免棱鏡全站儀在邊坡變形監測中的應用研究★

張偉航 劉金山 楊姍姍 李建剛

(1.河北聯合大學遷安學院，河北遷安 064400;2.河北省地礦局第五地質大隊，河北唐山 063000)

露天礦邊坡在其服務年限內的穩定性，一直是礦業生產部門及科技人員最為關心的課題。因為它不僅關系到作業人員及設備的安全，同時也影響著生產的順利進行。現在邊坡變形監測方法多種多樣，每種方法所采用的儀器也不完全相同，其中全站儀是成熟可靠、使用比較簡單的一種儀器。普通全站儀以棱鏡為合作目標，在進行邊坡監測時，需要將棱鏡安置在固定的監測點上，從而對邊坡進行變形監測，一般進行一次監測就需要立一次棱鏡，并且要求監測點一般都是在平臺上，方便安置棱鏡。對于露天邊坡比較危險的區域，使用普通全站儀進行監測對測量人員的生命安全構成威脅，而且選擇監測點也十分的麻煩。如果利用免棱鏡全站儀則不需要有棱鏡來配合測量，是很好的發展方向，在邊坡上粘貼反射膜片或者直接選擇特征點利用激光進行測量來監測變形情況，一個優勢就是我們直接將監測點選在要監測的邊坡區域上，另一個優勢就是使測量人員遠離危險區域，安全得到保障。通過實驗來尋找使用免棱鏡全站儀進行邊坡變形監測的可靠方法，方便礦山對邊坡監測，對礦山安全生產具有重要意義［1］。

1 精度分析

各種類型的免棱鏡全站儀的測距原理及其基本功能相同，本次所使用儀器是SET250RX，SET250RX的EDM測距在免棱鏡的時候為3R級激光測量，該儀器測角部使用IACS(自主角度校準系統)，其測角的數值是穩定和可靠的，其測角精度為2″。測距部使用共軸相位比較測量系統，在棱鏡作為合作目標時，精測精度可達到±(2 mm+2 ppm×D)mm;在反射片作為合作目標時，精測精度可達到±(3 mm+2 ppm×D)mm，在免棱鏡的情況下精測最高精度可達到±(3 mm+2 ppm×D)mm。經過測試，儀器各項指標均符合標準(見表1)。針對露天邊坡的變形監測，主要是在空間上進行考慮，在這里主要從x，y，h三個方向上進行監測。首先要對儀器的三個方向的精度進行判斷。在使用免棱鏡全站儀進行三維坐標測量時，其三維坐標公式如下［3］:北方向:x=x0+S×sinZ×cosAZ;東方向:y=y0+S×sinZ×sinAZ;高程:h=h0+S×cosZ+hi-hf。其中，x0為測站點縱坐標;y0為測站點橫坐標;h0為測站點高程;S為斜距;Z為天頂距;AZ為坐標方位角;hi為儀器高;hf為目標高，如果在使用免棱鏡進行測量時，hf的值一般為0。

表1 邊坡變形精度要求 mm

根據誤差傳播定律，我們得到:

其中，mx為所測點北方向縱坐標中誤差;my為所測點東方向橫坐標中誤差;mh為所測點高程中誤差;mp為所測點所測位置中誤差;ms為測距中誤差;mZ為測角中誤差。

可以看出，mh與天頂距與所測距離有關，其中天頂距與使用免棱鏡進行測量時入射角度是相當的，經過對SET250RX性能測試，我們知道入射角在30°～90°為宜;測距標稱為400 m，從天氣與精度考慮，我們取小于300 m距離。將不同入射角度和入射距離的mh(單位為mm)列入表2。

表2 高程中誤差變化表

通過表2可以看出，在不同角度和不同距離下，所測高程中誤差是不同的，當天頂距為30°時，此時入射角也為30°，在200 m時中誤差達到了3.10，超出巖質滑坡的要求，此時變形監測距離極限為200 m;當天頂距為45°時，此時入射角也為45°，在250 m時中誤差達到了3.01，超出巖質滑坡的要求，此時變形監測距離極限為250 m;當天頂距為60°時，此時入射角也為60°，在300 m時中誤差達到了3.10，超出巖質滑坡的要求，此時變形監測距離極限為300 m;當天頂距為90°時，此時入射角也為90°，在300 m時中誤差達到了2.91，仍未超出巖質滑坡的要求。同時，在對SET250RX性能測試時發現，入射角角度越大，其測距精度越高，入射角在90°時，測距精度最高。所以，在進行變形監測時，盡量選擇入射角角度大于45°。

從以上分析中看出，其他測量值中誤差均和方位角有關系，這里取天頂距90°，所以

將不同入射距離產生的最大mx，my列入表3。

表3 點位中誤差變化表

通常在滑坡監測中要求水平位移為2 mm～5 mm，高程測量中誤差小于3 mm。由此可見，免棱鏡全站儀的精度是符合邊坡變形監測要求的。

2 外符合實驗

某露天礦現在已經基本轉入地下，根據實際情況，在其邊坡最頂端產生地表裂縫某處后2 m處選擇了一點作為實驗監測點，固定三腳架，使用棱鏡的基座分別固定棱鏡和紅顏色紙板。紅色紙板自制，10 cm×10 cm，并作十字分劃線，線中心到基座的距離與棱鏡中心到基座距離一致。分別在距離其50 m，100 m，150 m，200 m后設置測站點，利用自由設站法來進行監測。一般選基站點都應選擇在穩定的地點，為了驗證免棱鏡全站儀的可靠性，所以使用自由設站法。即每次都對設置的基站點的三維坐標進行測量。測量結果如表4～表7所示。

表4 站點與監測點相距大致50 m的H值監測值

表5 站點與監測點相距大致100 m的H值監測值

表6 站點與監測點相距大致150 m的H值監測值

表7 站點與監測點相距大致200 m的H值監測值

從表4～表7可以看出，在50 m，100 m處設站，變形規律符合性比較高，在有棱鏡的情況下，總沉降值為-13 mm，在50 m處免棱鏡監測沉降值為-12 mm，在100 m處免棱鏡監測沉降值為-13 mm;在150 m，200 m處設站，變形規律符合性一般，在150 m處免棱鏡監測沉降值為-16 mm，在100 m處免棱鏡監測沉降值為-17 mm。但總的變形趨勢相當，都處于滑坡初始階段，并開始加速。距離越遠，其中誤差越大，符合性越差，但是其變形規律符合性比較高，可以進行巖性變形監測。

3 結語

通過外符合實驗可以看出，使用免棱鏡全站儀在100 m以內的監測結果與棱鏡相當，變化規律一直比較穩定，在200 m以內趨勢一致，符合性一般。由此可見，可以利用其在一定范圍對邊坡進行監測。但是這里應注意:1)如果監測點選在豎直的邊幫上，設置監測點時應盡量找一個平整的巖石面，而且盡量使用做好的監測點貼在上面。2)自制監測點應有十字中心，以方便尋找監測中心。

［1］ 張偉航，甘德清，陳 超，等.邊坡變形監測研究與進展［J］.礦山測量，2010(1):58-61.

［2］ 馮永長.無反射棱鏡全站儀實測精度檢測方法探討［J］.山西建筑，2012，38(14):239-240.

［3］ 李建軍，劉 晟，代大爐.全站儀無棱鏡模式在島礁地形測量中的應用［J］.海洋測繪，2012，32(3):59-61.