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边坡工程变形监测系统的研究

来源：六九路网

SeriesNo.349金

July　2005

　　属　　矿　　山

METALMINE

总第349期

2005年第7期

・地质与测量・

边坡工程变形监测系统的研究

刘小生

1,2

　罗任秀

(1.江西理工大学;2.同济大学)

摘　要　研究了由计算机控制的带伺服电机驱动的电子全站仪、高精度温度计、数字气压计、光电测距仪、频率校准仪、数据采集与处理等专用仪器和软件组成的边坡工程变形自动监测系统。系统能自动按预先设定时间对多目标进行监测,取得精确距离值,并能用图形实时显示监测点的坐标值及变形值、移动速度等。比较不同时间的测量结果,能快速而准确地发现边坡工程变形问题。关键词　边坡工程　变形　监测ResearchonMonitoringSystemforSlopeEngineeringDeformation

LiuXiaosheng　LuoRenxiu

1,2

(1.JiangxiUniversityofScienceandTechnology;2.TongjiUniversity)

Abstract　Anautomaticmonitoringsystemforslopeengineeringdeformationwasdeveloped,whichconsistsofcom2puter2controlledmotorizedelectronictotalstation,highprecisionthermometer,digitalbarometer,EDMfrequencycalibra2tor,specialsoftwarefordatacollectionandprocessing.Thesystemisdesignedforautomaticmonitoringofmulti2targetsatpre2settime,achievingaccuratedistancedataandreal2timedisplayinggraphicallythecoordinatevalue,deformationvalueanddisplacementvelocityoftheobservedtargets.Theslopeengineeringslopecanbefoundaccuratelyandrapidlybycom2paringthemeasurementresultsatdifferenttime.

Keywords　Slopeengineering,Deformation,Monitoring

　　在矿山开采、电站大坝修建及其它大型土建工

程的建设过程中,形成了一些临时或永久的边坡工程。为了保证工程的正常运营,必须对边坡工程的变形进行监测和计算分析,以便掌握边坡工程变形移动规律和趋势,必要时对边坡工程进行加固,以确保工程的安全运行。

边坡工程的变形监测,分为内部监测和外部监测两种。我国的边坡工程外部监测,目前一般都采用大地测量方法观测,其特点是人工间断监测,观测精度不高,特别是在边坡工程临近滑坡时根本无法进行观测。

随着电子技术和微处理技术的日益发展,全站仪的自动化程度愈来愈高。如徕卡的TCA系列全站仪,具有自动识别目标的ATR(AutomaticTargetRecognition)功能,能自动搜索、照准目标,实现角度、距离的全自动化测量。如何在边坡工程变形监测中应用这类仪器,从而改进传统的变形监测方法、完善传统的变形监测理论、减轻劳动工作强度等已成为我们面临的问题。为此,我们研制开发了基于

徕卡TCA系列的边坡工程变形自动监测系统,并在某矿山边坡工程变形监测中得到了应用。1　系统的构成

边坡工程变形自动监测系统的构成如图1所示。

图1　边坡工程变形自动监测系统

1.1　监测站

根据现场条件,在变形移动区外基岩上建立监

测系统的监测站,以强制对中方式安置自动化全站

3江西省主要学科带头人培养计划项目和江西省教育厅项目联合资助。

刘小生(1963-),男,江西理工大学环境与建筑工程学院,教授,博士后,341000江西省赣州市。

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总第349期　　　　　　　　　　　　金　　属　　矿　　山　　　　　　　　　　　2005年第7期仪(如TCA1800)。为了仪器防护和观测方便,还需专门设计、建造监测站房。在监测站上还需配置数字温度计、气压计、湿度计、光电测距仪、频率校准仪等进行气象改正的专用仪器。1.2　控制机房控制机房一般选在办公区附近,有较好的供电等条件。在控制机房内和监测站房之间埋设专用电缆,实现机房中心计算机和监测站全站仪之间的数据通讯,在控制机房即能实时全面了解监测站全站仪的运行情况。另外,为了保证观测连续,控制机房通过该专用电缆给监测站全站仪提供不间断电源。1.3　基准点

Zp),则P点的变形移动值为

ΔXp=Xp-Xpi0ΔYp=Yp-Yp,

i0ΔZp=Zp-Zp

此时P点的总变形位移值为i

(2)

ΔP=ΔX2(3)p+ΔYp+ΔZp1

　　这样,当进行自动连续观测时,除第一次外,每一次都可以得到1个变形位移值,位移值与测量时间间隔相除可得到移动速度,将它们与相应的边坡工程变形移动临界值比较,如未超限则显示移动变化规律,超限则报警,从而完成边坡工程变形自动监

在变形移动区以外,需建有多个稳定的、建在基岩基础上的基准点,每个基准点上配有一套对准监测站的反射单棱镜。监测站至各基准点的方向与距离要尽量覆盖整个变形监测区。监测站与各基准点之间的已知距离可作为邻边比例法观测距离用。1.4　变形点

根据需要,在边坡工程变形体上选择若干个变形监测点,每个变形点上安置有类似基准点的对准监测站的反射单棱镜。2　系统工作原理

测任务。

3　变形监测软件系统功能及实现

为了实现边坡工程变形自动化监测,作者在Windows2000平台下用VisualBasic设计了变形监测计算机软件系统,该系统具有数据通讯、数据采集、数据处理、数据组织管理等功能,其工作流程及功能模块如图2所示。

边坡工程变形自动监测系统采用计算机程序控制TCA自动化全站仪,每隔一定时间(如10min),按极坐标的方式智能化地实时采集所有基准点及变形点的水平角、垂直角和斜距等测量与仪器状态信息,与此同时用频率校准仪定时测量全站仪精测调制频率,用数字温度计、气压计、湿度计测定气象元素。控制机房内计算机便自动存贮各种数据,并计算出考虑气象、气象代表性误差、尺长、仪器常数、反光镜常数等改正后的精确距离值,从而推算出各变形移动点的三维坐标。

设监测站的坐标为(X0,Y0,Z0),监测站与基准点的起始方位角为α0,变形监测点P的坐标为(XP,YP,ZP);通过监测站全站仪自动测量变形监测点的距离为S,方位角为α,天顶距为Z,则有

αXP=X0+S・sinZ・cos

α,YP=Y0+S・sinZ・sin

ZP=Z0+S・cosZ+i-v

(1)

图2　微机监测软件系统工作流程及功能模块框图

3.1　数据通讯

式中,i为测站仪器高;v为变形点棱镜高。

当进行周期观测时,设首期观测点P点的坐标

000ii

为(XP,YP,ZP),第i期观测点P点的坐标为(Xp,Yp,

为了使计算机控制全站仪测角、测距和自动测量气象元素,必须在计算机中设置各种测量控制参数,并解决计算机与全站仪、计算机与气象元素自动测量装置的数据通讯问题,具体程序设计步骤如下:

(1)寻找并测试计算机与全站仪及计算机与气象元素测量装置相连的串行通讯口,测试不能通过时,则给出相应提示信息。

(2)设置仪器测量控制参数,包括设置仪器测量模式、数据传送格式和单位、仪器补偿器工作方式、仪器加常数、乘常数、仪器后视边方向值以及自动目标寻找和自动目标锁定等功能的设置。

(3)由计算机定时发命令给全站仪,要求仪器自动照准各个不同目标并自动测角和测距。3.2　数据采集

考虑到不同用户、不同监测精度和不同设备条件的需要,设计了多种数据采集方式,如瞄准测量目标时可采用完全人工、人工精瞄和完全自动3种方

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　　　刘小生等:边坡工程变形监测系统的研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005年第7期式;仪器测距时的尺长改正数计算可采用仪器检定时的尺长改正数和自动测量频率两种;自动测频时测频装置的校准由计算机控制,又可采用忽略校准、周期性校准和测量前校准3种方式;气象元素采集可采用不考虑气象改正、请求输入气象元素(人工)和自动测量3种方式。当要求自动监测时,所有数据用自动方式来采集,并自动存贮在数据库中,以便后续计算和分析时使用。3.3　数据处理

在采集数据后,计算机首先计算出各种距离改正数,包括气象代表性误差改正、频率改正、气象改正、仪器常数改正等,其次将观测值加上各种改正后,求出实际边长值,然后由边长、方位角、天顶距按(1)式求得变形监测点的三维坐标值,接下来计算变形监测点的位移量、移动速度,并进行回归分析与预报,最后与设计临界变形值或临界移动速度进行比较,如果超限则报警,与此同时计算结果自动存盘,以便查询或作进一步分析处理。3.4　数据组织管理

数据组织管理窗体模块的主要功能是查询显示、打印原始测量数据与计算处理结果,并以图形和报表的方式显示和打印变形监测点的变形大小和变形移动规律及趋势,以便监测工作者及早采取措施防止事故扩大。3.5　帮　助

系统提供了帮助功能,它可以作为一个模块单独运行。当单独运行时,它显示一个帮助目录并简单介绍本系统的主要功能,操作人员可用鼠标或键盘选择不同的目录项,查看相关项目的详细使用说明。在每一个窗体模块中,操作人员还可以通过按F1功能键获得对该窗体操作方法的说明。4　应用试验及结论

图3　某矿山边坡工程变形监测站点布置表1　变形移动点的三维坐标中误差和点位中误差　mm

误差MXMYMZMPP1P2P3P4P5±1.

±1.±2.±3.5

976±1.±2.±2.±3.4155±2.±1.±2.±3.0

688±1.±1.±1.±2.2

195±1.±1.±2.±2.3

139

　　从表1的试验结果可以看出,TCA1800全站仪测量变形点的X、Y、Z坐标位移量的中误差均在±2mm左右,其点位中误差也不超过±4mm。

通过理论研究和应用实践,可得到以下几点结论:

(1)采用微机控制自动全站仪可实现边坡工程变形监测自动化,即可实现全天候无人值守的全自动、高可靠性变形监测,并可做到监测数据的实时处理与分析、监测结果的报表图形输出等。

(2)自动监测系统在短时间内可完成各变形点三维坐标测量,即可同时获得变形点的平面位移和垂直位移的信息,克服了以往平面位移监测和垂直位移监测分别进行的缺陷。

(3)为了提高自动监测点位精度,除采用精度较高的全站仪外,还可采取措施减少外界条件对测角、测边的误差影响,当然条件允许,可设2～3个站同时观测变形点,从而提高点位精度和可靠性。

(4)自动监测系统不仅可用于边坡工程变形监测,而且可用于大坝、高层建筑物、桥梁等需要重复监测变形的地点。

参

考

文

献

作者用联想微机和TCA1800自动全站仪等设备组成了变形自动观测系统,并用它对某露天金属矿山的边坡工程变形进行了自动监测试验,如图3所示,其中A为监测站点,J1、J2为在基岩上的基准点,P1、P2、P3、P4、P5为矿山边坡工程上的变形移动点。　　根据系统对某矿山边坡工程10d的变形观测结果,经过数据处理统计,各变形监测点的三维坐标中误差和点位中误差如表1所示。

1　孙玉科1中国露天矿边坡稳定性研究1北京:中国科学技术出版

社,1999

2　谭文辉1边坡工程研究中的新理论和新方法评述1有色金属(矿

山部分),2001(1):31～35

3　刘炳文1VisualBasic程序设计教程1北京:清华大学出版社,

2000

4　尹　晖1变形监测数据处理1武汉:武汉大学出版社,20025　张正禄1工程测量学1武汉:武汉大学出版社,2002

(收稿日期　2005205202)

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