一种基于光学测量的表面变形误差修正方法及初步实践

2019-02-12宋振聪覃卫民

水电与抽水蓄能 2019年5期

殷康，宋振聪，杜藏，覃卫民

（1.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南省洛阳市471700；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，湖北省武汉市 430071）

0 引言

抽水蓄能电站在建设期间，山区的滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害时有发生，同时由隧道、高边坡及高填筑等工程施工也有可能引发工程灾害，严重影响着抽水蓄能电站工程的安全。由于工程施工或地质灾害的原因，岩土体会出现一定的变形，当变形增大并超过预警值后，就会危及工程结构及周边环境的安全。因此，必须对岩土体及被保护对象实施安全监测，掌握监测对象的变形历程，以保障被保护对象的安全。

表面变形是岩土工程稳定性的重要指标，在工程建设期间，通过测量监测对象的三维位移，获得监测周期内监测点的位移总量及阶段性位移速率，通过与监测控制标准值比较，用来评价监测对象的安全性，以保证工程施工安全及运行期安全[1]。

在岩土工程安全监测中，通常采用高精度全站仪（或经纬仪）测量监测对象点位的三维坐标，通过比较在不同监测时间同一坐标系中的三维坐标，就能得到监测对象点位的三维位移变化情况[2-3]。

《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）对地基基础、边坡、基坑、管线、地下工程设施、城市基础设施等工程给出了不同的测量等级及精度指标，几乎涵盖岩土工程安全监测范围。

根据《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016），边坡变形监测的测量等级属于二、三等，其中二等位移测量适用于重要边坡工程，其监测点坐标中误差为3mm；三等位移测量适用于一般边坡工程，其监测点坐标中误差为10mm。

现场测量工作存在的误差主要有系统误差和随机误差。系统误差产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素影响，测量原理中使用的近似计算公式，测量人员不良读书习惯等。而随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的因素共同造成，如空气扰动、大地微震、测量人员的感官的无规律变化等[4-5]。

减小和消除系统误差的方法主要有[6]：①从产生误差根源上消除系统误差；②用修正方法消除系统误差。

从已有研究报道中看，无论高精度全站仪（或经纬仪）技术或摄影测量技术在现场测量应用中的精度为毫米级精度，测量精度与仪器等级、气象条件、人员素质有关，若在降雨、雾霾、复杂地形、复杂工程现场等条件下的测量精度会更低。一些研究人员也开展了测量误差分析研究，并结合实际情况给出一些误差修正办法[7-10]。

为减小现场测量的误差，有必要研发一种三维位移测量标定技术，能提高现场测量精度，满足现场位移监测要求。在国网新源公司科技项目《河南洛宁抽水蓄能电站在大数据条件下抽蓄电站工程灾害体预警关键技术开发服务》的支持下，项目研究人员提出一种基于光学测量的表面变形误差修正方法，根据本方法已向国家知识产权局申请专利。

1 三维位移校正系数测量方法

该技术方法如下：首先通过高精度的机械加工方式，研制出一台标定架，在该标定架上设置若干个既定距离的标志点，将标定架放置在监测区域内（如边坡、基坑、建筑物等），通过现场测量标志点的坐标或两者之间的距离，将测量值与真值（前述既定距离）的比值作为该次现场测量的校正系数，通过该校正系数可以对本次在监测区域内的测量结果进行修正，从而提高位移监测精度。

1.1 三维位移标定架

该三维位移标定架由底板、立板、螺杆、标定棒组成（见图1）。其中，立板上刻画了若干个圆孔，该圆孔与标定棒的直径匹配。标定棒可插入立板中的圆孔，在其端面设置一个十字中心作为监测标志点的测量中心。标定棒上设置若干刻痕组，刻痕组之间的中心距为20mm，每一对刻痕的距离与立板的厚度相等，因此可以把立板置于每一对刻痕中实现精确定位。

图1 标定架结构图（单位：mm）（a）正视图；（b）俯视图Figure 1 Calibration frame structural diagram

1.2 实施方法

将标定棒若干放置于在立板上不同的圆孔中，采用全站仪或近景摄影测量方式，可以得到立板上任意两只圆钢棒的坐标或相对距离，从而计算出立面直角坐标系中两个相互垂直方向的校正系数（见图2）；在垂直立面的方向上，通过移动标定棒在圆孔中的位置，可以得到垂直立面方向的测量值（见图3），从而可以计算出该方向的校正系数。

图2和图3中，A、B、C分别为三根标定棒的中心点，XA、XB、XC、YA、YB、YC、ZA、ZB、ZC分别为这三点的三维坐标，∣XA-XB∣为A、B两点在X方向上的测量距离（单位为mm），XAB、YAB、ZAB分别为A、B两点在X、Y、Z方向上的既定距离。

图2 X、Y坐标系下的测量示意图（单位：mm）Figure 2 Measurement sketch in X-Y coordinate system

图3 Z、Y坐标系下的测量示意图（单位：mm）Figure 3 Measurement sketch in Z-Y coordinate system

则X方向上的校正系数为：

同理，Y方向上的校正系数为：

在Z方向上，∣ZA-ZB∣为A、B两点的测量距离（单位为mm），A、B两点在Z方向上的既定距离为ZAB，则Z方向上的校正系数为：

由此可见，通过测量两根标定棒中心的坐标，可以计算出标定架所在区域直角坐标系X、Y、Z三个方向的校正系数，这是最简单的做法。

为进一步提高现场测量精度，可考虑增加标定棒的数量，分别计算每两根标定棒之间得出的校正系数，再取其算术平均值作为本次测量的校正系数。

由于一般场地的边坡监测及基坑监测适用于三等位移测量，其监测点坐标中误差为10mm，其极限误差为两倍中误差20mm，而工程上常用标称精度为2＂、2mm+2ppm的全站仪可以满足测量仪器要求，因此认为可以仅对测量结果的厘米及毫米位数进行修正，分米及米位数的测量结果是可靠的。将该校正系数乘以分米位数以后数值进行修正，从而得到该次监测点坐标的修正值，用于测量数据整编处理中。

2 现场试验

在洛宁抽水蓄能电站业主营地区域有一处五级边坡，高度40m，属于土质边坡，边坡坡比从上至下依次为1:1.75、1:1.75、1:1.5、1:1.5、1:1.5，边坡高度每8m设置2m宽马道。为增加边坡整体稳定性，采取C25混凝土网格梁支护, 锚杆钢筋直径25mm（HRB400级），长度6m，钻孔直径90mm。

2019年3月下旬对业主营地边坡采用全站仪进行测量试验，试验期间该边坡已经开挖形成，处于网格梁施工状态。将标定架设置在边坡4号监测点（图4红色方形影像物）旁。在测量前，采用水平尺对标定架进行调节，确保标定架的底板处于水平状态。

由于现场施工作业及来往车辆干扰原因，仅采用一固定测站进行试验。