向明明++李曦凌

摘要：在各類基礎項目施工中，需要對一些高邊坡地形進行測繪工作，數(shù)據(jù)的準確性直接影響了建設工程的質(zhì)量。對于高邊坡的測試方法較為常用的是，在高邊坡附近設立一個固定的觀測基點，進而實現(xiàn)對高邊坡的變形監(jiān)測；相對而言，這種環(huán)境較為理想，但在城市或其他視線遮擋物較多的情況下，則很難實施。通視條件和場地的限制導致觀測點距離高邊坡越來越近，很容易受到影響，從而導致數(shù)據(jù)的準確性不足。本文以下針對高邊坡變形對固定觀測基點影響的分析，以提高觀測精度為研究目的，闡述全站儀坐標差分法的有效應用措施。

關鍵詞：全站儀；高邊坡；變形監(jiān)測；差分方法；應用方法

1.前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展趨勢的逐漸平穩(wěn)，各項社會基礎設施建設也進入了完善階段，特別是在城市發(fā)展的過程中，空間的不斷擴展客觀上與自然環(huán)境發(fā)生了一系列的沖突。例如，在城市周圍的高邊坡工程項目越來越多，其中涉及一些水利水電、農(nóng)業(yè)灌溉等中小型工程，既對城市的發(fā)展有很大的推動作用，但同時也存在一些地質(zhì)災害的潛在威脅，就成了城市管理者和項目設計者共同要面臨的問題。

邊坡屬于一種常規(guī)的工程項目，在交通、水利等設施中較為常見，一般為土石結(jié)構(gòu)，是一種必要的建筑防護體系構(gòu)成。就現(xiàn)實情況分析，影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，要預防邊坡危險的方案卻沒有系統(tǒng)的總結(jié)。一方面和不同的地質(zhì)環(huán)境差異存在關系，沒有固定的規(guī)律可循，另一方面，很難構(gòu)建一個理論模型用于精確地計算邊坡變形量，其工作量與實際的施工過程存在很大的矛盾。因此，目前只有對高邊坡當前可以進行變形監(jiān)測，并將這一方面的檢測數(shù)據(jù)準確、及時地提供給監(jiān)測部門，進而確保設計人員可以正確地進行高邊坡的現(xiàn)狀分析，確保高邊坡及周圍建筑物的安全。

全站儀即全站型電子測距儀（Electronic Total Station），是一種功能優(yōu)越的電子測距儀，集合了光、電、機等技術于一體，可以進行水平角、垂直角、平距、斜距等多種測試工作，是目前施工測繪中廣泛替代經(jīng)緯儀的設備。利用全站儀工具，便于實現(xiàn)常見的變形監(jiān)測工作，通常的執(zhí)行方法是：在高坡場地附近選擇并設置固定的觀測基點，然后從觀測基點的位置上利用全站儀對監(jiān)測點進行檢測。在此，筆者需要強調(diào)的是通視條件不佳狀態(tài)的環(huán)境中，高邊坡工程和其他工程的觀測區(qū)別及特點：

第一，在距離高層建筑物或結(jié)構(gòu)物的較近的前提下，由于承受荷載較大，邊坡的變形程度對周圍建筑物的影響也較大，對地面的影響范圍也很大。

第二，邊坡的位置如果在建筑物的后側(cè)，由于場地狹小視野不清，會導致變形觀測的環(huán)境條件更加惡劣。因此，在觀測的過程中要避免高邊坡變形對檢測基點的外在影響，通過一定的變通手段（如人工建設高層觀測基點），確保檢測基點與變形區(qū)域遠離。

第三，在通視條件無法改變的前提下，為了提高測試的精確度，監(jiān)測基點要盡量向前靠近監(jiān)測點。但這種方式在實際操作中很難實現(xiàn)，因為原本就存在客觀環(huán)境中的矛盾。

根據(jù)以上的分析，筆者提出利用全站儀設備，采取自由設站并結(jié)合坐標差分的方式來實現(xiàn)高邊坡的測量，包括對水平位移和沉淀位移的變形監(jiān)測。

2.差分方法原理分析

“差分法”是一種數(shù)值解析法，簡單地說，就是利用微分原理來實現(xiàn)有限差分的代替，把導數(shù)用有限商代替，從而實現(xiàn)基本方程的構(gòu)建和邊界條件的設定。關于原理方面的理論分析較為抽象，但在應用中不需要考慮這些內(nèi)容。“差分法”的實際應用中，即針對比較兩個分數(shù)大小的過程中，用“化等法”或其他速算的方式來實現(xiàn)的一種數(shù)學技巧，以下針對詳細的應用進行說明。

2.1沉降位移

沉降即垂直方向的變形變化，在沉降變形的觀測中，只需要通過監(jiān)測點的相對位移改變即可。換句話說，觀測的過程中可以假設一個基準點（現(xiàn)實中可以存在）的高程，然后利用全站儀，結(jié)合坐標測量的方式獲取不同監(jiān)測點的高程和高程差分值。

很顯然，這其中包括一個高程的數(shù)值集合，如H1、H2、H3……Hn，觀測點的位移測量變化利用H1、H2、H3……Hn表示。為了減小不同次的觀測誤差對差分的影響，利用第一次觀測的數(shù)據(jù)和第n次觀測的數(shù)據(jù)對比，得到基準點的高程差分值，進而利用計算公式和比例系數(shù)λ進行帶入計算，可以得到相應的比例系數(shù)。需要注意的是，以基準點的初始化體系中，高程與高程差分值是數(shù)據(jù)采用間接平方的方法得到的，這樣可以進一步忽略其沉降位移的誤差性。

2.2水平位移

筆者通過設置基點來做進一步的說明：首先，選擇三個穩(wěn)定的基點G1、G2、G3，在遠離變形區(qū)的地面或者相對穩(wěn)定的建筑層上，按照要求實現(xiàn)與測站點S的通視條件，維持完好；監(jiān)測點的位置1#2#3#4#5#……n#可設置在高邊坡的擋墻頂部，S的各站點（號）第一次與觀測點和第i次觀察的觀測站點，與現(xiàn)場條件的影響不發(fā)生沖突，即S任何一個站點（號）不會發(fā)生交叉、重合。在進行第i次觀測的過程中，在測站點Si設置全站儀，并假定一個坐標和后視方向，然后利用坐標的測量方法來推算出基點和觀測點的坐標：

（X，Y）=xG1yG1xG2yG2xG3yG3x1y1x2y2……xnyn

相對應地，坐標差分值應該為：

（ΔX，ΔY）i=ΔxG1G2ΔyG1G2ΔxG21ΔyG21Δx12Δy12……Δx（n-1）nΔy（n-1）nΔxnG3ΔynG3ΔxG3G2ΔyG3G2

由此，利用算出的坐標差可以計算出第i次觀測的各點在初始坐標系中坐標。以基準點在初始坐標系中的坐標和坐標差為已知數(shù)據(jù)采用間接平差的方法平差，就可以獲得各個點的變形位移量；相對而言，水平位移的觀測在高邊坡的數(shù)據(jù)體系中更加重要，所需要的觀測流程也更加復雜，如在第i次觀測的

坐標系夾角，即為第一次觀測的后世方向與第i次觀測時產(chǎn)生的夾角，而這一算法的遞增為i+1次、i+2次……等等，最后引入第i次坐標旋轉(zhuǎn)形成的坐標差。endprint

3.誤差分析判斷

相比于傳統(tǒng)的測量工具經(jīng)緯儀等設備，全站儀坐標差分法在進行監(jiān)測的過程中形成的誤差較小，對觀測結(jié)果不會構(gòu)成過大的影響，可以防止產(chǎn)生誤差的因素。利用全站儀進行監(jiān)測，避免觀測效果影響的優(yōu)勢如下。

第一，不需要額外設置專門的固定檢測基站，在進行測繪的過程中，也可以很好地避免邊坡周圍的物體對檢測基點的影響，如高層建筑、結(jié)構(gòu)物、樹木等。

第二，觀測點的位置是可以自由選擇的，這就給通視條件帶來了很大的便利，同時也省去了全站儀安置中造成的認為誤差。

第三，在監(jiān)測點上設置棱鏡強制安置螺絲，如果某一個測站點距離監(jiān)測點的距離更加合理，就更加有利于減小目標偏移，并減弱觀測成果的影響。

第四，利用三角高層測量的原理更加便捷。在觀測高程的過程中，H測=H站+S tanτ+i-v+f，其中，S為水平距離，τ為豎角，i為儀器高，v為目標高，f為球氣差。很顯然，兩點之間的高程差與測站點的高程、儀器不存在必然關系，這樣就避免了測量儀器的誤差提高了精度。

第五，在使用全站儀差分法的測量中，由于最終有價值的數(shù)據(jù)是“差分數(shù)據(jù)”，因此對觀測中的變化數(shù)據(jù)要求并不明顯，但要做到相對性和一致性。如，在進行第1次觀測的過程中，要進行多次反復測量，并取第一次觀測的數(shù)值，如此反復展開進行。

4.結(jié)束語

總體來說，隨著我國城市化的發(fā)展以及各項社會基礎設施的建設，對于高邊坡變形的測試是一項重要工作，基于這一應用展開新的技術討論，可以有效提高觀測精確度、減少人工架設測站的次數(shù)、降低觀測成本，并且實用性很廣，具有很好的推廣價值。

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