斜坡地質(zhì)災(zāi)害剖面測量方法研究

陳波

（四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達(dá)州 635006）

地質(zhì)災(zāi)害是指在地球的發(fā)展演化過程中，由各種自然地質(zhì)作用和人類活動所形成的災(zāi)害性地質(zhì)事件。斜坡地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、泥石流等，它們是地質(zhì)、地理環(huán)境與人文社會環(huán)境綜合作用的產(chǎn)物。重力是斜坡地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在動力，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖土體結(jié)構(gòu)特性、新構(gòu)造活動及地下水等條件是影響斜坡失穩(wěn)的主要自然因素，而大氣降水、爆破、人工開挖和地下開采等人類工程活動對斜坡的變形破壞起著重要的誘發(fā)作用。

崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害常使斜坡下的農(nóng)田、廠房、水利水電設(shè)施、交通設(shè)施及其他建筑物遭受損害、阻塞交通、毀壞車輛，造成行車事故和人身傷亡事故，給人民群眾生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來嚴(yán)重的危害，極大影響經(jīng)會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了最大限度的消除或減小這些地質(zhì)災(zāi)害的影響，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害防治的緊迫性和重要性是不言而喻的。

地質(zhì)災(zāi)害防治工程是針對自然或人為作用產(chǎn)生的有害地質(zhì)作用進(jìn)行防護(hù)與治理的工程或措施，與其他建筑工程不同，一般不產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益。因此，在實(shí)現(xiàn)整治目標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能降低治理費(fèi)用。地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計與施工必須遵循地質(zhì)原則、效益原則、技術(shù)原則、目標(biāo)原則、環(huán)境原則、整體優(yōu)化原則和社會安定原則，根據(jù)地質(zhì)體的破壞機(jī)制對癥施治，避免忽視地質(zhì)條件分析和斜坡破壞機(jī)制研究或僅從地質(zhì)條件分析出發(fā)而忽視工程技術(shù)的可行性。

為科學(xué)、合理的進(jìn)行斜坡地質(zhì)災(zāi)害的勘察和防治方案設(shè)計，準(zhǔn)確測量斜坡地質(zhì)災(zāi)害體剖面的工作尤其重要。

1 目前剖面測量的主要方法

目前，剖面測量的方法主要?dú)w納為以下幾種：

1）使用全站儀進(jìn)行剖面測量：先測設(shè)出剖面線上或剖面延長線的一點(diǎn)，然后在該點(diǎn)上架設(shè)全站儀，定向后使用放樣功能將全站儀視準(zhǔn)軸對準(zhǔn)剖面方向，逐點(diǎn)測量出剖面線上各地形特征點(diǎn)、地質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)（圖1）。若剖面上有遮擋視線的地形存在時（圖2），可先測出A點(diǎn)至剖面終點(diǎn)間各特征點(diǎn)的坐標(biāo)和A點(diǎn)坐標(biāo)，再將全站儀架設(shè)在A點(diǎn)繼續(xù)測量A點(diǎn)至剖面起點(diǎn)間各特征點(diǎn)的坐標(biāo)。這種方法的好處是判斷測點(diǎn)是否偏離剖面線的速度快，偏距直觀，調(diào)整豎立棱鏡位置的速度快，精度高。

2）使用RTK進(jìn)行剖面測量：先架設(shè)好RTK基準(zhǔn)站，輸入測區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)或利用測區(qū)控制網(wǎng)點(diǎn)求取坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)，輸入剖面起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，使用RTK內(nèi)置軟件中的剖面測量功能沿剖面線逐點(diǎn)測量各地形特征點(diǎn)、地質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是判斷測點(diǎn)是否偏離剖面線的速度快，偏距直觀，調(diào)整測點(diǎn)的速度快，精度高，但其適用條件是測區(qū)地形開闊，衛(wèi)星信號良好。

3）RTK結(jié)合全站儀進(jìn)行剖面測量：前述兩種方法均存在不足之處，第一種方法若剖面上存在遮擋視線的地物時（比如圖2中A點(diǎn)為一棵大樹）則很難繞過遮擋物在剖面線上確定一點(diǎn)的坐標(biāo)并架設(shè)全站儀，使用第二種方法時若受周圍地形限制，測量剖面線上的部分特征點(diǎn)時衛(wèi)星信號較差難以獲取滿足精度要求的坐標(biāo)成果，均造成不能完成剖面測量工作，這時就需要將兩種方法結(jié)合使用。先用RTK在剖面線上衛(wèi)星信號良好且便于架設(shè)全站儀的地方測設(shè)好支站點(diǎn)和測量出部分剖面特征點(diǎn)，再用全站儀測量其余剖面特征點(diǎn)。

4）上述三種方法能完成一般的剖面測量工作且取得良好的效果，但由于地形的限制及斜坡地質(zhì)災(zāi)害體的復(fù)雜性、危險性及難于攀登性，經(jīng)常造成測量作業(yè)人員無法在地質(zhì)災(zāi)害體上進(jìn)行測量，導(dǎo)致前述三種方法均難以完成剖面工作，由此衍生了第四種剖面測量方法，即由具有免棱鏡功能的全站儀進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量工作。從本質(zhì)上看，這種方法與第一種方法大致相同，區(qū)別是測量作業(yè)人員無需在地質(zhì)災(zāi)害體上豎立棱鏡，對于圖1的情況是可以順利完成剖面測量工作的，但對于圖2的情況，由于難以在A點(diǎn)處測設(shè)支站點(diǎn)標(biāo)志和架設(shè)全站儀，故難以完成地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量工作。

以上第一、第三和第四種方法的共同點(diǎn)是都需要在剖面線上或剖面延長線上架設(shè)儀器，而地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量往往受地形限制、地質(zhì)災(zāi)害體的復(fù)雜性、危險性影響導(dǎo)致難以在剖面線上及其延長線上架設(shè)儀器，故這些方法在測量地質(zhì)災(zāi)害體剖面時的實(shí)用性很差。

2 地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量的實(shí)用方法研究

綜合上述四種剖面測量方法，本人基于多年測量工作經(jīng)驗(yàn)和編程解決工作中實(shí)際問題的相關(guān)知識，研究和實(shí)踐了能解決地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量難題的實(shí)用方法，即編程計算與免棱鏡全站儀相結(jié)合的剖面測量方法。

這種剖面測量的方法不需要在剖面線上或剖面延長線上架設(shè)儀器，也不需要在地質(zhì)災(zāi)害體上豎立棱鏡或使用RTK，能解決地形的限制、地質(zhì)災(zāi)害體的復(fù)雜性、危險性及難于攀登性所造成的剖面測量難題，現(xiàn)詳述如下：

1）目標(biāo)。適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量的環(huán)境，能在可見剖面線范圍的任意點(diǎn)架設(shè)全站儀，可不在地質(zhì)災(zāi)害體表面上活動，能準(zhǔn)確測量地質(zhì)災(zāi)害體剖面。

2）理論基礎(chǔ)。見圖3，擬測量剖面為AA′，測站可歸納為位于剖面左方（如b2點(diǎn)）、右方（如b點(diǎn)）、剖面上（如b3點(diǎn)）及剖面延長線上（如b1點(diǎn)和b4點(diǎn)）等幾種情況，測站坐標(biāo)及定向點(diǎn)坐標(biāo)均已有成果（由測區(qū)控制點(diǎn)測設(shè)），現(xiàn)采用免棱鏡全站儀在剖面線附近測出任意一點(diǎn)坐標(biāo)（剖面線具體位置不明確，只有剖面兩端點(diǎn)的坐標(biāo)），通過數(shù)學(xué)計算確定該點(diǎn)與擬測剖面的關(guān)系：位于剖面線左方或右方的偏距bb′和沿剖面方向的平距Ab′，當(dāng)偏距bb′為0時該點(diǎn)位于剖面線上，當(dāng)平距Ab′為0時該點(diǎn)為擬測量剖面的端點(diǎn)A，當(dāng)平距Ab′為負(fù)時或大于AA′時該點(diǎn)位于剖面端點(diǎn)外，根據(jù)這些關(guān)系數(shù)據(jù)就能快速測定地形特征點(diǎn)位及地質(zhì)點(diǎn)位，且保證所測點(diǎn)位于剖面線上。

3）實(shí)現(xiàn)方法。架設(shè)免棱鏡全站儀完成定向后，在估計的剖面線附近測出任意一點(diǎn)坐標(biāo)，輸入計算設(shè)備（本人使用的是CASIO fx-9860GⅡ型計算器，外形小巧便于攜帶，計算功能強(qiáng)大，電力持久，便于野外實(shí)時計算），運(yùn)行結(jié)果為剖面線長、沿剖面方向的平距和偏距。根據(jù)這些計算所得的點(diǎn)線關(guān)系數(shù)據(jù)迅速調(diào)整測點(diǎn)位置，根據(jù)調(diào)整后的實(shí)測坐標(biāo)再次計算，直至所測點(diǎn)位至擬測剖面線的偏距滿足精度要求（我隊通常要求偏距≤10cm），依此方法測出剖面線上所有地形特征點(diǎn)和地質(zhì)點(diǎn)，從而準(zhǔn)確的測量地質(zhì)災(zāi)害體剖面。

4）編程思路。采用便于攜帶、功能強(qiáng)大、電力持久，響應(yīng)快速的計算器，使用其編程語言，編程時主要設(shè)計為三個模塊：①輸入模塊，用于輸入剖面兩端點(diǎn)的坐標(biāo)和實(shí)測出的任意點(diǎn)的坐標(biāo)；②計算模塊，用于計算點(diǎn)線關(guān)系數(shù)據(jù)；③輸出模塊，用于顯示計算結(jié)果，包括剖面線長、沿剖面方向的平距和偏距。

5）程序代碼。

本程序代碼中：第1～6行為輸入模塊，由于測量同一條剖面時會反復(fù)調(diào)用本程序，故第1～4行設(shè)計為在程序代碼中編輯以避免重復(fù)輸入，第 5～6行設(shè)計為實(shí)時輸入實(shí)測的任意點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；第 7～12行為計算模塊，對所需各過程參數(shù)進(jìn)行計算；第13～15行為輸出模塊，實(shí)時輸出成果數(shù)據(jù)。

6）程序使用方法。①將上述代碼輸入或?qū)隒ASIO fx-9860GⅡ型計算器后（對代碼格式稍作修改也可用于CASIO fx-5800等各型計算器及平板電腦等設(shè)備），按“ON”鍵開啟計算器；②按“MENU”進(jìn)入菜單，移動光標(biāo)到PRGM圖標(biāo)，按“EXE”鍵進(jìn)入“Program List””選擇本程序名稱，按“EDIT”鍵進(jìn)入程序代碼，將剖面兩端點(diǎn)的 X、Y 坐標(biāo)分別賦值給“A”、“B”、“C”、“D”（圖4），按“EXIT”保存和退出；③按“EXE”鍵運(yùn)行程序，根據(jù)屏幕提示輸入實(shí)測的任意點(diǎn)的X坐標(biāo)，然后按“EXE”鍵輸入該點(diǎn)的Y坐標(biāo)；④按“EXE”鍵，屏幕顯示剖面長度；再按一次“EXE”鍵，屏幕換行顯示該實(shí)測點(diǎn)到剖面起點(diǎn)的平距（圖5，負(fù)值表示該點(diǎn)為剖面前進(jìn)方向的反方向延長線上的點(diǎn)，小于或等于剖面長度的非負(fù)值表示該點(diǎn)為剖面線上的點(diǎn)，大于剖面長度的數(shù)值表示該點(diǎn)為剖面前進(jìn)方向的延長線上的點(diǎn)）；第三次按“EXE”鍵，屏幕換行顯示該實(shí)測點(diǎn)到剖面線的偏距（負(fù)值為剖面方向的左面，正值為剖面方向的右面）。⑤連續(xù)按兩次“EXE”鍵后根據(jù)屏幕提示輸入下一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行計算。

3 地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量實(shí)用方法的實(shí)際應(yīng)用

2013年7月23日凌晨3點(diǎn)10分，受連續(xù)多日暴雨影響，萬源市向前廣場后山發(fā)生山體滑坡，造成兩名女童被埋，一人受傷，數(shù)間房屋損壞，2217名居民緊急撤離?；掳l(fā)生后，萬源市政府立即啟動應(yīng)急搶險預(yù)案，我隊立即組織精干技術(shù)力量奔赴現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急勘察和指導(dǎo)搶險工作。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)急勘查得知：該滑坡縱向長約170m，橫向?qū)捈s210m，初步推測滑體厚度20～30m，方量約30×104m3，已滑方量約3.5×104m3，若繼續(xù)遭受連續(xù)強(qiáng)降雨天氣，滑坡有繼續(xù)向后緣及兩側(cè)緣大規(guī)模蔓延的可能（圖6、7）。

為科學(xué)、合理的進(jìn)行該滑坡的應(yīng)急勘察和防治方案設(shè)計，急需該滑坡表面的地形數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場形勢十分嚴(yán)峻，滑坡的后緣、前緣及兩側(cè)緣附近地帶均非常危險，測站點(diǎn)難以選擇在剖面線上或剖面延長線上，也無法使用RTK完成剖面測量工作。

面對上述嚴(yán)峻的測量環(huán)境，本人率隊的應(yīng)急勘察測量組立即使用編程計算與免棱鏡全站儀相結(jié)合的剖面測量方法，安全、迅速、準(zhǔn)確的完成了該滑坡剖面測量工作，為該滑坡的應(yīng)急勘察和防治方案設(shè)計提供了急需的測量資料。

4 結(jié)束語

編程計算與免棱鏡全站儀相結(jié)合的剖面測量方法能有效的消除或減弱地形限制的影響，解決由地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性、危險性及難于攀登性所造成的剖面測量難題；程序代碼簡潔精干，運(yùn)行速度快，成果準(zhǔn)確，精度優(yōu)異，便于現(xiàn)場實(shí)時使用；能快速、準(zhǔn)確的為斜坡地質(zhì)災(zāi)害的勘察和防治方案設(shè)計提供所需測量成果數(shù)據(jù)。這種剖面測量方法經(jīng)過在多個地質(zhì)災(zāi)害勘察和防治項目中的實(shí)際應(yīng)用，獲得了良好的使用效果，為解決地質(zhì)災(zāi)害體剖面測量難題提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)用方法。

[1] 張有良．最新工程地質(zhì)手冊[M]．北京：中國知識出版社，2006.

[2] 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范GB/T 18341—2001．中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 全球定位系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)測量(RTK)技術(shù)規(guī)范CH/T 2009—2010．中華人民共和國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).測繪出版社.2010.

[4] 工程測量規(guī)范GB50026—2007．中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．北京：中國計劃出版社，2008.

[5] 張正祿，等．工程測量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005．

[6] 國家測繪局職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心．測繪綜合能力[M]．北京：測繪出版社，2009.