TCA2003在高邊坡變形監測中的應用

肖火云

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

邊坡監測的意義在于提供邊坡位移和變形等變化規律，判斷邊坡的穩定性，預測邊坡變形發展趨勢，當出現異常時，及時采取加固措施，以確保邊坡安全。通常來說，在多種變形監測的方法中，極坐標法和前方交會用最多，現階段用全站儀和GPS直接測量變形點的三維坐標方法用來滑坡監測的應用較多。

TCA2003全站儀是自動化測量儀器,擁有了機動馬達、CCD影像傳感器并配有Monitor軟件的智能型電子全站儀，能夠通過主動尋找、辨別并精確照準、觀測目標，從而得到目標的距離、角度與三維坐標，并且能夠自動記錄數據，且數據精度能夠達到測距±(1mm+1PPm)、測角0.5″，最大可能地降低了人的參與度，減少人工誤差，因此又稱為高精度測量機器人。TCA2003全站儀因其高精度、自動化的優勢，現被普遍應用于滑坡及大壩變形監測、特大型橋梁結構監控、地鐵隧道結構監控等精度要求較高的工程測量中。高邊坡具有較大的危險性，需在施工和運營期間，對其進行連續性觀測，在邊坡出現危險情況時，需要及時預報。本文主要對南平某高邊坡采用TCA2003從施工階段到運營管理階段進行連續一年的監測，通過分析邊坡累計位移和累計沉降觀測數據，得出邊坡的穩定性分析結果。

1 測量原理

1.1 極坐標差分法基本原理

將監測網的參考基準點設立在觀測目標變形的影響區域外穩固的位置，變形點布設在需監測的變形體上。根據極坐標的原理，在每一個監測周期觀測并得到參考基準點和變形點的水平角、斜距以及天頂距，先將前者的測量值和其在設點時得到的值對比，得到由于儀器、大氣與溫度等偶然誤差值，然后將其和變形點的觀測值疊加，得變形點的真實坐標。具體來說，極坐標差分法變形網由參考基準點、儀器架設點以及變形點3點組成，通過在儀器架設點架設全站儀，觀測參考基準點和變形點的棱鏡，得到兩點各自的變形值，并且對兩點進行周期性的監測。通過每次得到的變形值，計算得出變形體的變形趨勢，從而對變形體的安全穩定性進行分析，并得出結論[1-2]。

1.2 中間法三角高程測量基本原理

中間法三角高程測量，顧名思義就是在兩目標點A、B之間大致中間位置上架設全站儀，類似于水準測量，通過觀測A、B兩點上架設的棱鏡，得到A點、B點與觀測點的高差h1和h2，類似于傳統三角高程測量，由此計算得到A點與B點之間的高差為：

hAB=h2-h1

圖1 中間法三角高程測量原理圖

在高邊坡監測中，沉降監測較危險及繁瑣，為減少工作量，可以用中間法三角高差測量代替水準測量，其觀測精度可以與水準測量相當[3]。通過計算監測點和基準點的高差，與以往的周期性高差比較，得到各個監測點的沉降變化量。對其沉降數據進行分析，得到其沉降變化規律。

2 實例分析

某高邊坡為平整建設用地時形成的人工邊坡，高度10m～46m。場地切坡后的坡面主要出露素填土、坡積粉質粘土、全風化粉砂巖、土狀強風化粉砂巖、碎塊狀強風化粉砂巖、中風化粉砂巖。邊坡支護結構采用框架-錨索支護，網格內植草護面。邊坡抗震防烈度為6度，加速度0.05g，安全等級為一級，重要性系數r=1.1。邊坡支護的設計使用年限為50年。

由于該邊坡較高，普通的位移測量方法和水準測量較難進行。該邊坡監測采取極坐標法進行位移監測，中間法三角高程測量進行沉降監測。基準點和工作基點采用強制觀測墩埋設在屋面或基巖上，變形監測點采用萊卡小棱鏡永久埋設在邊坡的坡頂上。變形監測點位分布圖如圖2所示。A、B、C、D四點為穩定區域，構成工作基點網，101～118為變形監測點。A、B、C、D四點建立獨立的平面坐標系，坐標原點為工作區域的西南角，X軸方向平行于邊坡走向，Y軸方向垂直于邊坡走向。首先對工作基準網進行觀測，求得A、B、C、D四點的平面坐標。高程基準以A點高程為基準，求得B、C、D三點相對于A的高差。

圖2 點位分布圖

基準點的穩定在位移和沉降觀測中非常重要，在進行測量之前，對4個工作基點進行了3次高精度觀測，4個基準點相互驗證。在觀測過程中，若發現工作基點發生形變，則根據精度要求進行加測，選擇最穩定的點作為位移和沉降觀測起算點。

然后，將全站儀分別架設在A、B、C三個基準點，采取分組多測回的方法，測得各個監測點的平面坐標以及與A點的高差值初始數據。

每次觀測采用多測回的方法，觀測2測回，保證測角中誤差在0.5″之內。將每次的觀測得到的平面坐標以及與A點的高差值求得平均數據后，與初始數據相比，得到各個變形觀測點的平面坐標及高程的變化值。△y為各個變形監測點的水平位移量，△h為各個變形監測點的沉降量。

為從整體上進行合理分析該邊坡的變形情況，本文對所布設的18個變形觀測點的近一年觀測資料，進行了累計位移及累計沉降分析，得到各變形觀測點的累計位移和累沉降量的范圍及曲線圖。邊坡監測期間，邊坡變形觀測點累計位移為-6.80mm～4.95mm，邊坡累計沉降為-5.35mm～11.00mm，變形觀測點累計位移及累計沉降曲線圖如圖3～圖4所示。

圖3 邊坡監測點累計位移成果圖

圖4 邊坡監測點累計沉降成果圖

此邊坡經過一年的觀測，從邊坡的累計位移及沉降曲線圖可以看出，邊坡的總體變形較小，邊坡的位移及沉降速率逐漸變小，邊坡的變形趨于穩定。由此可以得出，此邊坡現階段已處于穩定狀態。

3 結論

(1)通過分析累計沉降和累計位移曲線圖，可得出邊坡的變形已趨于穩定。運用TCA2003在邊坡施工進行監測，可以指導施工，確保施工的安全，邊坡施工完成后繼續進行監測，掌握了邊坡在運營期間的變形情況。由此可以得出，TCA2003用于高邊坡的位移及沉降監測是真實有效的。

(2)TCA2003的高精度性和自動化的特點，使其在邊坡監測中得到廣泛的應用。所用的方法滿足監測的精度要求，采用極坐標法作水平位移監測，中間法三角高程作沉降監測，可使監測工作基點布點靈活,且工作量大為減少, 該方法簡便、省時、效率高，尤其在邊坡發生險情需連續監測時，具有迅速獲得監測成果的優勢。