三维激光扫描仪在尾矿库坝体监测中的应用研究

张丰泽，张鹏涛，宋彩红

(山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 莱州 261438)

1 前言

新城金矿尾矿库位于莱州湾黑松林空旷地带，距离海边约1km，坝体为土石混合坝，坝顶长约1 500m，其选矿厂排出的尾矿浆堆积在尾矿库中存储。随着尾矿的不断堆积加高，坝体会受到各种力的作用及自然环境影响而发生沉降、变形，一旦发生溃坝泄露事故，后果不堪设想。因此应按时对尾矿库进行定期变形监测以确证尾矿库安全运行。

传统的变形监测是利用全站仪(或GPS)结合水准仪观测监测点的点位三维坐标变化来反映待测体的变形，为保证其精度一般在尾矿库周围较远的区域设立控制点，再由这些控制点导入尾矿库上各监测点，这需大量测量人员背负沉重仪器设备涉入尾矿库危险区域进行实地测量计算，耗时费力，而且不能完全反映坝体整体变形情况[1]。为更直观反映和对比整个坝体的形态及变化，采用三维激光扫描仪进行尾矿库坝体监测。三维激光扫描可以高精度、快速地获取测量区内各个位置的三维信息，并能生成三维模型，通过对几次观测成果模型进行对比，能清晰直观反映出坝体的位移、变化形态及位移大小，为坝体安全运行提供强有力的安全信息，同时提高测量工作效率，为尾矿库的高效运行提供强有力的保障[2]。

FX三维激光扫描仪的主要技术指标为

测距精度(标准差)：<0.6mm@11m；<0.8mm@21m

单点定位精度：<0.4mm@11m；<0.8mm@21m

测角精度：25″(1.6mm@11m；3mm@21m)

角度分辨率：8″

建模精度：<0.5mm@25m；<1mm@50m

光斑直径：2.3mm@5m；16mm@50m

激光类型：红色，脉冲690nm

视野范围：360°×270°连续扫描

2 方案措施及示意图

尾矿库坝体变形监测主要是坝体的水平位移观测和坝体的沉降变形观测，具体包括控制测量和坝体三维激光扫描。

2.1 控制测量

控制测量的目的是获取影像配准所需的控制点三维坐标。根据坝体形状及扫描仪扫描范围，本次变形监测共布设控制点18组，每组控制点包括4个，同时布设监测点74个，连接观测工作为E级GPS控制测量、导线控制测量、四等水准测量。

1)E级GPS控制测量

在进行导线控制测量控制点前，为了得到起始观测数据，首先要进行静态GPS观测。本次卫星定位技术(GPS)控制测量采用3台上海华测双频GPS接收机进行测量，GPS网形图如图1所示。

图1 GPS网形图

2)导线控制测量

3)四等水准测量

本次控制点高程采用四等水准测量，共测量高程控制点72个，联测2个已知水准点形成1条附合路线。四等水准的各项技术指标见表1。

表1 四等水准的各项技术指标

2.2 三维激光扫描

1)日常观测工作

为判定尾矿库坝体变形情况，本项目使用Trimble FX三维激光扫描仪进行多次数据采集。为全面了解矿尾矿库变形情况，排除安全隐患，每个月对尾矿库共计进行扫描观测。每一期测量工作均扫描74个变形监测点，通过这些监测点来控制尾矿库各个坝体斜面。为排除其他因素对变形监测点的影响，每个监测点每次观测架设的靶标都是相同的，在进行初次监测时即订做了4个相同的标靶，每次监测扫描时，同一个监测点都要架设同一个扫描标靶扫描过程中每个监测点每次观测架设相同靶标。为满足点云数据配准需求，每站扫描至少扫描3个控制点。

2)坝体变形分析

由于尾矿库坝体体积比较庞大，如果把整个坝体扫描数据进行整体变形分析，会造成数据量过大，处理速度很慢，工作效率低等问题，因此对尾矿库坝体整体变形分析时，将坝体分成三个部分，每个朝向为一部分，将每一部分的观测数据进行匹配构成一个完整的整体，采用RealWorks Survey Advanced点云数据处理软件提供的Cutting plane点云数据处理工具对两期观测的数据进行横断面截取，然后选取能显示变形的特征线点云数据构成线进行对比。横断面线对比变形情况与监测点大地坐标监测变形一致，具体对比如图2至图5所示。

图2 两期数据点云对比

图3 坝体北侧局部横断面切割数据放大对比

图4 坝体西侧局部横断面切割数据放大对比

根据尾矿库变形监测点变形数据和坝体点云数据横断面曲线对比图可以分析得出，尾矿库坝体北侧西半部分和坝体西侧变形相对较大，但是变形程度比较小，在安全范围以内。分析尾矿库部分坝体变形的原因为在监测期间内坝体西侧和北侧进行了施工加固，施工加固过程中大型车辆在监测点附近施工，一定程度上影响了监测点位的变化，根据定期监测，可实时撑握尾矿库动向，及时排除隐患。

图5 坝体东侧局部横断面切割数据放大对比

3 结论

三维激光扫描仪做为一项新技术，将其应用于尾矿库监测中，颠覆了传统测量方法只测点变化，无法真实反映尾矿库表面变化的情况，更有利于对尾矿库变化的真实反映，可以更好地服务于生产中。