殷 康，宋振聰，杜 藏，覃衛(wèi)民

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽市471700；2.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北省武漢市 430071）

0 引言

抽水蓄能電站在建設(shè)期間，山區(qū)的滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，同時由隧道、高邊坡及高填筑等工程施工也有可能引發(fā)工程災(zāi)害，嚴重影響著抽水蓄能電站工程的安全。由于工程施工或地質(zhì)災(zāi)害的原因，巖土體會出現(xiàn)一定的變形，當變形增大并超過預(yù)警值后，就會危及工程結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全。因此，必須對巖土體及被保護對象實施安全監(jiān)測，掌握監(jiān)測對象的變形歷程，以保障被保護對象的安全。

表面變形是巖土工程穩(wěn)定性的重要指標，在工程建設(shè)期間，通過測量監(jiān)測對象的三維位移，獲得監(jiān)測周期內(nèi)監(jiān)測點的位移總量及階段性位移速率，通過與監(jiān)測控制標準值比較，用來評價監(jiān)測對象的安全性，以保證工程施工安全及運行期安全[1]。

在巖土工程安全監(jiān)測中，通常采用高精度全站儀（或經(jīng)緯儀）測量監(jiān)測對象點位的三維坐標，通過比較在不同監(jiān)測時間同一坐標系中的三維坐標，就能得到監(jiān)測對象點位的三維位移變化情況[2-3]。

《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016）對地基基礎(chǔ)、邊坡、基坑、管線、地下工程設(shè)施、城市基礎(chǔ)設(shè)施等工程給出了不同的測量等級及精度指標，幾乎涵蓋巖土工程安全監(jiān)測范圍。

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016），邊坡變形監(jiān)測的測量等級屬于二、三等，其中二等位移測量適用于重要邊坡工程，其監(jiān)測點坐標中誤差為3mm；三等位移測量適用于一般邊坡工程，其監(jiān)測點坐標中誤差為10mm。

現(xiàn)場測量工作存在的誤差主要有系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的主要原因是儀器的制造、安裝或使用方法不正確，環(huán)境因素影響，測量原理中使用的近似計算公式，測量人員不良讀書習慣等。而隨機誤差主要由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的因素共同造成，如空氣擾動、大地微震、測量人員的感官的無規(guī)律變化等[4-5]。

減小和消除系統(tǒng)誤差的方法主要有[6]：①從產(chǎn)生誤差根源上消除系統(tǒng)誤差；②用修正方法消除系統(tǒng)誤差。

從已有研究報道中看，無論高精度全站儀（或經(jīng)緯儀）技術(shù)或攝影測量技術(shù)在現(xiàn)場測量應(yīng)用中的精度為毫米級精度，測量精度與儀器等級、氣象條件、人員素質(zhì)有關(guān)，若在降雨、霧霾、復(fù)雜地形、復(fù)雜工程現(xiàn)場等條件下的測量精度會更低。一些研究人員也開展了測量誤差分析研究，并結(jié)合實際情況給出一些誤差修正辦法[7-10]。

為減小現(xiàn)場測量的誤差，有必要研發(fā)一種三維位移測量標定技術(shù)，能提高現(xiàn)場測量精度，滿足現(xiàn)場位移監(jiān)測要求。在國網(wǎng)新源公司科技項目《河南洛寧抽水蓄能電站在大數(shù)據(jù)條件下抽蓄電站工程災(zāi)害體預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)服務(wù)》的支持下，項目研究人員提出一種基于光學測量的表面變形誤差修正方法，根據(jù)本方法已向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請專利。

1 三維位移校正系數(shù)測量方法

該技術(shù)方法如下：首先通過高精度的機械加工方式，研制出一臺標定架，在該標定架上設(shè)置若干個既定距離的標志點，將標定架放置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)（如邊坡、基坑、建筑物等），通過現(xiàn)場測量標志點的坐標或兩者之間的距離，將測量值與真值（前述既定距離）的比值作為該次現(xiàn)場測量的校正系數(shù)，通過該校正系數(shù)可以對本次在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的測量結(jié)果進行修正，從而提高位移監(jiān)測精度。

1.1 三維位移標定架

該三維位移標定架由底板、立板、螺桿、標定棒組成（見圖1）。其中，立板上刻畫了若干個圓孔，該圓孔與標定棒的直徑匹配。標定棒可插入立板中的圓孔，在其端面設(shè)置一個十字中心作為監(jiān)測標志點的測量中心。標定棒上設(shè)置若干刻痕組，刻痕組之間的中心距為20mm，每一對刻痕的距離與立板的厚度相等，因此可以把立板置于每一對刻痕中實現(xiàn)精確定位。

圖1 標定架結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）（a）正視圖；（b）俯視圖Figure 1 Calibration frame structural diagram

1.2 實施方法

將標定棒若干放置于在立板上不同的圓孔中，采用全站儀或近景攝影測量方式，可以得到立板上任意兩只圓鋼棒的坐標或相對距離，從而計算出立面直角坐標系中兩個相互垂直方向的校正系數(shù)（見圖2）；在垂直立面的方向上，通過移動標定棒在圓孔中的位置，可以得到垂直立面方向的測量值（見圖3），從而可以計算出該方向的校正系數(shù)。

圖2和圖3中，A、B、C分別為三根標定棒的中心點，XA、XB、XC、YA、YB、YC、ZA、ZB、ZC分別為這三點的三維坐標，∣XA-XB∣為A、B兩點在X方向上的測量距離（單位為mm），XAB、YAB、ZAB分別為A、B兩點在X、Y、Z方向上的既定距離。

圖2 X、Y坐標系下的測量示意圖（單位：mm）Figure 2 Measurement sketch in X-Y coordinate system

圖3 Z、Y坐標系下的測量示意圖（單位：mm）Figure 3 Measurement sketch in Z-Y coordinate system

則X方向上的校正系數(shù)為：

同理，Y方向上的校正系數(shù)為：

在Z方向上，∣ZA-ZB∣為A、B兩點的測量距離（單位為mm），A、B兩點在Z方向上的既定距離為ZAB，則Z方向上的校正系數(shù)為：

由此可見，通過測量兩根標定棒中心的坐標，可以計算出標定架所在區(qū)域直角坐標系X、Y、Z三個方向的校正系數(shù)，這是最簡單的做法。

為進一步提高現(xiàn)場測量精度，可考慮增加標定棒的數(shù)量，分別計算每兩根標定棒之間得出的校正系數(shù)，再取其算術(shù)平均值作為本次測量的校正系數(shù)。

由于一般場地的邊坡監(jiān)測及基坑監(jiān)測適用于三等位移測量，其監(jiān)測點坐標中誤差為10mm，其極限誤差為兩倍中誤差20mm，而工程上常用標稱精度為2＂、2mm+2ppm的全站儀可以滿足測量儀器要求，因此認為可以僅對測量結(jié)果的厘米及毫米位數(shù)進行修正，分米及米位數(shù)的測量結(jié)果是可靠的。將該校正系數(shù)乘以分米位數(shù)以后數(shù)值進行修正，從而得到該次監(jiān)測點坐標的修正值，用于測量數(shù)據(jù)整編處理中。

2 現(xiàn)場試驗

在洛寧抽水蓄能電站業(yè)主營地區(qū)域有一處五級邊坡，高度40m，屬于土質(zhì)邊坡，邊坡坡比從上至下依次為1:1.75、1:1.75、1:1.5、1:1.5、1:1.5，邊坡高度每8m設(shè)置2m寬馬道。為增加邊坡整體穩(wěn)定性，采取C25混凝土網(wǎng)格梁支護, 錨桿鋼筋直徑25mm（HRB400級），長度6m，鉆孔直徑90mm。

2019年3月下旬對業(yè)主營地邊坡采用全站儀進行測量試驗，試驗期間該邊坡已經(jīng)開挖形成，處于網(wǎng)格梁施工狀態(tài)。將標定架設(shè)置在邊坡4號監(jiān)測點（圖4紅色方形影像物）旁。在測量前，采用水平尺對標定架進行調(diào)節(jié)，確保標定架的底板處于水平狀態(tài)。

由于現(xiàn)場施工作業(yè)及來往車輛干擾原因，僅采用一固定測站進行試驗。

圖4 現(xiàn)場測量試驗的標定架Figure 4 Calibration frame for field measurement experiment

在本次試驗中，設(shè)置了A、B兩根標定棒（見圖5，上方為A點，下方為B點），在直角坐標系三個方向上的既定距離XAB、YAB、ZAB分別為100mm、100mm、20mm。本次試驗建立局部坐標系，對邊坡某上一監(jiān)測區(qū)域的三次測量結(jié)果及校正系數(shù)計算結(jié)果見表1~表3。

表1 X方向測量及計算結(jié)果Table 1 X-direction measurement and calculation results

表2 Y方向測量及計算結(jié)果Table 2 Y-direction measurement and calculation results

表3 Z方向測量及計算結(jié)果Table 3 Z-direction measurement and calculation results

由表1~表3可以看出，該次測量試驗在區(qū)域直角坐標系X、Y、Z三個方向的校正系數(shù)分別為0.947、0.957、1.183。

同一時段對4號監(jiān)測點（見圖5）進行測量的坐標為（267.608， 327.529，426.223），根據(jù)以上計算的校正系數(shù)，得到4號監(jiān)測點經(jīng)修正后的各方向坐標值如下：

即4號監(jiān)測點的修正坐標為（267.608，327.528， 426.227），將用于測量數(shù)據(jù)整編處理。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測點布置示意圖Figure 5 Schematic layout of site monitoring points

3試驗分析及展望

現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，在固定測站條件下，將標定架分別放在4號點與以及邊坡馬道另一側(cè)的7號點，測量得到的校正系數(shù)相差較大，主要表現(xiàn)在X向和Z向。分析認為影響因素有方位角和測量距離。

在固定測站條件下，將標定架分別放在4號點及其上方的1號點，測量得到的校正系數(shù)相差較大，主要表現(xiàn)在Y向和Z向。分析認為影響因素主要與測量仰角有關(guān)。

由于現(xiàn)場施工條件限制，本次試驗未能找到滿意的測站架設(shè)地點，因此受測量距離、方位角、測量仰角等因素制約，將在下一次試驗中繼續(xù)完善，以減小測量誤差。

另外，本次試驗是在較強陽光下進行，標定棒上粘貼反射片的十字中心受到強光干擾，致使測量鏡頭對中照準存在一定的誤差，將進一步研究標定棒的視覺背景及材料優(yōu)選，以減小對中照準帶來的人為誤差。

目前采用標定架修正只適用于所處區(qū)域一定范圍，而這個范圍的確定與測量距離、方位角、測量仰角等測量參數(shù)有關(guān)，還有待開展進一步工作。

在采用標定架修正方法時，可以考慮對標定架上的標定棒做多次測量，取其算術(shù)平均值作為所處區(qū)域本次測量的校正系數(shù)。

擬在下一階段工作中，通過實施上述測量參數(shù)的測量試驗，獲得一定數(shù)量的試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分析方法建立多參量數(shù)據(jù)模型[11]或經(jīng)驗公式，用以指導(dǎo)現(xiàn)場邊坡監(jiān)測工作。

采用光學儀器測量的表面變形精度與儀器等級、氣象條件、工作環(huán)境、人員操作等因素有關(guān)，采用基于標定架的誤差修正方法將上述因素綜合考慮進行誤差修正，將在一定程度上提高測量精度，有可能間接提升測量儀器等級，從而節(jié)約測量成本投入。

4 結(jié)束語

(1) 基于光學測量的表面變形誤差修正方法的特色在于：首先研制一臺三維位移標定架，通過測量標定架上監(jiān)測標志點的坐標或距離，計算該次現(xiàn)場測量的校正系數(shù)，最后將校正系數(shù)對本次測量結(jié)果進行修正。

(2) 現(xiàn)場試驗表明：目前采用標定架修正只適用于所處區(qū)域一定范圍，而這個范圍的確定與測量距離、方位角、測量仰角等因素有關(guān)。

(3)宜采用校正系數(shù)的算數(shù)平均值來修正測量結(jié)果。