建(構)筑物高邊坡變形監測方法探析

周 勇

(重慶市勘測院，重慶 401121)

0 引言

重慶是一座典型的山地城市，主城區位于四川盆地的東南部，長江與嘉陵江侵蝕河谷發育的低山丘陵地區。近年來，隨著城市建設的快速發展，高層建筑物和大型構筑物日益增多。在建設過程中，形成了眾多的基坑邊坡和環境邊坡。

對各類邊坡開展變形觀測工作，可以獲取邊坡位移和沉降等信息，分析變形的規律，為災害預報提供依據。建(構)筑物高邊坡變形觀測的方法有很多種，目前最常用的方法是邊角測量和水準測量，分別獲得平面和高程變化信息。GNSS技術和遙感技術的發展，為邊坡監測提供了更多方式。近年來，三維激光掃描技術的廣泛應用，又將高邊坡變形監測技術推進了一大步。

1 邊坡變形

邊坡變形是一個自微觀變形向宏觀變形的轉化過程，一般自變形開始至失穩要經歷出現變形、緩慢變化、變化加劇、結構失穩等4個階段。在邊坡發生變形的過程中，采取適當方法對其變形進行監測，有利于在其結構失穩前發現危險，做出防范措施。

引起邊坡變形主要工程的地質資料不夠準確，導致對場地情況分析失誤；外界不可抗力的影響(主要包括地震、火山等自然災害使變形體的局部或整體產生變形)；工程邊坡的地質條件多樣、情況復雜等。此外，還有對邊坡安全認識不足、管理體制不合理、應對經驗不足等主觀因素。

2 邊坡變形監測

2.1 變形監測系統設計

2.1.1監測網

變形監測網一般由基準點、工作基點、變形觀測點組成。基準點需要設置在變形區域外，用于確定變形觀測項目的數學框架。工作基點是為了便于開展監測工作，可能會設置到變形區域內，在項目開展過程中需要定期復測。變形觀測點設置在變形體上，應能夠反映出待測對象的變形特點，具有代表性。監測點的選擇非常重要，否則可能會缺失關鍵信息，從而無法進行預測。

以前，水平和高程監測網多是分開布設的，目前隨著定位技術的發展，建立的變形觀測網大多是三維的。

2.1.2監測點的選取

監測點的選取非常重要，主要考慮變形體的重點位置，以及可能變形較大的地方。還要考慮到監測區周圍的環境，如通視條件、測站點位置等。

變形觀測的主要內容是變形的幾何量，包括水平位移和豎直位移(絕對位移或相對位移)、傾斜、應變等；有的還包括一些物理量，例如應力、大壩的滲水等。本文僅討論幾何三維變形情況。

2.2 變形監測的頻率

一個項目的監測頻率，主要取決于觀測的目的、變形值的大小以及變形的速率。一般來說，在建筑物建設期間，以及建成后運營初期，邊坡的變形速率比較快，這個階段觀測頻率也要大一些。待建筑物和邊坡的變形趨于穩定，可以根據情況減少觀測次數。

對于高邊坡變形觀測來說，主要包括警戒觀測、滑動期觀測、滑坡后觀測等內容。設定變形監測最小觀測周期的原則，通常是兩次監測結果的差值可以體現邊坡的變化情況。設監測點的點位觀測中誤差為M，則位移中誤差即為2M，又設邊坡位移速率為V，監測的周期為T，則有：

T×V≥2M,即：T≥2M/V。

例如：M=±5 mm，V=0.5 mm/d，T≥20 d。

而在實際工程中，可在此基礎上根據綜合情況進行調整。

2.3 變形監測的精度

變形觀測要求的精度高于絕大多數工程測量項目。監測的精度設置很重要，要求太高費用和時間成倍增加，設定的精度太低又很可能影響變形分析的效率和準確性，得不到正確的結論。監測項目測量精度的設定要考慮變形大小、變形速率、儀器標稱精度、采用的測量方法等，還要顧及測量的目的。對于安全監測來說，項目實施綜合測量誤差應小于待測物體容許變形值的1/10～1/20；若要研究過程變化，精度要求還要高得多，這就需要采用特殊設備或特殊方法。

3 高邊坡變形監測方法

3.1 常規變形監測

本文所述的常規測量方法，主要是指用常規儀器(經緯儀、測距儀、水準儀、全站儀)進行的角度、邊長和高程測量來開展的變形觀測的方法。該方法具有設備成本較低、對技術人員專業素質要求較低、數據處理過程簡單、操作靈活性大等優點。但由于外業工作量大、作業時間長，常規方法一度被棄用。近年來，隨著設備自動化程度的提高、物聯網技術的發展，該技術又煥發出新生。

目前，測量機器人已廣泛應用于邊坡變形觀測中，定時地對邊坡體上的目標點進行自動測量。市面上的測量機器人都具有自動觀測系統，在完成首次初始化測量后，以后各期均可實現自動化測量，在小范圍內能夠實現無人值守。但如果在建筑密集區和植被茂密區進行變形監測時，要受到通視條件的限制。

3.2 GNSS方法用于變形監測

隨著北斗衛星導航系統提供定位服務，采用GPS,BDS,GLONASS三星組合定位，GNSS在測量效率和精度方面都有了顯著提升。相對于常規的邊角測量技術來說，GNSS定位技術主要有測站無需通視、定位精度高、觀測時間短、同時獲取三維坐標、操作簡便、全天候操作等優點。

采用GNSS技術進行滑坡變形監測所采用的是GNSS相對定位，如圖1所示。對多臺GNSS接收機觀測同一組衛星數據并進行差分處理，使許多強相關誤差源的影響得以消除或減弱，所以GNSS測量的相對定位的精度非常高。對于各類邊坡變形監測項目，人們更加關心相對位置的變化，這就給GNSS技術用于變形觀測提供了前提。

監測對象的變形是通過比較不同期的觀測結果得出的，這樣就要求不同期的測量條件要嚴格一致(如衛星條件、傳播途徑、接收機條件、安裝條件等)。但這是不可能的，這樣就不可避免地帶來了重復性誤差，我們所能做的只是盡量保持一致。

GNSS以其操作方便，精度高，可以全天候連續作業并可解決通視問題的優越性能，正越來越廣泛的用于各類邊坡的變形監測。隨著國產GNSS定位設備的快速發展，其價格越來越便宜，采用GNSS進行變形監測費用大為降低，但仍比傳統測量費用高。目前，GNSS方法主要應用于大面積、監測點不多的高邊坡變形監測項目。

3.3 攝影測量方法用于變形監測

用攝影測量方法進行大型目標的變形監測已有很多成功的先例。改進了的攝影測量技術與大地測量技術結合，已經形成一種變形監測新方案。它應用位移視差計算變形，提高監測精度，其監測視角相對于常規方法大大擴展，提高了監測工作的可靠度。此外，同時獲取影像數據，也是攝影測量技術的優勢之一。利用高邊坡影像，通過立體觀察判讀，可以在等值線上清晰的看到裂隙、滲水點、凸出石塊等等，見圖2。

攝影測量視角寬闊，可以避免變形信息的遺漏，其操作靈活，在進行變形監測的同時，紀錄了變形區域的地質信息，為進一步分析變形原因提供了很大的幫助。

3.4 激光掃描技術用于變形監測

隨著激光測距技術硬件的快速發展，三維激光掃描技術日益受到重視，應用也越來越廣泛。自2000年開始進入中國以來，三維激光掃描技術在三維空間信息的實時獲取方面取得了重大的突破，在工業測量、建筑工程、機械制造、生物學、醫學、采礦、地質地理、考古、林業、海洋等各行各業都有廣泛的應用前景。

三維激光掃描技術憑借快速、精確、直接獲取物體表面離散三維點云數據的特點，得到廣大測繪人員的關注和青睞，在測繪工作中扮演著日益重要的角色。采用三維激光掃描技術對監測部位進行定期掃描，將不同監測周期掃描的三維模型進行比對，能夠獲得掃描對象的整體變形情況，相對于傳統監測方式的以點代面，該方法降低了變形監測的風險遺漏。在模型對比時，變形量不同的區域以不同的顏色顯示，可以直觀快速的了解觀測對象變形信息，見圖3。

采用三維激光掃描技術進行邊坡變形監測，具有無需設置變形點、作業速度快、相對精度高等優點。但是，在視角不好、遮擋嚴重的區域，該方法效率較低。因此，三維激光掃描主要用于無植被的裸坡，或者人工建筑的邊坡監測。

4 結語

本文結合國內外高邊坡變形監測技術的發展現狀，分別介紹了常規變形監測、GNSS技術進行變形監測、攝影測量用于變形監測、三維激光掃描技術用于變形監測等方法，每種方法各有優劣。通過比較，在高邊坡變形監測項目中要結合邊坡所在地的地形、地貌、氣象、經濟等具體情況，選擇合理的監測設備，采用相對較合適的方法設計出最具經濟效益的監測方案，以便及時發現問題，采取相應的預防措施，減少損失，避免重大事故的發生。