堆石壩施工倉面手持式一體化測量系統(tǒng)研制與應(yīng)用

褚 棟，劉東海，楊 文

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.貴州省水利投資有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 551700)

0 引 言

施工倉面測量是堆石壩填筑施工中的重要環(huán)節(jié)，提高施工倉面測量的效率和準(zhǔn)確性，對加快施工和確保施工質(zhì)量具有重要意義。當(dāng)前堆石壩施工倉面坐標(biāo)及工程量計算主要由測量人員利用GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))、全站儀等進(jìn)行采集和人工計算，并通過人工抄錄或存儲盤拷貝的方式，進(jìn)行量測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)交和記錄[1-2]。這個過程人為因素影響較大，效率低，難以保證數(shù)據(jù)的真實性和時效性。另外，在工程實踐中，往往缺乏一個統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺對此類倉面測量成果數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，這就造成數(shù)據(jù)分散的記錄于各類紙質(zhì)文檔和電子表格中，難以被及時有效地調(diào)用以輔助工程管理人員進(jìn)行決策判斷。

同時，隨著堆石壩碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]的應(yīng)用和推廣，作為堆石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控的準(zhǔn)備工作，“開倉”是確保監(jiān)控系統(tǒng)正確計算碾壓參數(shù)和統(tǒng)計碾壓成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管當(dāng)前施工倉面測量已經(jīng)利用了全站儀、GNSS-RTK等先進(jìn)的測量手段[5-7]，但是測量工作與施工質(zhì)量監(jiān)控往往是脫節(jié)的，數(shù)字化及一體化管理水平較低，且存在人工數(shù)據(jù)記錄及不同系統(tǒng)間人工數(shù)據(jù)傳輸?shù)托У谋锥恕?/p>

因此，有必要研究開發(fā)集成碾壓建倉—壓實高程檢查—壓實方量測算等功能于一體的堆石壩施工倉面測量系統(tǒng)，同步將測量成果數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫與碾壓監(jiān)控分控站、總控中心共享，將傳統(tǒng)的手工方式改成全流程數(shù)字化，以實現(xiàn)施工測量和碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的無縫銜接，從而提高施工倉面量測作業(yè)任務(wù)的效率和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該堆石壩施工倉面快速一體化量測系統(tǒng)包括GNSS基站、手持式RTK測量裝置、智能手簿、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器、現(xiàn)場分控站客戶端和安裝有GNSS的碾壓機(jī)等六部分，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

(1)GNSS基站。GNSS基站是整個系統(tǒng)的“位置標(biāo)準(zhǔn)”。將GNSS 觀測的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和該基準(zhǔn)點的已知位置信息實時發(fā)送給手持式RTK測量裝置，通過與手持式RTK測量裝置的定位數(shù)據(jù)一起進(jìn)行載波相位差分處理，可將手持式RTK測量裝置的定位精度提高至厘米級，以滿足堆石壩一體化測量的精度要求。

(2)手持式RTK測量裝置。通過手持式RTK測量裝置，可快速測量碾壓倉面的邊界點坐標(biāo)，以及采樣倉面壓實后的高程。

(3)智能手簿。智能手簿主要包括碾壓倉面建立模塊、壓實高程/方量測算模塊、數(shù)據(jù)傳送模塊等。倉面采樣點的空間位置坐標(biāo)及壓實高程、壓實厚度以及壓實工程量通過數(shù)據(jù)傳送模塊以3G/4G方式發(fā)送到數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器中，并更新存儲在數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器中的相應(yīng)文件中，以供后續(xù)現(xiàn)場分控站客戶端進(jìn)行壓實高程及壓實厚度監(jiān)測。

(4)數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器。該部分包括數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器，分別用來接收、存儲智能手簿發(fā)送的數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷并進(jìn)行反饋控制。

(5)現(xiàn)場分控站客戶端?，F(xiàn)場分控站一般設(shè)置在大壩施工作業(yè)面附近，并常駐工作人員，以方便現(xiàn)場信息傳遞和反饋?，F(xiàn)場分控站客戶端是搭載有系統(tǒng)相應(yīng)軟件功能的PC主機(jī)，其是實現(xiàn)的功能包括倉面碾壓監(jiān)控、壓實高程查詢、壓實厚度監(jiān)測以及壓實方量查詢。

(6)安裝有GNSS的碾壓機(jī)。該碾壓機(jī)裝備了車載高精度GNSS定位導(dǎo)航單元、信息控制單元、自組網(wǎng)無線通信單元和GNSS天線，可在碾壓作業(yè)的過程中實時獲取、處理和向數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送碾壓器械位置信息。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

結(jié)合工程實際應(yīng)用，以及和堆石壩碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的無縫結(jié)合，該系統(tǒng)主要包括如下功能：

(1)碾壓開倉測量。倉面碾壓施工前，現(xiàn)場測量人員利用手持式RTK裝置進(jìn)行倉面邊界點測量，邊界數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，分控站工作人員只需通過讀取相應(yīng)倉面開倉文件即可完成當(dāng)前倉面開倉。

(2)壓實高程及壓實工程量計算。倉面完成碾壓施工后現(xiàn)場測量人員利用手持式RTK裝置進(jìn)行倉面采樣點坐標(biāo)采集，數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，通過壓實高程/方量模塊完成壓實高程及壓實工程量的計算。

(3)第三方工程量校核功能。當(dāng)施工倉面完成碾壓或某高程下所有分區(qū)的倉面完成碾壓后，第三方單位(如業(yè)主)可以使用RTK測量裝置對施工倉面進(jìn)行校核測量，校核邊界可以直接上傳至系統(tǒng)，校核結(jié)果在一體化測量系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行查詢。

1.3 基于空間插值的壓實工程量計算

h(x，y)=ZU(X，Y)-ZD(X，Y)

(1)

v倉面=?∑h(x，y)ds

(2)

(3)

式中，h(x，y)為網(wǎng)格點高差[8]；ZU(X，Y)、ZD(X，Y)分別為上層采樣點高程和下層采樣點高程；ds為積分單元面積；n為采樣點個數(shù)；v為當(dāng)前施工倉面的壓實方量。

除了上述單倉面工程量，用戶還可對同一設(shè)計高程下各倉面的壓實方量總和進(jìn)行計算，具體方法如下：

(1)通過對施工倉面進(jìn)行格網(wǎng)劃分，把每個小的體積微元簡化成四棱柱，通過空間插值確定簡化后四棱柱高程。

(2)計算同一設(shè)計高程下所有施工倉面壓實工程量時需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫保存的高程數(shù)據(jù)，選擇同一高程下所有的施工單倉面行壓實工程量的計算。

(3)通過對上下層同種壩料的匹配，計算該種壩料在該高程下的壓實工程量，然后對該設(shè)計高程下不同施工倉面的壓實工程量進(jìn)行累加，實現(xiàn)該設(shè)計高程下所有施工倉面壓實工程量的計算。

(4)

式中，V層面為該設(shè)計高程下的所有倉面壓實工程量；h(x，y)為網(wǎng)格點高差；ds為積分單元面積；i為該設(shè)計高程下倉面?zhèn)€數(shù)。

2 系統(tǒng)應(yīng)用流程

結(jié)合堆石壩施工現(xiàn)場控制的要求，利用該系統(tǒng)進(jìn)行施工倉面一體化測量的具體流程如圖2所示。具體步驟如下：

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用流程

(1)測量準(zhǔn)備。用戶開始測量前，需要明確當(dāng)前測量倉面壩料種類和施工區(qū)域高程，采用不同的施工壩料名稱對不同施工倉面進(jìn)行命名。施工測量人員利用智能手簿，根據(jù)當(dāng)前施工倉面壩料分區(qū)、起始高程，以及該分區(qū)同高程的倉面序號，通過碾壓倉面建立模塊新建碾壓倉面文件；當(dāng)RTK接收機(jī)完成與GNSS基站的固定差分時可以使用手持式RTK測量裝置對倉面邊界對倉面坐標(biāo)進(jìn)行精確測量。

(2)碾壓過程監(jiān)控。工作人員通過在現(xiàn)場分控站客戶端訪問數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器，獲得新建的施工倉面邊界，進(jìn)行開倉，并派遣裝有GNSS的碾壓機(jī)，對其碾壓過程進(jìn)行實時監(jiān)控。

(3)收倉測量。待碾壓結(jié)束后，施工測量人員利用手持式RTK量測裝置，對倉面壓實高程進(jìn)行快速多點采樣，并利用智能手簿計算平均壓實高程、壓實厚度和壓實方量等，然后將上述數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器中。

(4)成果輸出。工作人員通過現(xiàn)場分控站客戶端，從數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器中獲得平均壓實高程/平均壓實厚度，與設(shè)定的該倉面的壓實高程/壓實厚度的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。當(dāng)平均壓實高程/平均壓實厚度不達(dá)標(biāo)時，現(xiàn)場分控站客戶端提示并引導(dǎo)相關(guān)施工人員進(jìn)行整改。工作人員可以通過現(xiàn)場分控站客戶端，查詢某個施工倉面的壓實方量，用于工程量結(jié)算。

3 工程應(yīng)用

3.1 一體化量測應(yīng)用

所研制的系統(tǒng)在夾巖水利樞紐工程水源1標(biāo)面板堆石壩工程進(jìn)行了實例應(yīng)用。夾巖面板堆石壩主堆石區(qū)(3B)填筑面積較大，壩料最大粒徑為800 mm，壓實厚度規(guī)定為800 mm。圖3為利用手持式RTK測量裝置進(jìn)行碾壓倉面邊界測量并開倉的應(yīng)用流程。分控站工作人員在進(jìn)行開倉工作時，只需點擊讀取，即可在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫調(diào)用倉面邊界文件，完成開倉，實現(xiàn)一體化測量系統(tǒng)與碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)無縫銜接的目的。

圖3 手持式RTK測量裝置開倉流程

當(dāng)分控站工作人員完成開倉工作后，安裝有GNSS的碾壓機(jī)在本裝置測量的倉面邊界內(nèi)進(jìn)行碾壓施工，如圖4a所示。在施工過程中，建設(shè)各方可以

圖4 碾壓過程監(jiān)控和成果查詢界面

在碾壓監(jiān)控系統(tǒng)中對當(dāng)前施工倉面的碾壓參數(shù)進(jìn)行實時查詢；當(dāng)倉面完成碾壓后，工作人員利用本裝置對倉面壓實高程進(jìn)行采集，測量信息通過數(shù)字歸檔存儲到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中。工作人員可以在一體化測量系統(tǒng)中查詢測量成果，其中倉面信息以倉面統(tǒng)計表的形式在系統(tǒng)顯示，同時系統(tǒng)內(nèi)還會繪制出倉面方量的統(tǒng)計圖，如圖4b所示。

3.2 第三方校核應(yīng)用

倉面施工結(jié)束后，第三方單位(如業(yè)主)可以使用手持式RTK量測裝置對施工結(jié)束的區(qū)域進(jìn)行倉面校核。校核內(nèi)容包括倉面面積、層面面積、施工工程量和實際碾壓邊界是否符合實際情況。對于實際碾壓邊界的校核是利用碾壓監(jiān)控時施工單位倉面的邊界，與RTK裝置直接測得的大壩某高程工作邊界進(jìn)行比較，目的是判斷實際施工邊界是否存在較大的未施工區(qū)域(往往是由于工作面靠近邊坡，施工單位為便捷施工，而減少了對靠近邊坡區(qū)域的碾壓，這可能會導(dǎo)致較大的質(zhì)量隱患，需重點校核監(jiān)控)。校核的區(qū)域可以為某種填筑料分區(qū)的一個倉面，也可以是當(dāng)前高程下所有倉面的校核。

圖5為系統(tǒng)用于某高程施工倉面邊界的和工程量校核的應(yīng)用界面。以1 315.6 m高程為例，此高程下共有下游堆石區(qū)(3C2)、主堆石區(qū)(3B)、過渡區(qū)(3A)、墊層區(qū)(2A)4個分區(qū)的共4個倉面。由圖5可知，左岸邊坡校核邊界與監(jiān)控邊界最大間距為0.82 m，右岸邊坡校核邊界與監(jiān)控邊界最大間距為0.74 m，校核邊界與施工開倉邊界基本一致，即實際碾壓區(qū)域與校核區(qū)域較為一致；此外，從圖5還可以看出，除下游左岸有少數(shù)部分超出監(jiān)控邊界，其他邊界包括下游右岸以及兩岸邊坡校核邊界和監(jiān)控邊界基本吻合，說明施工單元邊界處的碾壓施工均得到碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

圖5中的校核面積是校核邊界圍成區(qū)域的面積，監(jiān)控面積為所有碾壓監(jiān)控倉面的面積。1 315.6 m高程下的校核面積為15 489.879 m2，監(jiān)控面積為15 325.417 m2，兩者相對誤差為1.07%。圖6為1 300.4～1 320.4 m高程之間所有層面的校核面積與監(jiān)控面積的對比情況，可見兩者差異較小，最大相對誤差僅為3.95%，平均相對誤差為1.21%。從面積校核上看，兩者吻合較好，說明基本不存在漏碾壓的區(qū)域。

圖5 1 315.6 m高程施工倉面工作量校核

圖6 不同高程施工倉面面積校核情況

此外，該模塊能夠進(jìn)行施工工程量復(fù)核，利用前文第1.3節(jié)介紹的方法計算校核方量。圖7為主堆

圖7 不同高程施工倉面工程量校核情況

石區(qū)(3B)1 291.6～1 314.8 m高程之間倉面的校核方量與施工方提供的方量數(shù)據(jù)對比情況?？偟膩砜?，兩者較為接近，最大誤差為7.5%，平均誤差為4.33%，說明施工單位提交的工程量符合實際情況。

4 結(jié) 論

(1)本文研制了堆石壩施工倉面手持式一體化測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了堆石壩開倉邊界—壓實高程/壓實厚度—收方邊界—壓實方量的一體化測量，同時實現(xiàn)了與碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的無縫銜接，改善了以往測量工作與施工質(zhì)量監(jiān)控脫節(jié)的現(xiàn)象，提高了數(shù)字化及一體化管理水平，保障了碾壓施工質(zhì)量。

(2)該系統(tǒng)具備倉面校核功能，能夠?qū)κ┕そY(jié)束的倉面進(jìn)行邊界及面積復(fù)核。校核邊界與施工測量監(jiān)測邊界吻合情況良好，說明現(xiàn)場施工測量準(zhǔn)確，工程量與碾壓邊界控制符合實際情況，為確保碾壓質(zhì)量(不漏碾)和工程量校核提供了有效工具。