水利工程高邊坡開挖面質量實時控制方法

任秀芳，聶懷軍，任廣艷

（1.費縣水利局，山東 費縣 273400；2.費縣農業農村局，山東 費縣 273400）

三維激光掃描是近幾年興起的一種新型高邊坡開挖面形態測量技術，利用此技術能夠精確獲取被測對象的表面空間數據，相較于傳統測量技術具有測量精度較高、測量時間較短、測量自動化程度較高等優點，對此本文利用高邊坡開挖面平均坡度、局部超欠挖、坡腳標高、不平整度等計算模型，再結合三維激光掃描技術獲取高邊坡開挖面測量數據，對高邊坡開挖面數據進行采集和評估，及時掌握高邊坡開挖施工動態，保證施工質量，控制施工工期。

1 高邊坡開挖面質量控制

1.1 高邊坡開挖面質量控制標準

1）高邊坡開挖的平均坡度應小于等于設計坡度。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）坡腳的標高應在±20 cm 范圍內。4）高邊坡開挖不平整度要小于15 cm。

1.2 高邊坡開挖面數據采集和處理設計

高邊坡開挖面質量分析的基礎是需要提前設計好工程施工參數，設計參數主要包括施工區域、工程類型、施工高度差、施工編號、開挖面坡比、控制點相應參數等數據。本文將水利工程施工的設計參數提前輸入到數據處理系統中，對設計參數進行統一管理，實現設計參數的參數化重構。平面開挖面和曲面開挖面可以分別用以下公式進行表示：

將設計參數輸入到公式中，用最小二乘法進行數據擬合，最終可以確定開挖面的控制參數。

1.3 數據掃描和預處理

利用三維激光掃描技術進行高邊坡開挖面掃描主要包括地形勘探、選點設站、數據掃描、數據校驗等，在進行掃描站點設置時場地應選擇空曠、無遮擋物、避風安全位置且掃描范圍不能遺漏應覆蓋整個高邊坡開挖面。在數據采集時由于施工場地影響會導致數據采集過程中出現大量噪聲，另外由于數據采集基數較大，會產生一些無用或錯誤數據，這時就需要進行數據預處理。數據預處理主要是處理云數據中的施工噪音及錯誤和重復數據。數據預處理利用三維激光掃描儀系統自帶數據后處理軟件cyclone 進行，然后系統將處理后的點云數據導出以txt 格式存儲到三維激光掃描儀儲存卡上用于后續的數據精細處理及計算。

1.4 數據提取

利用三維激光掃描技術獲得的點云數據，經預處理后可獲得比設計高邊坡開挖面面積稍大的點云數據，為了保證獲得數據的精確度，將獲得點云數據區域和設計高邊坡開挖面區域進行匹配，在保證精確度的同時提取符合設計高邊坡開挖面區域條件的數據，本文的數據提出采用射線法進行，即利用高邊坡開挖面的設計控制點坐標進行數據的提取。

1.5 高邊坡開挖施工質量實時控制

高邊坡開挖施工通常按照從上到下、分層爆破開挖、邊開挖邊支護的施工方式。每層高邊坡在開挖前需要提前做好準備工作，進行測量放樣并校準后才能進行分層爆破開挖，每爆破開挖一層后需要進行一次質量檢查，以保證開挖質量，另外每爆破一層需要進行支護施工，以保證施工安全。高邊坡開挖是一個動態施工過程，在不斷施工下高邊坡開挖面的形態不斷變化，所以高邊坡開挖面的數據要實時采集，以保證能夠及時糾正高邊坡開挖工程，保證施工進度。高邊坡開挖數據采集采用三維激光掃描儀進行，在開挖面施工期間及時采集開挖數據，根據采集的高邊坡開挖數據對高邊坡開挖施工進行實時分析和評定，并將評定結果反饋給施工技術人員，技術人員根據施工數據糾正施工偏差，以保證高邊坡開挖面符合工程設計要求。

2 工程實例分析

以王屋水庫除險加固工程右岸高邊坡開挖作為實例，該右岸高邊坡長約70 m，高度約為15 m，初步勘探此高邊坡形狀為不規則的四邊形，高邊坡開挖面設計坡比為1∶0.75，高邊坡開挖面數據采集采用型號為Leica HDS8800 三維激光掃描儀進行。

按照工程設計資料要求獲取四個控制點的已轉換相對坐標，按照控制點坐標對Ax+By+Cz+D=0 方程進行擬合，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，按照該設計基準面平面方程對擬合誤差進行計算，結果見表1。

表1 四個控制點坐標誤差分析情況

工程點云數據經預處理后，按照預處理后的控制點坐標提取高邊坡設計開挖面以外數據，實際高邊坡開挖施工數據提取范圍和高邊坡施工設計基準面基本吻合，沒有設計范圍外數據。

對高邊坡開挖面點云數據進行處理后分析高邊坡開挖面施工質量，將5 m 作為開挖質量分析間距，共分析14 個高邊坡開挖斷面，求得開挖斷面的平均坡腳標高為1 144.62 m，平均坡比為1∶0.742，上述數據均符合高邊坡開挖工程質量要求。高邊坡開挖超欠挖分析，在開挖斷面每間隔15 m 取一個典型施工斷面進行分析，可知：在高邊坡坡腳位置存在超挖現象，而且越靠近坡腳位置，超挖現象越嚴重。高邊坡開挖不平整度分析，利用三維激光掃描儀獲得的高邊坡開挖面點云數據計算出開挖面的不平整度為23.58 cm，此數值大于高邊坡開挖設計要求，對不平整度進行分析發現，產生不平等度數值較大的主要原因是高邊坡存在超挖現象，經進一步數據分析確定高邊坡超挖位置，將分析數據反饋到施工技術人員進一步分析，從而及時調整施工計劃，保證高邊坡開挖施工質量。

3 結 語

本文基于高邊坡開挖面數據采集的精確度和效率方面，利用高邊坡開挖面平均坡度、局部超欠挖、坡腳標高、不平整度等計算模型，同時結合三維激光掃描技術進行高邊坡開挖面數據的采集及預處理，在保證精確度的同時提取符合設計高邊坡開挖面區域條件的數據，對實際高邊坡開挖面數據進行采集和評估，及時掌握高邊坡開挖施工動態，實時調整高邊坡開挖施工計劃。以王屋水庫除險加固工程右岸高邊坡開挖作為實例，對上述高邊坡開挖面質量實時控制方法進行了分析驗證，運用高邊坡開挖面質量控制標準建立的評價計算模型再結合三維激光掃描技術高邊坡開挖面數據采集和處理能夠切實保證高邊皮開挖的施工質量，在高邊坡開挖施工期間不斷獲取開挖數據進行分析評估，調整施工計劃，在規定工期內高質量完成高邊坡開挖任務。