水利工程高邊坡開(kāi)挖面質(zhì)量實(shí)時(shí)控制方法

任秀芳，聶懷軍，任廣艷

（1.費(fèi)縣水利局，山東 費(fèi)縣 273400；2.費(fèi)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 費(fèi)縣 273400）

三維激光掃描是近幾年興起的一種新型高邊坡開(kāi)挖面形態(tài)測(cè)量技術(shù)，利用此技術(shù)能夠精確獲取被測(cè)對(duì)象的表面空間數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度較高、測(cè)量時(shí)間較短、測(cè)量自動(dòng)化程度較高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)此本文利用高邊坡開(kāi)挖面平均坡度、局部超欠挖、坡腳標(biāo)高、不平整度等計(jì)算模型，再結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取高邊坡開(kāi)挖面測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和評(píng)估，及時(shí)掌握高邊坡開(kāi)挖施工動(dòng)態(tài)，保證施工質(zhì)量，控制施工工期。

1 高邊坡開(kāi)挖面質(zhì)量控制

1.1 高邊坡開(kāi)挖面質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

1）高邊坡開(kāi)挖的平均坡度應(yīng)小于等于設(shè)計(jì)坡度。2）局部超欠挖施工，欠挖尺寸要小于等于20 cm，超挖尺寸要小于等于30 cm。3）坡腳的標(biāo)高應(yīng)在±20 cm 范圍內(nèi)。4）高邊坡開(kāi)挖不平整度要小于15 cm。

1.2 高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)計(jì)

高邊坡開(kāi)挖面質(zhì)量分析的基礎(chǔ)是需要提前設(shè)計(jì)好工程施工參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括施工區(qū)域、工程類(lèi)型、施工高度差、施工編號(hào)、開(kāi)挖面坡比、控制點(diǎn)相應(yīng)參數(shù)等數(shù)據(jù)。本文將水利工程施工的設(shè)計(jì)參數(shù)提前輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的參數(shù)化重構(gòu)。平面開(kāi)挖面和曲面開(kāi)挖面可以分別用以下公式進(jìn)行表示：

將設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到公式中，用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最終可以確定開(kāi)挖面的控制參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)掃描和預(yù)處理

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高邊坡開(kāi)挖面掃描主要包括地形勘探、選點(diǎn)設(shè)站、數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，在進(jìn)行掃描站點(diǎn)設(shè)置時(shí)場(chǎng)地應(yīng)選擇空曠、無(wú)遮擋物、避風(fēng)安全位置且掃描范圍不能遺漏應(yīng)覆蓋整個(gè)高邊坡開(kāi)挖面。在數(shù)據(jù)采集時(shí)由于施工場(chǎng)地影響會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集過(guò)程中出現(xiàn)大量噪聲，另外由于數(shù)據(jù)采集基數(shù)較大，會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)用或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是處理云數(shù)據(jù)中的施工噪音及錯(cuò)誤和重復(fù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理利用三維激光掃描儀系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)后處理軟件cyclone 進(jìn)行，然后系統(tǒng)將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出以txt 格式存儲(chǔ)到三維激光掃描儀儲(chǔ)存卡上用于后續(xù)的數(shù)據(jù)精細(xì)處理及計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)提取

利用三維激光掃描技術(shù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后可獲得比設(shè)計(jì)高邊坡開(kāi)挖面面積稍大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了保證獲得數(shù)據(jù)的精確度，將獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域和設(shè)計(jì)高邊坡開(kāi)挖面區(qū)域進(jìn)行匹配，在保證精確度的同時(shí)提取符合設(shè)計(jì)高邊坡開(kāi)挖面區(qū)域條件的數(shù)據(jù)，本文的數(shù)據(jù)提出采用射線法進(jìn)行，即利用高邊坡開(kāi)挖面的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取。

1.5 高邊坡開(kāi)挖施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制

高邊坡開(kāi)挖施工通常按照從上到下、分層爆破開(kāi)挖、邊開(kāi)挖邊支護(hù)的施工方式。每層高邊坡在開(kāi)挖前需要提前做好準(zhǔn)備工作，進(jìn)行測(cè)量放樣并校準(zhǔn)后才能進(jìn)行分層爆破開(kāi)挖，每爆破開(kāi)挖一層后需要進(jìn)行一次質(zhì)量檢查，以保證開(kāi)挖質(zhì)量，另外每爆破一層需要進(jìn)行支護(hù)施工，以保證施工安全。高邊坡開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，在不斷施工下高邊坡開(kāi)挖面的形態(tài)不斷變化，所以高邊坡開(kāi)挖面的數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)采集，以保證能夠及時(shí)糾正高邊坡開(kāi)挖工程，保證施工進(jìn)度。高邊坡開(kāi)挖數(shù)據(jù)采集采用三維激光掃描儀進(jìn)行，在開(kāi)挖面施工期間及時(shí)采集開(kāi)挖數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的高邊坡開(kāi)挖數(shù)據(jù)對(duì)高邊坡開(kāi)挖施工進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和評(píng)定，并將評(píng)定結(jié)果反饋給施工技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)施工數(shù)據(jù)糾正施工偏差，以保證高邊坡開(kāi)挖面符合工程設(shè)計(jì)要求。

2 工程實(shí)例分析

以王屋水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程右岸高邊坡開(kāi)挖作為實(shí)例，該右岸高邊坡長(zhǎng)約70 m，高度約為15 m，初步勘探此高邊坡形狀為不規(guī)則的四邊形，高邊坡開(kāi)挖面設(shè)計(jì)坡比為1∶0.75，高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)采集采用型號(hào)為L(zhǎng)eica HDS8800 三維激光掃描儀進(jìn)行。

按照工程設(shè)計(jì)資料要求獲取四個(gè)控制點(diǎn)的已轉(zhuǎn)換相對(duì)坐標(biāo)，按照控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)Ax+By+Cz+D=0 方程進(jìn)行擬合，確定 A 值為-1.359 4，B 值為-0.052 8、C 值為 1.000 0，D 值為 1 018.850 8，按照該設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面平面方程對(duì)擬合誤差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 四個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)誤差分析情況

工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，按照預(yù)處理后的控制點(diǎn)坐標(biāo)提取高邊坡設(shè)計(jì)開(kāi)挖面以外數(shù)據(jù)，實(shí)際高邊坡開(kāi)挖施工數(shù)據(jù)提取范圍和高邊坡施工設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面基本吻合，沒(méi)有設(shè)計(jì)范圍外數(shù)據(jù)。

對(duì)高邊坡開(kāi)挖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后分析高邊坡開(kāi)挖面施工質(zhì)量，將5 m 作為開(kāi)挖質(zhì)量分析間距，共分析14 個(gè)高邊坡開(kāi)挖斷面，求得開(kāi)挖斷面的平均坡腳標(biāo)高為1 144.62 m，平均坡比為1∶0.742，上述數(shù)據(jù)均符合高邊坡開(kāi)挖工程質(zhì)量要求。高邊坡開(kāi)挖超欠挖分析，在開(kāi)挖斷面每間隔15 m 取一個(gè)典型施工斷面進(jìn)行分析，可知：在高邊坡坡腳位置存在超挖現(xiàn)象，而且越靠近坡腳位置，超挖現(xiàn)象越嚴(yán)重。高邊坡開(kāi)挖不平整度分析，利用三維激光掃描儀獲得的高邊坡開(kāi)挖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算出開(kāi)挖面的不平整度為23.58 cm，此數(shù)值大于高邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)要求，對(duì)不平整度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生不平等度數(shù)值較大的主要原因是高邊坡存在超挖現(xiàn)象，經(jīng)進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析確定高邊坡超挖位置，將分析數(shù)據(jù)反饋到施工技術(shù)人員進(jìn)一步分析，從而及時(shí)調(diào)整施工計(jì)劃，保證高邊坡開(kāi)挖施工質(zhì)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)采集的精確度和效率方面，利用高邊坡開(kāi)挖面平均坡度、局部超欠挖、坡腳標(biāo)高、不平整度等計(jì)算模型，同時(shí)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理，在保證精確度的同時(shí)提取符合設(shè)計(jì)高邊坡開(kāi)挖面區(qū)域條件的數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和評(píng)估，及時(shí)掌握高邊坡開(kāi)挖施工動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整高邊坡開(kāi)挖施工計(jì)劃。以王屋水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程右岸高邊坡開(kāi)挖作為實(shí)例，對(duì)上述高邊坡開(kāi)挖面質(zhì)量實(shí)時(shí)控制方法進(jìn)行了分析驗(yàn)證，運(yùn)用高邊坡開(kāi)挖面質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)建立的評(píng)價(jià)計(jì)算模型再結(jié)合三維激光掃描技術(shù)高邊坡開(kāi)挖面數(shù)據(jù)采集和處理能夠切實(shí)保證高邊皮開(kāi)挖的施工質(zhì)量，在高邊坡開(kāi)挖施工期間不斷獲取開(kāi)挖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，調(diào)整施工計(jì)劃，在規(guī)定工期內(nèi)高質(zhì)量完成高邊坡開(kāi)挖任務(wù)。