非接觸位移測量和CAD矢量分析在高陡巖質邊坡中的應用

2011-02-05 00:38:34周波

四川建筑 2011年1期

關鍵詞：測量

周波

(中鐵西南科學研究院，四川成都610031)

坡表位移變化是高陡巖質邊坡失穩(wěn)前最直接的征兆之一，跟蹤坡表位移是分析邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的有效方法之一。然而高陡邊坡往往不具備常規(guī)接觸測量所需要的空間要求，從而尋求一種具備高效、準確、無損傷特征的非接觸位移測量方法極為重要。

非接觸測量技術是以光電、電磁等技術為基礎，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。基于全站測量的激光三角法是非接觸位移測量的典型方法［1］。

位移測量的原始數(shù)據(jù)主要是坐標形式(絕對坐標或相對坐標)來體現(xiàn)，利用CAD強大的矢量分析功能獲取目標點的位移矢量特征，為邊坡穩(wěn)定性分析提供科學依據(jù)。

1 非接觸位移測量技術原理

測量坐標系由高斯平面直角坐標系和高程系統(tǒng)兩部分組成［2］，高斯平面直角坐標系與數(shù)學坐標系的差異主要表現(xiàn)在象限排列順序不一樣。

如圖1所示，已知兩不動點A、B和可動點C構成一個空間三角形ΔABC，其中點A1、B1、C1為點A、B、C在測量坐標系中OXY平面L上的投影，點A2、B2為點A、B在直線CC'上的投影(點A、B、C與OXY平面的相對位置關系有多種可能，圖1僅列舉其中一種作為示意作用)。某一時刻時，在任意測量坐標系中該三角形ΔABC中點C與點A、B的相對位置是固定的，因此，在全站測量過程中測量坐標系可隨意選擇(全站測量時，每次只需將全站儀整平即可，不需強制定向);然而點C可動，則在下一時刻，三角形ΔABC中可動點C與固定點A、B的相對位置將發(fā)生微小變化，該時刻與點C相對應的為點C'，矢量即為所求。

假設在t0時刻，在測量坐標系OXYZ中點A、B、C對應的坐標為(xA、yA、hA)、(xB、yB、hB)、(xC、yC、hC);在t1時刻，在測量坐標系O'X'Y'Z'中點A、B、C對應的坐標為記任意時刻，Lij(i≠j，且i=A、B、C，j=A、B、C)為點i、j之間的距離，ΔHij為點i、j之間的高差(ΔHij＞0時，點i比點j高，反之則低);則有:

需要說明的是:因點A、B是固定點，則LAB是個定值，只需求解一次，不同時刻下LAB值可相互校核，確保測量精度。

根據(jù)t時刻對應的Lij和ΔHij便可確定空間三角形ΔABC中可動點C與固定點A、B的相對位置。

圖1 測量坐標系中測量三角形示意圖

2 CAD位移矢量分析技術

計算機輔助設計(CAD－Computer Aided Design)具有強大的三維作圖功能，在已知各點坐標情況下，通過直線命令操作，將空間三角形ΔABC圖形化，使得位移測量結果及時轉化為矢量圖，更加直觀。

將測量坐標系中的空間三角形ΔABC在CAD工作空間中實現(xiàn)圖形化的過程中約定如下:

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(1)固定點A、B不動(LAB為定值)，僅點C可動;

(2)點C比點A、B高且在矢量左上側;

(3)在CAD工作空間中點A坐標(0，0，0)，點B坐標，亦即矢量在過點A的水平面上的投影為CAD工作空間坐標系中的X軸正方向。任意ti時刻，在測量坐標系中點Ai、Bi、Ci對應的坐標為，與之相應的均為已知，且和可作為校核項，由圖1可知點C在CAD工作空間中的坐標為:

值得一提的:CAD工作空間采用數(shù)學坐標系，與測量坐標系在象限順序上有差別。

用line命令即可實現(xiàn)不同時刻點C的位置(t1時刻對應C'，t0時刻對應C)，確定相應的空間三角形ΔABC和ΔABC'，矢量'即為所求;用dist命令即可求得矢量在CAD工作空間中位移分量［3］。

3 工程實例

3.1 工程概況

在建的貴州省六盤水至盤縣高速公路松河隧道(六盤水端)從一近直立的、高約50 m的中風化的灰?guī)r巖質邊坡坡腳進入山體，該巖質邊坡豎向裂隙發(fā)育，豎向裂隙中常伴有矮小灌木發(fā)育。

2010年7月7日，該隧道右線洞口正上方近直立邊坡中部出現(xiàn)僅水平狀的裂縫，可見該坡體出現(xiàn)變形，存在潛在的再次崩塌的可能，極大威脅隧道施工人員的生命安全。為及時掌握該巖質邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，7月10日起，開始開展位移測量工作。

3.2 位移測量技術要點

該類灰?guī)r巖質高陡邊坡沿豎向結構面滑塌主要發(fā)生剛性位移，通過及時跟蹤坡表指定點位移即可掌握其滑移狀態(tài)是可行的。根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行該邊坡坡表位移測點布置［4］。

在離該邊坡一定距離范圍內按照一定規(guī)則確定兩個固定點A0、B0作為測量基準點，直線A0B0與該邊坡走向近平行狀態(tài)，該邊坡上布置的1#～6#點可分別與點A0、B0形成相應的空間三角形，通過實測數(shù)據(jù)便可分析1#～6#點的位移情況。

3.3 位移測量成果

將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)輸入CAD分析系統(tǒng)時，按照相關約定所采用的數(shù)學坐標系定義如下:矢量在過A0的水平面上的投影分量為X軸正方向，將X軸正方向繞A0在過A0的水平面上逆時針旋轉90°即得Y軸，同時垂直于X和Y軸且過A0點為Z軸(正方向豎直向上)。1#～6#點最終位移矢量及矢量分量大小如圖2～圖7。

通過位移矢量圖和各分量大小，很直觀判斷出各測點的位移特征。綜合分析上述位移測量成果表明，松河隧道(六盤水端)右線洞口正上方近直立的巖質邊坡是穩(wěn)定的。