地质灾害变形观测应用技术新方法

李永坚
（广西环境地质研究所 广西桂林 541004）

【摘　要】　危岩地质灾害下沉量的观测，是地质灾害防治和治理过程中不可缺少的重要的应用技术，一般采用三角高程测量方法来实现。近年来，全站仪的使用已经非常普及，成为地形测量、工程测量、特别是变形观测等众多领域高效率的测量仪器。过去一些传统测量方法难以解决的工程问题，由于全站仪的普及才得以迎刃而解。如何使全站仪在地质灾害变形观测中发挥出快速、高效、精确的作用，成为测绘工作者进行实践探索的内容。本文给出一种全站仪在地质灾害危岩变形观测中的应用技术新方法。
【关键字】　地质灾害 变形观测 新方法 应用技术

　　1 引言
　　在地质灾害工程的设计、治理过程中，经常遇到对危岩等灾害体实施变形观测，以求得危岩等灾害体的滑动、下沉的变形参数，其中危岩等灾害体的高程变化测量，是一种很重要的参数。传统的测量方法是使用四等以上精度的水准测量或三角高程测量方法求出待观测点的高程。
　　水准测量是一种利用水平视线直接测高法，测定高差推求高程的精度是较高的，能够很好的满足变形观测的精度需要。可是水准测量方法本身受地形高差起伏的限制，仪器和标尺的精度要求很高，外业工作量大，施测速度较慢，效率不高，特别是危岩灾害体一般都是分布在陡峭的石山上，水准测量的难度非常大，有的根本无法攀爬实施测量。于是，人们采用三角高程测量方法解算危岩等灾害体的滑动、下沉的变形参数。
　　2 传统三角高程测量的原理
　　三角高程测量是一种利用经纬仪间接测高法，它不受地形起伏的限制，且施测速度较快，效率较高。在地形测绘、灾害治理工程、线路工程、管网工程、河道工程等工程测量中得到广泛应用。但三角高程测量方法也有其致命的局限性，其测量精度往往受每次设站测量时仪器高的量取、棱镜高的量取、测站对中误差的联合影响。大大降低了三角高程测量的精度，而且影响了工作效率。
　　设A为地面已知控制点，B为灾害观测未知点，A点已知高程为HA，HB为未知点高程，由图一可知：HB=HA+hAB。

图一 三角高程测量原理图

　　图中：D为A、B两点间的水平距离；
　　α为在A点观测B点时的垂直角；
　　Ι为测站点的仪器高，L为棱镜高；
　　V为全站仪望远镜和棱镜之间的高差（V=Dtanα）；
　　为了讨论问题方便，这里对与设站方法无关的球差和气差的影响不作讨论（实际计算时按规范进行球差和气差的改正即可）。根据图一可得传统三角高程测量在已知点设站观测的基本计算公式：
　　hAB=V+I-L
　　HB=HA+Dtanα+Ι-L -----------------------（1）
　　由（1）式知道，要求得未知点高程，必须进行以下几项工作：
　　（1）在已知点上设站；
　　（2）量取仪器高；
　　（3）量取棱镜高；
　　（4）仪器和控制点标志对中；
　　（5）保留观测站点位。
　　3 使用全站仪自由设站新方法进行三角高程测量的原理
　　如前所述，三角高程测量方法有其致命的局限性，那么有没有减少误差，提高工作效率的办法呢？随着全站仪的广泛使用，使用跟踪杆配合全站仪测量高程的方法便被人们广泛采用。虽然有先进的全站仪，但在危岩等灾害体高程变化测量工作中，如果采用传统的三角高程测量方法进行测量，依然无法解决精度低、效率不高的局限性。
　　作者经过研究摸索，提出一种全新的方法进行三角高程测量。这种方法既结合了水准测量的自由设站的特点，又减少了三角高程三个环节的误差来源，因为每次测量时不必量取仪器高、棱镜高、不必仪器对中，不必选择固定点而可以在任意位置设站进行观测，即可求得未知点的高程数据。这种方法，可使三角高程测量精度得到很大的提高，测站环境更舒适，施测速度更快。解决了传统三角高程测量在已知点上设站的局限性和多环节误差影响，这对提高测量精度和提高工作效率其效果是显而易见的。下面以地质灾害危岩变形观测为例，阐述这种新方法的原理：
　　如图二所示：我们在与已知点A和未知点B之间的任意位置设站，将棱镜设置在任意高度（只要在观测A和B点时，保持棱镜高度不变，就无需量取棱镜高），不用量取仪器高，不用与控制点对中，不用保留测站点位（下次观测也是随意设站），由图二得：

图二 自由设站法三角高程测量原理图

　　hAB=D1tanα1+K0- HA- K1 = S1*sinα1+K0- HA- K1 -----------------------（2）
　　hAB=D2tanα2+K0- HA- L = S2*sinα2+K0- HA- L -----------------------（3）
　　K1=L - hAB ----------------------------------------（4）
　　图二中：
　　S1为斜距（观测值）；
　　α为水平视线至观测点的垂直角；
　　K1为棱镜中心与B点的高度差（过渡值）；
　　L为棱镜高—可以设为常数（LA=LB=L）；
　　将（4）代入（2）、（5）代入（3）后整理得：
　　L = S1*sinα1+K0- HA -----------------------------（5）
　　hAB = S2*sinα2- S1*sinα1 --------------------- （6）
　　HB=HA + hAB = HA + S2*sinα2 - S1*sinα1 --------------------- （7）
　　为了便于直接利用垂直角观测值进行计算，我们将sinα=cos（90-α）= cos La代人（7）式得：
　　HB=HA+ S2*cos La2- S1*cos La1 --------------------- （8）
　　La为垂直角观测值。
　　4 计算案例
　　为了验证（8）式的正确性，作者在恭城县栗木锡矿的观测项目中进行了实地观测并利用（8）式进行计算，结果见下表：

　　5 结论与建议
　　通过以上公式推导和实例论证，我们从（8）式和实例计算表数据可以看出：
　　（1）自由设站联测已知点A和未知点B，理论推导公式正确无误；
　　（2）计算过程与仪器高无关，所以不用量取仪器高；
　　（3）计算过程与棱镜高无关，所以也不用读取棱镜高；
　　（4）计算公式与自由测站点的三维数据无关，所以更不用与控制点对中；
　　（5）由于每次观测均为任意设站，因此不用保留观测站点位，即可求得未知点B的高程，既可以减少几个环节的工序提高工作效率又可以减少误差提高精度；
　　（6）建议广大测绘同行更进一步的研究和完善。

【参考文献】
[1] 董德.《测绘学公式集》.总参军事测绘杂志社出版
[2] 刘玉珠.《土木工程测量》.华南理工大学出版社
[3] 夏才初，潘国荣.《土木工程监测技术》.中国建筑工业出版社
[4] 陈龙飞，金其坤.《工程测量》.同济大学出版社
[5] 武汉地质学院.《测量学》.地质出版社
[6] 中国人民解放军昆字119部队.《地形测量》