三維激光掃描在某水電站大壩基礎(chǔ)廊道變形監(jiān)測的應(yīng)用

吳 夏，趙 亮

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130）

0 前 言

水電站大壩基礎(chǔ)廊道的安全監(jiān)測常規(guī)手段主要包括外觀監(jiān)測和人工巡視兩種方法，當(dāng)水電站大壩基礎(chǔ)廊道出現(xiàn)滲水量、變形量較大等異常情況時(shí)，常規(guī)外觀變形監(jiān)測手段已難以滿足快速、無接觸和整體變形的安全監(jiān)測需求。

隨著測繪科技的快速進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)景監(jiān)測成為一種趨勢，如：陶傳達(dá)、聶澤棟、張秀才等［1］建筑項(xiàng)目竣工測量中地面激光掃描技術(shù)的應(yīng)用嘗試；史秀保、汪帆、葛紀(jì)坤［2］三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測繪中的應(yīng)用研究；夏國芳、王晏民［3］三維激光掃描技術(shù)在隧道橫縱斷面測量中的應(yīng)用研究；王曉昳［4］三維激光掃描在城鎮(zhèn)地籍測量中的應(yīng)用探討；劉紹堂［5］一種隧道整體變形監(jiān)測方法及其應(yīng)用。劉燕萍，程效軍，賈東峰［6］基于三維激光掃描的隧道收斂分析。目前，三維激光掃描技術(shù)雖然能夠快速進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與實(shí)景復(fù)制，但對于應(yīng)用于變形監(jiān)測還處于新興階段。

本文選取某水電站大壩基礎(chǔ)廊道變形作為監(jiān)測研究應(yīng)用對象，使用三維激光掃描儀Trimble SX10進(jìn)行初始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與實(shí)景化復(fù)制，通過建立三維數(shù)模分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)對點(diǎn)跨越到面與面、體與體的監(jiān)測，從而能夠更有效地監(jiān)測基礎(chǔ)廊道整體的變形趨勢，并為進(jìn)一步研究治理措施提供更為可靠有效的技術(shù)支持。

1 工程概況

某水電站水庫二期蓄水過程中，大壩壩頂自左岸值班房到右岸發(fā)生上下游不均沉降變形，右岸混凝土路面開裂，混凝土板下碾壓土石料產(chǎn)生裂縫（長約150 m、寬約10 cm、深約80 cm），并形成錯(cuò)臺（高差約80 cm）；大壩上游側(cè)防浪墻靠右岸側(cè)出現(xiàn)4處貫穿性裂縫，形成錯(cuò)臺；大壩中部及左岸側(cè)防浪墻有擠壓破壞。左岸值班房向上游傾斜，最大傾角約6°，室內(nèi)地面變形沉降。

當(dāng)庫水位上升至一定高程以上時(shí)，大壩變形和滲漏量等明顯偏大，壩頂呈向下游的弧線變形，大壩下游2 500 m高程三個(gè)觀測房均出現(xiàn)滲水情況，2012—2017年度期間大壩外部變形測得最大沉降速率達(dá)184 mm/月，并出現(xiàn)大范圍縱向裂縫和最大超過50 cm的錯(cuò)臺，壩后坡出現(xiàn)多處凹凸變形和網(wǎng)格梁拱起折斷。并且，大壩右岸EL2475灌漿平洞K0+257 m樁號和K0+283 m樁號上游頂拱有滲水現(xiàn)象，基礎(chǔ)廊道新增部位下右側(cè)廊道壁豎直墻與頂拱交接部位出現(xiàn)表層起殼現(xiàn)象，墻壁下部中間出現(xiàn)裂縫，長約5 m，寬約1 cm，裂縫處有水滲出，在后期巡視檢查中發(fā)現(xiàn)裂縫逐步增大加長。為確保大壩運(yùn)行安全，經(jīng)多方研究，采用了快速、無接觸的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行大壩基礎(chǔ)廊道內(nèi)部整體變形監(jiān)測的應(yīng)研究，并以期為后續(xù)治理措施提供技術(shù)支持。

本次應(yīng)用研究采用的儀器是Trimble SX10三維激光掃描儀，數(shù)據(jù)處理軟件主要為Trimble Business Center（TBC）和Trimble RealWorks（TRW）軟件，整個(gè)工作流程主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三角網(wǎng)模型建立、隧道斷面截取、成果輸出、對比分析等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集中，需設(shè)置合適的分辨率與掃描方式進(jìn)行掃描，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜度以及儀器本身有效工作范圍的不同，合理設(shè)計(jì)測站長度和標(biāo)靶物的擺放位置。

2 三維激光掃描儀基本原理與特點(diǎn)

2.1 基本原理

三維激光掃描儀由軟件、硬件及連接線組成，軟件為后處理點(diǎn)云軟件，硬件為掃描儀、外（內(nèi)）置照相機(jī)、手簿、基座及腳架等。三維激光掃描儀發(fā)射脈沖信號，并同路徑返回來，接收器接收到信號后，能夠快速的計(jì)算出掃描儀到物體的距離。編碼器同時(shí)記錄此時(shí)的掃描儀的橫向角度和縱向角度，通過三角關(guān)系式，有距離和角度就能算出被測物體的三維坐標(biāo)（如圖1所示）。

圖1 三維激光掃描基本原理

圖1中P點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：α為橫向掃描角度；β為縱向掃描角度；D為掃描距離；P為待測點(diǎn)。

2.2 主要特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)系近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)越來越引起相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。可以快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段，其具有如下主要特點(diǎn)及優(yōu)勢。

（1）非接觸性。傳統(tǒng)測量大部分需要人為放置棱鏡，有些地方人無法到達(dá)時(shí)就不能準(zhǔn)確測量出所需要的坐標(biāo)。三維激光掃描儀可通過非接觸式的方法獲取變形體的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完成變形體的監(jiān)測分析。

（2）“三高”。采樣速度高、精度高、分辨率高，毫米級點(diǎn)位精度與高密度的點(diǎn)云間距保證了監(jiān)測成果的可靠性。

（3）數(shù)據(jù)采集速度快。三維激光掃描儀可以短時(shí)間內(nèi)采集大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（4）全數(shù)字化采集。測量數(shù)據(jù)以點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)顯示。

（5）包含全站儀測量模式與外置相機(jī)。三維激光掃描儀可以通過內(nèi)置的全站儀功能完成設(shè)站，掃描時(shí)即可將采集數(shù)據(jù)附和至監(jiān)測控制網(wǎng)中。另外，測量時(shí)可以通過相機(jī)照射全景影像，方便后期建模處理。

（6）數(shù)據(jù)三維效果。采用三維激光掃描儀掃出來的數(shù)據(jù)，可直接獲得三維效果，方便后期人員的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

（7）激光穿透性好。三維激光掃描儀掃描具有良好的穿透能力，能夠獲取物體表面的信息特征。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法

對基于三維激光掃描技術(shù)的廊道監(jiān)測而言，首先需要對掃描成果進(jìn)行常規(guī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，一般采用與掃描設(shè)備配套的專用點(diǎn)云軟件進(jìn)行，步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：包括著色、格式轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云裁剪等步驟，主要是為了裁剪掉與變形分析無關(guān)的點(diǎn)云及粗差點(diǎn)。

（2）拼接配準(zhǔn)：通過公共點(diǎn)將不同掃描站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配至同一坐標(biāo)參考系統(tǒng)中，過程中應(yīng)注意控制配準(zhǔn)誤差。

（3）點(diǎn)云分類：使用點(diǎn)云自動分類算法剔除植被、輸電線、建筑等與變形分析無關(guān)的點(diǎn)云，對于自動分類方法無法識別的地物點(diǎn)還應(yīng)通過人工分類進(jìn)行剔除，最后僅保留廊道邊墻頂拱數(shù)據(jù)。

（4）去噪濾波：剔除噪點(diǎn)及粗差點(diǎn)。

（5）曲面擬合及編輯：以廊道基點(diǎn)點(diǎn)云為基礎(chǔ)擬合三維曲面，輸出至監(jiān)測分析軟件提取廊道形變信息。

由于激光掃描存在掃描死角，輸出的曲面模型必然會存在局部失真的情況，對于失真部位的監(jiān)測分析成果可靠性較低，因此在后續(xù)變形成果提取中應(yīng)選擇單獨(dú)的“監(jiān)測塊”，由其直接計(jì)算變形。

傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測模式中，以多次測量待定點(diǎn)的坐標(biāo)獲取該點(diǎn)的位移量，但三維激光掃描技術(shù)使用的是無合作目標(biāo)的測量模式，每次掃描所得點(diǎn)與點(diǎn)之間都不重合，故而無法通過測量同名點(diǎn)坐標(biāo)的方式來獲取變形量。因此，需要通過多角度、高密度的方式掃描廊道，盡可能全面地將廊道表面數(shù)據(jù)從實(shí)地“實(shí)景復(fù)制”到點(diǎn)云上，以多期三維曲面模型檢測對比的方式測取廊道變形量。

3 工程實(shí)例

由于本次監(jiān)測分析缺少竣工測量相關(guān)數(shù)據(jù)，無法剔除施工因素的干擾，但三維激光掃描成果基本能反映廊道變形情況，變形量級可做參考。后續(xù)可以通過對廊道定期進(jìn)行三維激光掃描來獲取變形發(fā)展趨勢，為工程治理提供技術(shù)支持。

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用三維激光掃描技術(shù)在一定時(shí)間間隔采集基礎(chǔ)廊道的兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過不同時(shí)間段空間信息的對比分析，監(jiān)測基礎(chǔ)廊道在該時(shí)段內(nèi)三維變形時(shí)空演化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷基礎(chǔ)廊道在此時(shí)間段內(nèi)的變形發(fā)展情況。

基礎(chǔ)廊道累計(jì)采集兩期數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年2月24日與2021年4月13日。初次掃描采集基礎(chǔ)廊道基準(zhǔn)值，且此次數(shù)據(jù)可作為進(jìn)場前基礎(chǔ)廊道三維變形分析原始數(shù)據(jù)，但由于掃描期間廊道積水和以往施工廢料未清理，對掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量造成了一些不利影響，并且初次掃描期間基礎(chǔ)廊道照明設(shè)施損壞，所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法著色。

二次掃描時(shí)，所采集數(shù)據(jù)可同初次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維監(jiān)測，分析基礎(chǔ)廊道在此期間的位移變形情況，也可將其與基礎(chǔ)廊道設(shè)計(jì)體型相對比，分析基礎(chǔ)廊道實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的差異情況。二次掃描期間，施工隊(duì)伍已進(jìn)場，基礎(chǔ)廊道內(nèi)增加了照明設(shè)施，可獲取基礎(chǔ)廊道真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所建模型可附著彩色照片。

基礎(chǔ)廊道兩次掃描數(shù)據(jù)均為自由設(shè)站掃描，最終數(shù)據(jù)以右岸灌漿平硐（穩(wěn)定狀態(tài)）為參考配準(zhǔn)各站掃描數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)測成果

本次某水電站基礎(chǔ)廊道掃描間隔為49 d，一期數(shù)據(jù)于2021年2月24日完成；二期數(shù)據(jù)于2021年4月13日采集。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)外業(yè)采集過程中均通過精密控制測量相關(guān)要求架設(shè)掃描儀，通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示兩期掃描數(shù)據(jù)空間位置匹配良好，數(shù)據(jù)精度高，滿足廊道三維變形監(jiān)測分析要求。兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較小，但受到施工隊(duì)伍進(jìn)場作業(yè)的影響，廊道內(nèi)部新增許多干擾物體，例如照明設(shè)備、保護(hù)管、電纜、各類標(biāo)識物等，因此需要對兩期點(diǎn)云進(jìn)行平滑去噪，剔除干擾數(shù)據(jù)，僅保留廊道表面點(diǎn)云，使用廊道表面點(diǎn)云構(gòu)建的三角網(wǎng)模型（見圖2）。

圖2 兩期廊道三角網(wǎng)模型

對建立的三角網(wǎng)模型進(jìn)行精細(xì)化處理，選擇適當(dāng)?shù)耐队懊?，采用空間差值算法計(jì)算出廊道前后兩期數(shù)據(jù)在此間隔時(shí)間內(nèi)的變形值，其所得三維監(jiān)測如圖3～4所示。

圖3 廊道三維監(jiān)測成果俯視示意

在圖3和圖4中，淡藍(lán)色區(qū)域（未框出區(qū)域）為穩(wěn)定區(qū)域，變形很小；暖色調(diào)區(qū)域（框出區(qū)域）為黃色、紅色，表示變形值為正；藍(lán)色、深藍(lán)色區(qū)域表示變形值為負(fù)。通過對三維監(jiān)測圖分析可知，整個(gè)廊道在兩次掃描時(shí)間段內(nèi)整體未出現(xiàn)大幅度變形情況，中部下游邊墻存在大約1 cm的收斂變形。局部顯示變形區(qū)（黃色、紅色區(qū)域）是由于廊道施工擾動所帶來的觀測誤差，不代表廊道真實(shí)變形情況。因此此觀測期內(nèi)基礎(chǔ)廊道整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)較大變形情況。

圖4 廊道三維監(jiān)測成果軸測示意

引用圖5和圖6可知：由于此次三維激光掃描時(shí)間間隔較短，廊道總體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測云圖中的個(gè)別變形異常區(qū)域是由于現(xiàn)場施工干擾所帶來的觀測誤差，不代表廊道真實(shí)變形情況。但值得注意的是，從整體分析而言，廊道中部下游邊墻存在少量收斂變形（約1 cm），后續(xù)監(jiān)測中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此部位變形情況。

圖5 局部掃描變形異常區(qū)1

圖6 局部掃描變形異常區(qū)2

3.3 精度控制

對于不同于測圖、體型測繪、土方測量等應(yīng)用，基于三維激光掃描技術(shù)的廊道變形監(jiān)測對精度有較高要求，因此需要進(jìn)行誤差分析和精度控制。與傳統(tǒng)測量方式類似，三維激光掃描技術(shù)的誤差主要來源是外業(yè)誤差（設(shè)備誤差、環(huán)境誤差及基準(zhǔn)誤差等）和計(jì)算誤差，對于變形監(jiān)測應(yīng)用而言還存在著監(jiān)測分析誤差等。本文列出以下幾種方法來減小誤差加強(qiáng)精度：

（1）設(shè)備誤差可通過觀測時(shí)縮短掃描距離、降低垂直角大小、選用高性能掃描儀等方式削弱。

（2）環(huán)境誤差一般可通過選取適宜觀測時(shí)段、避開障礙物、點(diǎn)云去噪等方式削弱。

（3）基準(zhǔn)誤差可通過每年定期復(fù)測基準(zhǔn)值進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核，具備良好的精度、可靠性與長期穩(wěn)定性，將其作為三維激光掃描變形監(jiān)測的基準(zhǔn)可以很好消除基準(zhǔn)誤差帶來的影響。

（4）本文計(jì)算方法誤差采用基于表面模型的變形計(jì)算方法來獲取廊道位移量，該方法利用高密度點(diǎn)云擬合三維曲面，利用曲面連續(xù)不間斷的特性，能以更高精度完成廊道變形監(jiān)測，反映廊道整體的形變狀況。

（5）被測物體表面誤差可通過選取適宜架站位置、多期數(shù)據(jù)濾波等方式削弱影響。

4 結(jié) 論

通過大壩基礎(chǔ)廊道三維體型、二維斷面等監(jiān)測成果，可判斷與設(shè)計(jì)體型相比，基礎(chǔ)廊道實(shí)測體型已發(fā)生較大改變，變形主要集中在廊道中部的沉降變形和邊墻的收斂、膨脹變形。對于廊道中部的沉降變形而言，越靠近廊道中部區(qū)域變形量越大，變形量最大可達(dá)18 cm左右；基礎(chǔ)廊道上游邊墻變形量較小，約在1～2 cm之間，主要表現(xiàn)為向下游位移，其中靠近廊道頂部的邊墻變形量相對較大；基礎(chǔ)廊道下游邊墻在樁號K0+115 m至K0+145 m之間存在3～5 cm的膨脹變形，在樁號K0+185 m附近存在最大約6 cm的收斂變形，且在靠近廊道頂部的邊墻存在變形，其他區(qū)域基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大壩基礎(chǔ)廊道三維變形監(jiān)測，可獲得任意關(guān)注區(qū)域空間點(diǎn)的三維位置及變形量，靈活高效地建立多個(gè)分析斷面，這突破了傳統(tǒng)外觀變形監(jiān)測的諸多限制，監(jiān)測結(jié)果可以更好地反映整個(gè)被監(jiān)測對象不同位置的形變量級，并為綜合分析廊道的整體穩(wěn)定性和研究治理措施提供可靠的技術(shù)支持。