水平位移和竖直位移(绝对位移或相对位移)、倾斜、应变等；有的还包括一些物理量，例如应力、大坝的渗水等。本文仅讨论几何三维变形情况。

2.2 变形监测的频率

一个项目的监测频率，主要取决于观测的目的、变形值的大小以及变形的速率。一般来说，在建筑物建设期间，以及建成后运营初期，边坡的变形速率比较快，这个阶段观测频率也要大一些。待建筑物和边坡的变形趋于稳定，可以根据情况减少观测次数。

对于高边坡变形观测来说，主要包括警戒观测、滑动期观测、滑坡后观测等内容。设定变形监测最小观测周期的原则，通常是两次监测结果的差值可以体现边坡的变化情况。设监测点的点位观测中误差为M，则位移中误差即为2M，又设边坡位移速率为V，监测的周期为T，则有：

T×V≥2M,即：T≥2M/V。

例如：M=±5 mm，V=0.5 mm/d，T≥20 d。

而在实际工程中，可在此基础上根据综合情况进行调整。

2.3 变形监测的精度

变形观测要求的精度高于绝大多数工程测量项目。监测的精度设置很重要，要求太高费用和时间成倍增加，设定的精度太低又很可能影响变形分析的效率和准确性，得不到正确的结论。监测项目测量精度的设定要考虑变形大小、变形速率、仪器标称精度、采用的测量方法等，还要顾及测量的目的。对于安全监测来说，项目实施综合测量误差应小于待测物体容许变形值的1/10～1/20；若要研究过程变化，精度要求还要高得多，这就需要采用特殊设备或特殊方法。

3 高边坡变形监测方法

3.1 常规变形监测

本文所述的常规测量方法，主要是指用常规仪器(经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪)进行的角度、边长和高程测量来开展的变形观测的方法。该方法具有设备成本较低、对技术人员专业素质要求较低、数据处理过程简单、操作灵活性大等优点。但由于外业工作量大、作业时间长，常规方法一度被弃用。近年来，随着设备自动化程度的提高、物联网技术的发展，该技术又焕发出新生。

目前，测量机器人已广泛应用于边坡变形观测中，定时地对边坡体上的目标点进行自动测量。市面上的测量机器人都具有自动观测系统，在完成首次初始化测量后，以后各期均可实现自动化测量，在小范围内能够实现无人值守。但如果在建筑密集区和植被茂密区进行变形监测时，要受到通视条件的限制。

3.2 GNSS方法用于变形监测

随着北斗卫星导航系统提供定位服务，采用GPS,BDS,GLONASS三星组合定位，GNSS在测量效率和精度方面都有了显著提升。相对于常规的边角测量技术来说，GNSS定位技术主要有测站无需通视、定位精度高、观测时间短、同时获取三维坐标、操作简便、全天候操作等优点。

采用GNSS技术进行滑坡变形监测所采用的是GNSS相对定位，如图1所示。对多台GNSS接收机观测同一组卫星数据并进行差分处理，使许多强相关误差源的影响得以消除或减弱，所以GNSS测量的相对定位的精度非常高。对于各类边坡变形监测项目，人们更加关心相对位置的变化，这就给GNSS技术用于变形观测提供了前提。

监测对象的变形是通过比较不同期的观测结果得出的，这样就要求不同期的测量条件要严格一致(如卫星条件、传播途径、接收机条件、安装条件等)。但这是不可能的，这样就不可避免地带来了重复性误差，我们所能做的只是尽量保持一致。

GNSS以其操作方便，精度高，可以全天候连续作业并可解决通视问题的优越性能，正越来越广泛的用于各类边坡的变形监测。随着国产GNSS定位设备的快速发展，其价格越来越便宜，采用GNSS进行变形监测费用大为降低，但仍比传统测量费用高。目前，GNSS方法主要应用于大面积、监测点不多的高边坡变形监测项目。

3.3 摄影测量方法用于变形监测

用摄影测量方法进行大型目标的变形监测已有很多成功的先例。改进了的摄影测量技术与大地测量技术结合，已经形成一种变形监测新方案。它应用位移视差计算变形，提高监测精度，其监测视角相对于常规方法大大扩展，提高了监测工作的可靠度。此外，同时获取影像数据，也是摄影测量技术的优势之一。利用高边坡影像，通过立体观察判读，可以在等值线上清晰的看到裂隙、渗水点、凸出石块等等，见图2。

摄影测量视角宽阔，可以避免变形信息的遗漏，其操作灵活，在进行变形监测的同时，纪录了变形区域的地质信息，为进一步分析变形原因提供了很大的帮助。

3.4 激光扫描技术用于变形监测

随着激光测距技术硬件的快速发展，三维激光扫描技术日益受到重视，应用也越来越广泛。自2000年开始进入中国以来，三维激光扫描技术在三维空间信息的实时获取方面取得了重大的突破，在工业测量、建筑工程、机械制造、生物学、医学、采矿、地质地理、考古、林业、海洋等各行各业都有广泛的应用前景。

三维激光扫描技术凭借快速、精确、直接获取物体表面离散三维点云数据的特点，得到广大测绘人员的关注和青睐，在测绘工作中扮演着日益重要的角色。采用三维激光扫描技术对监测部位进行定期扫描，将不同监测周期扫描的三维模型进行比对，能够获得扫描对象的整体变形情况，相对于传统监测方式的以点代面，该方法降低了变形监测的风险遗漏。在模型对比时，变形量不同的区域以不同的颜色显示，可以直观快速的了解观测对象变形信息，见图3。

采用三维激光扫描技术进行边坡变形监测，具有无需设置变形点、作业速度快、相对精度高等优点。但是，在视角不好、遮挡严重的区域，该方法效率较低。因此，三维激光扫描主要用于无植被的裸坡，或者人工建筑的边坡监测。

4 结语

本文结合国内外高边坡变形监测技术的发展现状，分别介绍了常规变形监测、GNSS技术进行变形监测、摄影测量用于变形监测、三维激光扫描技术用于变形监测等方法，每种方法各有优劣。通过比较，在高边坡变形监测项目中要结合边坡所在地的地形、地貌、气象、经济等具体情况，选择合理的监测设备，采用相对较合适的方法设计出最具经济效益的监测方案，以便及时发现问题，采取相应的预防措施，减少损失，避免重大事故的发生。