边坡治理工程变形监测技术的应用

摘要：近十多年来，地质灾害的研究与治理已逐渐得到社会各界的关注，它不仅仅再是工程界和科学界的事情。地质灾害治理工程立足于防、治结合，以防为主，而监测技术为治理工程提供了重要的资料基础。本文结合某边坡治理工程中的位移沉降监测，介绍了常见监测方法及变形监测技术的应用。

关键词：变形监测；地质灾害；治理工程；技术

变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征。在精密工程测量中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、隧道和地铁等。

1概述

工程范围总体呈的矩形（长边约100米，短边约60米），呈西北到东南分布，地势为西北高而东南低，坡度约30度，高差达20多米。区域最北端治理前塌陷严重，因此为监测重点，中部和南部的塌陷依次递减，随着时间的推移，北中南三处具有变形的代表性，产生沉降和位移可判断整个工程区域的变形情况。

本次监测采用2″级日产索佳SET2Ⅱ全站仪。

2地质灾害治理工程的概述和监测方法

2.1概述

地质灾害治理工程体系是一个反馈体系，它包括区域调查、重点地质灾害勘察、监测、治理工程可行性研究、初步设计和施工图设计、施工、监理与管理等。其中，监测贯穿了从勘查到工程治理效果评价的全过程，而监理与管理则在整个过程都要行使职责.并架起与社会各职能部门联系的桥梁。在此过程中，各个阶段是相互关联的，又是相互反馈的。由于反馈信息，必要的修改是难免的，但它是在研究对象的地质力学破坏机制清楚、工程治理的总体目标确定、设计的技术路线基本科学合理的前提下的调整与优化，不是无原则的“三边”工程或推倒重来。

2.2监测方法简介与对比

2.2.1传统的测量方法

传统的测量方法是使用四等以上精度的水准测量或三角高程测量方法求出待监测点的高程。

(1)水准测量

水准测量是一种利用水平视线直接测高法，测定高差推求高程的精度是较高的，能够很好的满足变形监测的精度需要。可是水准测量方法本身受地形高差起伏的限制，仪器和标尺的精度要求很高，外业工作量大，施测速度较慢，效率不高，特别是危岩灾害体一般都是分布在陡峭的石山上，水准测量的难度非常大，有的根本无法攀爬实施测量。于是，人们采用三角高程测量方法解算危岩等灾害体的滑动、下沉的变形参数。

(2)传统三角高程测量的原理

三角高程测量是一种利用经纬仪间接测高法，它不受地形起伏的限制，且施测速度较快，效率较高。在地形测绘、灾害治理工程、线路工程、管网工程、河道工程等工程测量中得到广泛应用。但三角高程测量方法也有其致命的局限性，其测量精度往往受每次设站测量时仪器高的量取、棱镜高的量取、测站对中误差的联合影响。大大降低了三角高程测量的精度，而且影响了工作效率。

设A为地面已知控制点，B为灾害监测未知点，A点已知高程为HA，HB为未知点高程，由图一可知：HB=HA+hAB。

图1三角高程测量原理图

图中：D为A、B两点间的水平距离；α为在A点监测B点时的垂直角；Ι为测站点的仪器高，L为棱镜高；

V为全站仪望远镜和棱镜之间的高差（V=Dtanα）；

为了讨论问题方便，这里对与设站方法无关的球差和气差的影响不作讨论（实际计算时按规范进行球差和气差的改正即可）。根据图1可得传统三角高程测量在已知点设站监测的基本计算公式：

hAB=V+I-L

HB=HA+Dtanα+Ι-L

2.2.2使用全站仪自由设站新方法进行三角高程测量的原理

随着全站仪的广泛使用，使用跟踪杆配合全站仪测量高程的方法便被人们广泛采用。虽然有先进的全站仪，但在危岩等灾害体高程变化测量工作中，如果采用传统的三角高程测量方法进行测量，依然无法解决精度低、效率不高的局限性。

作者经过研究摸索，提出一种全新的方法进行三角高程测量。这种方法既结合了水准测量的自由设站的特点，又减少了三角高程三个环节的误差来源，因为每次测量时不必量取仪器高、棱镜高、不必仪器对中，不必选择固定点而可以在任意位置设站进行监测，即可求得未知点的高程数据。下面以地质灾害危岩变形监测为例，阐述这种新方法的原理：

图2 自由设站法三角高程测量原理图

如图2所示：我们在与已知点A和未知点B之间的任意位置设站，将棱镜设置在任意高度（只要在监测A和B点时，保持棱镜高度不变，就无需量取棱镜高），不用量取仪器高，不用与控制点对中，不用保留测站点位（下次监测也是随意设站），由图2得：

hAB=D1tanα1+K0-HA-K1=S1*sinα1+K0-HA-K1------------（2）

hAB=D2tanα2+K0-HA-L=S2*sinα2+K0-HA-L--------------（3）

K1=L-hAB------（4）

图2中：S1为斜距（监测值）；α为水平视线至监测点的垂直角；K1为棱镜中心与B点的高度差（过渡值）；L为棱镜高―可以设为常数（LA=LB=L）；

将（4）代入（2）、（5）代入（3）后整理得：

L=S1*sinα1+K0-HA-----------------------------（5）

hAB=S2*sinα2-S1*sinα1---------------------（6）

HB=HA+hAB=HA+S2*sinα2-S1*sinα1---------------------（7）

为了便于直接利用垂直角监测值进行计算，我们将sinα=cos（90-α）=cosLa代人（7）式得：

HB=HA+S2*cosLa2-S1*cosLa1---------------------（8）

La为垂直角监测值。

通过以上公式推导和实例论证，我们从（8）式和实例计算表数据可以看出：

1）自由设站联测已知点A和未知点B，理论推导公式正确无误；

2）计算过程与仪器高无关，所以不用量取仪器高；

3）计算过程与棱镜高无关，所以也不用读取棱镜高；

4）计算公式与自由测站点的三维数据无关，所以更不用与控制点对中；

5）由于每次观测均为任意设站，因此不用保留观测站点位，即可求得未知点B的高程，既可以减少几个环节的工序提高工作效率又可以减少误差提高精度；

3变形监测技术的实施

3.1监测控制网的建立

为了取得高质量的变形监测成果，满足有关部门对工程变形分析的监测数据要求，制定合理并符合有关规范要求的监测方案。

(1)平面和高程监测控制点的布设和选埋

首先在监测区布设3个监测控制点，作为平面和高程监测控制点（平面和高程同点），以满足永安南路地质灾害治理工程监测的变形监测，首级监测控制点为可引入当地基础测绘控制系统的坐标及高程，也可在1：1万地形图选取某点坐标、高程及一条边的方位角，内部按一级精度要求执行。

监测控制点必需选在通视良好、确保点位无沉降、无移位的地方，并且其位置宜于长期保存、便于对监测点的观测。如果选在房上则应将不锈钢测量标志浇注混凝土固定。如选在基岩或山边地基坚实的地方，应采用现场基石打孔，放入不锈钢测量标志浇注混凝土固定。监测控制点编号以N开头，按N1、N2顺序编号。

(2)监测点的布设和选埋

监测点应选在工程区域内最能反映变形的位置上，根据实地的具体情况，北侧重点监测区选埋5个监测点，南侧非重点监测区选埋4个监测点，共选埋9个监测点，编号依次为JC1、JC2、…、JC9。监测点的埋设过程为先在具有变形代表性的岩石上钻孔再放入不锈钢测量标志并用混凝土固定，监测点埋设必需做到与岩石坚固连接，使监测点能真实反映工程区域变形情况。

3.2监测方法

利用当地坐标系统和高程系统的Ⅲ16和Ⅲ17控制点连测得基准点坐标作为起始坐标，采用三联脚架法观测，水平角，垂直角各观测三测回，边长三次读数。设站Ⅲ17定向Ⅲ16测得N1,N2平面坐标和高程.设站N2定向N1分别测得JC1、JC2、JC3、JC4、…、JC9平面坐标和高程，水平角，垂直角各观测三测回，边长四次读数，今后各测站的定向及观测方法不得改变。

3.3监测控制点的施测

(1)平面监测控制点的施测

在监测区内布设一级导级，一级导线测量采用日产2″级SET2BⅡ全站仪，水平角观测三测回，垂直角观测三测回，边长观测三测回，每测回四次读数，边长要加入加常数、乘常数改正，气象数据按《规范》要求测量、记录，并且可直接输入全站仪对边长进行改正，各项限差应满足《规范》中各项要求。

(2)高程监测控制点的施测

采用三角高程测量方法联测监测点。采用日产2″级SET2BⅡ全站仪，垂直角对向观测三测回，边长观测二测回，每测回三次读数，垂直角测回差及指标差较差不大于7″，垂直角要加入地球曲率与大气折光的改正（K值取0.14），仪器高、觇标高量至毫米，往返高差较差小于±40√D（D为公里）mm。

3.4监测点的变形监测期

监测点的变形监测期暂未确定，12月下旬起每半个月监测一次，春节前计测3次，以后根据工程监测点的变形情况另行确定。监测过程中有突发性变化，出现异常时，要及时通知甲方采取必要的措施，是否延长观测期或加密观测次数，视变形监测数据分析后再由甲方决定。变形观测中除特殊情况外，仪器和人员不得变动，以消除人为和仪器的观测误差。

3.5监测点位移监测、沉降监测

监测点的位移监测采用极坐标法测得每个监测点的平面坐标，本项目采用日产2″级SET2BⅡ全站仪进行观测，水平角、垂直角以及边长的观测分别执行《城市测量规范》（CJJ8-99）和《建筑变形测量规程》（JGJ/T8-97）的相应规定。为了提高监测精度，观测次数适当增加，具体观测要求为：水平角采用方向法观测三测回，垂直角观测三测回，边长观测四测回，每测回三次读数；气象数据按《城市测量规范》（CJJ8-99）中一级精度要求测量、记录，并且可直接输入全站仪对边长进行改正，并加入仪器检定的加常数、乘常数改正。

各次沉降监测采用光电测距三角高程代替四等水准测量，光电测距三角高程测量采用日产2″级SET2BⅡ全站仪，垂直角对向观测三测回，边长观测二测回，每测回三次读数，垂直角测回差及指标差较差不大于7″，垂直角要加入地球曲率与大气折光的改正（K值取0.14），仪器高、觇标高量至毫米，往返高差较差小于±40√D（D为公里）mm。

4结语

在以后的工作中只有加强地质灾害监测的科学研究、地质环境的调查、评价和地质灾害预测预报，并积极采用新技术、新方法和新工艺，才能达到提高监测技术水平，防患于未然。

参考文献：

[1]《城市测量规范》（CJJ8-99）

[2]《建筑变形测量规程》（JGJ/T-8-97）

[3] 变形监测新方法及其应用.科学出版社.2007-6-1