山區高速公路邊坡防護工程面積測量技術研究

程海潛 李王康 張 健

(1.湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079； 2.崇陽縣交通運輸局，湖北 崇陽 437500； 3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700)

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山區高速公路邊坡防護工程面積測量技術研究

程海潛1，2李王康2張 健3

(1.湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079； 2.崇陽縣交通運輸局，湖北 崇陽 437500； 3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700)

以湖北麻城至武穴高速公路為依托，分別采用皮尺、全站儀、GPS-RTK三種方法測量了試驗邊坡面積，并從準確性、可操作性、可驗證性、經濟性、安全性等方面，對比分析了各種方法的優缺點，最終推薦在全線邊坡防護工程面積測量中采用皮尺法。

邊坡防護工程，面積測量，皮尺，全站儀，GPS-RTK

0 引言

路基土石方施工是公路工程的一項重要內容，無論是填方路基形成的路堤邊坡還是挖方路基形成的路塹邊坡，都需要對邊坡進行加固或綠化防護，以達到行車安全或生態環境保護的目的。在地形起伏不大的平原微丘地帶，公路的填挖工程量小，且路基坡面規則，這種地形條件下的邊坡防護面積測量工作易于開展。但在地形起伏較大的山嶺重丘區，竣工邊坡的實際情況與施工圖設計差異較大。差異主要表現在起訖樁號、坡面面積、防護形式等方面，一般需進行設計變更。對于山區高速公路，路基防護工程線長面廣，需專業單位完成現場測量工程，為設計單位變更提供數據；同時，業主需要客觀準確的測量數據作為與施工單位進行工程結算的依據。因此，邊坡防護工程面積測量工作日益受到高速公路參建各方的重視。測量方法如果選擇不當，會出現較大的誤差，造成爭議。本文以湖北麻城至武穴高速公路邊坡防護工程測量項目為依托，分別使用皮尺、全站儀和GPS-RTK等三種相對成熟的方法對同一邊坡施測，并對測量過程和成果進行對比分析，找到各方認可的推薦測量方案。

1 三種測量方法在邊坡面積測量中的應用

本次測量選取了蘄春段的一處四級路塹邊坡作為研究對象，設計樁號K104+769～K105+019，現場照片見圖1。該段邊坡除有客土噴播植物防護外，還設有錨桿框架梁工程防護，具有廣泛代表性。其對面斜向有一處三級路塹邊坡，坡頂能架設測量儀器，便于本次試驗研究。

1.1 皮尺丈量

皮尺是最常見也最便于攜帶的一種長度測量工具，邊坡測量工作中需多人配合。具體的做法和步驟是：首先參考設計圖紙、根據現場情況確定特征點。坡面線形變化點、不同防護類型坡面的分界點均可設為特征點，在第一級邊坡坡底測量定好起訖樁號。然后，測量人員分工協作由下往上逐級測量坡面的斜面高度。一人持尺頭站在第一級坡的坡底，另一人持尺站在上一級坡底平臺，兩人同向行走，在特征點處測量報讀該處坡高值。第三個人負責觀察糾正前兩人的站位，并在原始記錄表上繪出草圖，記錄測點位置和坡高等測量數據。各級坡面照此方法進行測量。若采用多級坡同時丈量的方法，則需要更多測量人員。當地形起伏較大或者兩點距離較遠時，需用花桿進行直線定線，確保跑點人員的測線垂直。

外業完成后，整理測量數據，繪制邊坡立面示意圖見圖2，根據圖2中記錄的數據計算該邊坡防護工程的面積。由圖2可見，該邊坡通過平臺分界由下往上劃分為一級邊坡、二級邊坡、三級邊坡、四級邊坡。其中一級邊坡、二級邊坡因中段有錨桿框架梁，故分三塊進行了統計。各級坡面可以按梯形、矩形和三角形分塊；第四級邊坡的邊坡點比較多，需將其進一步細分。將各個部分面積求和得到各級邊坡的面積，最終的計算成果匯總在表1中。經與施工單位之前皮尺丈量的測算結果比對，總面積相差率為1.4%，有很高的可信度。

表1 皮尺測量方法邊坡面積數據

坡級起訖樁號坡面面積m2施工單位數據m2差異率%一級邊坡K104+769～K104+810305.05342.881.2一級邊坡K104+810～K104+9631484.101486.770.2一級邊坡K104+963～K105+019500.50511.012.1二級邊坡K104+793～K104+81725.5024.28-4.8二級邊坡K104+810～K104+9631258.951304.273.6二級邊坡K104+963～K104+996136.95134.07-2.1三級邊坡K104+817～K104+9631087.701072.47-1.4四級邊坡K104+833～K104+904255.45249.064-2.5合計5054.25124.82-1.4

1.2 全站儀測量

本次試驗利用全站儀進行邊坡面積測量時，采用了免棱鏡法采集坡面特征點的三維坐標，具體步驟是：首先確定一級邊坡的特征點，按順時針方向排列編號，放置支架，貼上反光片。在對面的三級路塹邊坡頂面架立全站儀，假定該測站坐標已知，先測出某一個點的坐標作為后視定向點；進入全站儀的測量菜單，將全站儀的望遠鏡依次瞄準各個邊坡點處的反光片，從而測得各個邊坡點相對于測站的坐標。其他坡級的測量依次進行。為減小工作量，一級、二級坡面沒有分塊測量。最后將測得的各點坐標通過數據線傳輸到計算機，用數據后處理軟件完成面積計算。

1.3 GPS-RTK測量

GPS-RTK具體的觀測步驟和觀測方法是：首先將基準站架設于公路空曠無遮擋處，開機并將儀器設置為基準站工作模式。然后將另一臺接收機用手薄設置為移動站工作模式，并新建一個工程項目以便于保存測量數目，最后測量人員手持移動站的對中桿立于已經標定好的邊坡點處，點擊測量或記錄命令，獲取各個邊坡點的三維坐標。這些點的坐標以.dat格式存儲在手薄中，測量完成后可以利用藍牙或者是數據線從手薄中傳輸到計算機中。最后在計算機上打開CASS軟件，將野外獲取的邊坡點的坐標展到CASS軟件中，利用CASS的面積計算菜單完成邊坡面積的計算工作。因CASS軟件計算出的面積是水平面積，采用設計坡率換算出坡面面積。

由于所選邊坡地形起伏不大、邊界及坡度規整，所以皮尺所測得的結果精度較高。以皮尺測量數據為參照，三種測量方法所測邊坡數據匯總見表2。

表2 各測量方法邊坡面積及差異率數據匯總表

2 三種測量方法的優缺點分析

我們設定準確性、可操作性、可驗證性、經濟性和安全性等指標對三種測量方法進行分析。

2.1 準確性

由于坡面邊界是人為確定的，所以準確性并不等同于測量工具儀器本身的精度。排除人為疏漏原因，皮尺測量的長度誤差一般約幾厘米，準確性很高。從表2數據看出，相對于皮尺法，全站儀法所得面積有大有小、數據離散，但總體差異不大，準確性尚可。誤差可能是由于部分反光片被附近植被遮擋或干擾所產生。GPS-RTK法所得面積普遍偏大，總體差異在5%左右。該法需根據設計坡率折算得邊坡面積，而試驗段實際坡度比設計更陡，因而產生了系統誤差。要消除系統誤差，需額外測量各測區邊坡實際坡率。

2.2 可操作性

邊坡測量任務一般分為外業測量和內業計算及繪圖兩階段。皮尺法外業可操作性較高，非測量專業人員也可在較短時間培訓后進行熟練掌握，但易受環境因素影響，在坡度大、局部垮塌、植被茂密的工程現場存在拉尺困難。全站儀運用免棱鏡法更加便利，但要求儀器架設在對面坡面，且要高于待測坡面，否則上級坡腳受平臺遮擋無法測到。內業方面，皮尺法的面積計算簡單直接，但需人工處理。全站儀和GPS-RTK自動化程度高，但對操作人員的技能水平要求更高。

2.3 可驗證性

采用皮尺方式采集的是長度數據，可以在某坡面測量完成時直觀的看到標有所測數據草圖，內業手工計算，全過程可追溯。如果出現面積數據爭議，可以通過檢查區分計算錯誤和測量錯誤，只有出現長度值爭議時，才需要返回現場進行有針對性的驗證測量。全站儀與GPS-RTK法測到極坐標、直角坐標數據，通過儀器軟件轉換計算面積，不能很直觀的與邊坡實體相對應，一旦面積出現差錯，不易找出問題原因。即使是個別數據錯誤導致面積出現爭議，也必須返回現場對整個坡面重新進行測量，測量驗證代價極高。

2.4 經濟性

外業測量工作成本占很大比重。因人工費逐年上漲，要降低測量費用，應盡可能減少外業用工量。皮尺雖價格低廉，但邊坡測量方式過于繁瑣，速度較慢，多級坡面測量過程中一般需4人～6人配合，且極易受到如防護植被障礙、天氣等因素影響測量的進度，人力成本很高。全站儀和GPS-RTK儀器雖價格高，但操作速度快，任何坡面1人～3人就能完成外業測量工作。從整條高速公路邊坡測量任務來看，皮尺法外業用工量約5倍于全站儀和GPS-RTK法。

就內業工作而言，皮尺方式全過程手工計算為主，最費工時。全站儀法自行計算結果，其內業處理最為簡單。而GPS-RTK法的內業計算過程相當于半自動，其效率相對全站儀稍低一些。

2.5 安全性

測量人員的安全威脅主要源自交通和高處墜落。前者對各種測量方法同等存在，但后者發生的概率與在坡面作業的人數和時間相關。皮尺法在每級邊坡測量中需要上下兩人拉長皮尺在邊坡上行走、測量，地勢陡峻、植被阻擋以及天雨地滑等因素均易導致滑倒。而全站儀法只需將貼上反光片的支架放置在待測點處，人員在坡面工作時間最短。而使用GPS-RTK法時，測量人員需手持移動站的對中桿立于已經標定好的特征點處，點擊測量或記錄命令，較皮尺測量相對安全。對比分析情況匯總見表3。

表3 三種測量方法的適用情況匯總表

用不同的指標衡量，三種測量方法各有優劣，在全線測量中更適宜采用何種方法一時難以決定。可根據委托方的側重選擇測量方法。

本例中全站儀與GPS-RTK的綜合評價相對較低，并不說明技術本身落后，而是因為現階段的應用水平較低，在建設各方非常重視的準確性及可驗證性方面沒有優勢。相信隨著研究的深入，全站儀與GPS-RTK技術將形成完整系統的邊坡面積測量方法，逐漸獲得認可。

3 結語

本文就邊坡面積測量技術展開研究，以實際坡面應用三種測量方法測得數據，通過準確性、可操作性、可驗證性、經濟性和安全性等指標衡量優缺點，結果表明，以現有的應用水平，皮尺法為最優方案，推薦在全線邊坡防護工程面積測量中采用。

測量技術日新月異，除全站儀與GPS-RTK技術外，三維激光掃描實景復制、無人機航測等技術也越來越多地應用于公路工程實踐中。但是無論何種測量方法都有其自身的優缺點和適用條件，要根據工程實際合理設計測量方案，解決應用中出現的問題，才能充分發揮先進技術的精度和效率優勢。

[1] 張波清,黃朝禧.用全站儀測量土地面積的方法和精度分析[J].地礦測繪，2003(3):26-27，33.

[2] 張兵強，羅生虎，曹海波，等.GPS在山區高速公路邊坡監測中應用[J].西安科技大學學報，2014(6)：107-111.

[3] 王 曉,高 偉,張 帥.GPS-RTK測量精度的影響因素研究與實驗分析[J].全球定位系統，2010(4)：30-34.

[4] 李媛媛.山區高速公路邊坡生態防護研究[J].交通與運輸(學術版)，2010(1)：114-117.

Study on the area measurement of the expressway slope protection works in mountainous area

Cheng Haiqian1,2Li Wangkang2Zhang Jian3

(1.HubeiCommunicationTechnicalCollege，Wuhan430079，China； 2.ChongyangTransportDepartment,Chongyang437500,China； 3.DanjiangkouTransportDepartment，Danjiangkou442700，China)

Taking the Hubei Macheng to Wuxue highway as the basis, this paper respectively used tape, total station, GPS-RTK three methods to measure the test slope area, and from the accuracy, maneuverability, testability, economy, safety and other aspects, compared and analyzed the advantages and disadvantages of various methods, finally recommended using tape method in total line slope protection area measurement.

slope protection engineering, area measurement, tape, total station, GPS-RTK

1009-6825(2016)28-0196-03

2016-07-27

程海潛(1974- )，男，副教授，高級工程師

TU198

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