堆石壩施工倉面手持式一體化測量系統研制與應用

褚 棟，劉東海，楊 文

(1.天津大學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節，提高施工倉面測量的效率和準確性，對加快施工和確保施工質量具有重要意義。當前堆石壩施工倉面坐標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)、全站儀等進行采集和人工計算，并通過人工抄錄或存儲盤拷貝的方式，進行量測數據的轉交和記錄[1-2]。這個過程人為因素影響較大，效率低，難以保證數據的真實性和時效性。另外，在工程實踐中，往往缺乏一個統一的系統平臺對此類倉面測量成果數據進行綜合管理，這就造成數據分散的記錄于各類紙質文檔和電子表格中，難以被及時有效地調用以輔助工程管理人員進行決策判斷。

同時，隨著堆石壩碾壓質量實時監控系統[3-4]的應用和推廣，作為堆石壩碾壓質量監控的準備工作，“開倉”是確保監控系統正確計算碾壓參數和統計碾壓成果的關鍵環節。盡管當前施工倉面測量已經利用了全站儀、GNSS-RTK等先進的測量手段[5-7]，但是測量工作與施工質量監控往往是脫節的，數字化及一體化管理水平較低，且存在人工數據記錄及不同系統間人工數據傳輸低效的弊端。

因此，有必要研究開發集成碾壓建倉—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，同步將測量成果數據通過遠程服務器數據庫與碾壓監控分控站、總控中心共享，將傳統的手工方式改成全流程數字化，以實現施工測量和碾壓監控系統的無縫銜接，從而提高施工倉面量測作業任務的效率和準確性。

1 系統結構與功能設計

1.1 系統總體結構

該堆石壩施工倉面快速一體化量測系統包括GNSS基站、手持式RTK測量裝置、智能手簿、數據庫及應用服務器、現場分控站客戶端和安裝有GNSS的碾壓機等六部分，其系統組成結構如圖1所示。

圖1 系統總體構成

(1)GNSS基站。GNSS基站是整個系統的“位置標準”。將GNSS 觀測的坐標數據和該基準點的已知位置信息實時發送給手持式RTK測量裝置，通過與手持式RTK測量裝置的定位數據一起進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，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、數據傳送模塊等。倉面采樣點的空間位置坐標及壓實高程、壓實厚度以及壓實工程量通過數據傳送模塊以3G/4G方式發送到數據庫和應用服務器中，并更新存儲在數據庫和應用服務器中的相應文件中，以供后續現場分控站客戶端進行壓實高程及壓實厚度監測。

(4)數據庫及應用服務器。該部分包括數據庫和應用服務器，分別用來接收、存儲智能手簿發送的數據以及對數據進行分析、判斷并進行反饋控制。

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

(6)安裝有GNSS的碾壓機。該碾壓機裝備了車載高精度GNSS定位導航單元、信息控制單元、自組網無線通信單元和GNSS天線，可在碾壓作業的過程中實時獲取、處理和向數據庫及應用服務器發送碾壓器械位置信息。

1.2 系統功能設計

結合工程實際應用，以及和堆石壩碾壓質量實時監控系統的無縫結合，該系統主要包括如下功能：

(1)碾壓開倉測量。倉面碾壓施工前，現場測量人員利用手持式RTK裝置進行倉面邊界點測量，邊界數據通過網絡直接發送到數據庫，分控站工作人員只需通過讀取相應倉面開倉文件即可完成當前倉面開倉。

(2)壓實高程及壓實工程量計算。倉面完成碾壓施工后現場測量人員利用手持式RTK裝置進行倉面采樣點坐標采集，數據保存至數據庫，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。當施工倉面完成碾壓或某高程下所有分區的倉面完成碾壓后，第三方單位(如業主)可以使用RTK測量裝置對施工倉面進行校核測量，校核邊界可以直接上傳至系統，校核結果在一體化測量系統內進行查詢。

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；v為當前施工倉面的壓實方量。

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

(1)通過對施工倉面進行格網劃分，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)計算同一設計高程下所有施工倉面壓實工程量時需要調用數據庫保存的高程數據，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，然后對該設計高程下不同施工倉面的壓實工程量進行累加，實現該設計高程下所有施工倉面壓實工程量的計算。

(4)

式中，V層面為該設計高程下的所有倉面壓實工程量；h(x，y)為網格點高差；ds為積分單元面積；i為該設計高程下倉面個數。

2 系統應用流程

結合堆石壩施工現場控制的要求，利用該系統進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 系統應用流程

(1)測量準備。用戶開始測量前，需要明確當前測量倉面壩料種類和施工區域高程，采用不同的施工壩料名稱對不同施工倉面進行命名。施工測量人員利用智能手簿，根據當前施工倉面壩料分區、起始高程，以及該分區同高程的倉面序號，通過碾壓倉面建立模塊新建碾壓倉面文件；當RTK接收機完成與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進行精確測量。

(2)碾壓過程監控。工作人員通過在現場分控站客戶端訪問數據庫及應用服務器，獲得新建的施工倉面邊界，進行開倉，并派遣裝有GNSS的碾壓機，對其碾壓過程進行實時監控。

(3)收倉測量。待碾壓結束后，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，然后將上述數據上傳至數據庫及應用服務器中。

(4)成果輸出。工作人員通過現場分控站客戶端，從數據庫及應用服務器中獲得平均壓實高程/平均壓實厚度，與設定的該倉面的壓實高程/壓實厚度的標準值進行比較。當平均壓實高程/平均壓實厚度不達標時，現場分控站客戶端提示并引導相關施工人員進行整改。工作人員可以通過現場分控站客戶端，查詢某個施工倉面的壓實方量，用于工程量結算。

3 工程應用

3.1 一體化量測應用

所研制的系統在夾巖水利樞紐工程水源1標面板堆石壩工程進行了實例應用。夾巖面板堆石壩主堆石區(3B)填筑面積較大，壩料最大粒徑為800 mm，壓實厚度規定為800 mm。圖3為利用手持式RTK測量裝置進行碾壓倉面邊界測量并開倉的應用流程。分控站工作人員在進行開倉工作時，只需點擊讀取，即可在遠程數據庫調用倉面邊界文件，完成開倉，實現一體化測量系統與碾壓質量實時監控系統無縫銜接的目的。

圖3 手持式RTK測量裝置開倉流程

當分控站工作人員完成開倉工作后，安裝有GNSS的碾壓機在本裝置測量的倉面邊界內進行碾壓施工，如圖4a所示。在施工過程中，建設各方可以

圖4 碾壓過程監控和成果查詢界面

在碾壓監控系統中對當前施工倉面的碾壓參數進行實時查詢；當倉面完成碾壓后，工作人員利用本裝置對倉面壓實高程進行采集，測量信息通過數字歸檔存儲到遠程數據庫中。工作人員可以在一體化測量系統中查詢測量成果，其中倉面信息以倉面統計表的形式在系統顯示，同時系統內還會繪制出倉面方量的統計圖，如圖4b所示。

3.2 第三方校核應用

倉面施工結束后，第三方單位(如業主)可以使用手持式RTK量測裝置對施工結束的區域進行倉面校核。校核內容包括倉面面積、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域的碾壓，這可能會導致較大的質量隱患，需重點校核監控)。校核的區域可以為某種填筑料分區的一個倉面，也可以是當前高程下所有倉面的校核。

圖5為系統用于某高程施工倉面邊界的和工程量校核的應用界面。以1 315.6 m高程為例，此高程下共有下游堆石區(3C2)、主堆石區(3B)、過渡區(3A)、墊層區(2A)4個分區的共4個倉面。由圖5可知，左岸邊坡校核邊界與監控邊界最大間距為0.82 m，右岸邊坡校核邊界與監控邊界最大間距為0.74 m，校核邊界與施工開倉邊界基本一致，即實際碾壓區域與校核區域較為一致；此外，從圖5還可以看出，除下游左岸有少數部分超出監控邊界，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控系統的實時監控。

圖5中的校核面積是校核邊界圍成區域的面積，監控面積為所有碾壓監控倉面的面積。1 315.6 m高程下的校核面積為15 489.879 m2，監控面積為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，該模塊能夠進行施工工程量復核，利用前文第1.3節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(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據對比情況。總的來看，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 論

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

(2)該系統具備倉面校核功能，能夠對施工結束的倉面進行邊界及面積復核。校核邊界與施工測量監測邊界吻合情況良好，說明現場施工測量準確，工程量與碾壓邊界控制符合實際情況，為確保碾壓質量(不漏碾)和工程量校核提供了有效工具。