三維激光掃描在某水電站大壩基礎廊道變形監(jiān)測的應用

吳 夏，趙 亮

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130）

0 前 言

水電站大壩基礎廊道的安全監(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，當水電站大壩基礎廊道出現(xiàn)滲水量、變形量較大等異常情況時，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步，數(shù)字化實景監(jiān)測成為一種趨勢，如：陶傳達、聶澤棟、張秀才等［1］建筑項目竣工測量中地面激光掃描技術的應用嘗試；史秀保、汪帆、葛紀坤［2］三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測繪中的應用研究；夏國芳、王晏民［3］三維激光掃描技術在隧道橫縱斷面測量中的應用研究；王曉昳［4］三維激光掃描在城鎮(zhèn)地籍測量中的應用探討；劉紹堂［5］一種隧道整體變形監(jiān)測方法及其應用。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，三維激光掃描技術雖然能夠快速進行三維點云數(shù)據(jù)采集與實景復制，但對于應用于變形監(jiān)測還處于新興階段。

本文選取某水電站大壩基礎廊道變形作為監(jiān)測研究應用對象，使用三維激光掃描儀Trimble SX10進行初始三維點云數(shù)據(jù)采集與實景化復制，通過建立三維數(shù)模分析技術，實現(xiàn)從點對點跨越到面與面、體與體的監(jiān)測，從而能夠更有效地監(jiān)測基礎廊道整體的變形趨勢，并為進一步研究治理措施提供更為可靠有效的技術支持。

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生裂縫（長約150 m、寬約10 cm、深約80 cm），并形成錯臺（高差約80 cm）；大壩上游側防浪墻靠右岸側出現(xiàn)4處貫穿性裂縫，形成錯臺；大壩中部及左岸側防浪墻有擠壓破壞。左岸值班房向上游傾斜，最大傾角約6°，室內地面變形沉降。

當庫水位上升至一定高程以上時，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184 mm/月，并出現(xiàn)大范圍縱向裂縫和最大超過50 cm的錯臺，壩后坡出現(xiàn)多處凹凸變形和網格梁拱起折斷。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，基礎廊道新增部位下右側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。為確保大壩運行安全，經多方研究，采用了快速、無接觸的三維激光掃描技術進行大壩基礎廊道內部整體變形監(jiān)測的應研究，并以期為后續(xù)治理措施提供技術支持。

本次應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，整個工作流程主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、三角網模型建立、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，需設置合適的分辨率與掃描方式進行掃描，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境復雜度以及儀器本身有效工作范圍的不同，合理設計測站長度和標靶物的擺放位置。

2 三維激光掃描儀基本原理與特點

2.1 基本原理

三維激光掃描儀由軟件、硬件及連接線組成，軟件為后處理點云軟件，硬件為掃描儀、外（內）置照相機、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，能夠快速的計算出掃描儀到物體的距離。編碼器同時記錄此時的掃描儀的橫向角度和縱向角度，通過三角關系式，有距離和角度就能算出被測物體的三維坐標（如圖1所示）。

圖1 三維激光掃描基本原理

圖1中P點坐標的計算公式為：

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。

2.2 主要特點

三維激光掃描技術系近年來出現(xiàn)的新技術，在國內越來越引起相關領域的關注。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數(shù)據(jù)?？梢钥焖佟⒋罅康夭杉臻g點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段，其具有如下主要特點及優(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時就不能準確測量出所需要的坐標。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，進而完成變形體的監(jiān)測分析。

（2）“三高”。采樣速度高、精度高、分辨率高，毫米級點位精度與高密度的點云間距保證了監(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間內采集大量的點云數(shù)據(jù)。

（4）全數(shù)字化采集。測量數(shù)據(jù)以點云坐標數(shù)據(jù)顯示。

（5）包含全站儀測量模式與外置相機。三維激光掃描儀可以通過內置的全站儀功能完成設站，掃描時即可將采集數(shù)據(jù)附和至監(jiān)測控制網中。另外，測量時可以通過相機照射全景影像，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，方便后期人員的設計與應用。

（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 點云數(shù)據(jù)處理方法

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

（1）數(shù)據(jù)預處理：包括著色、格式轉換、點云裁剪等步驟，主要是為了裁剪掉與變形分析無關的點云及粗差點。

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

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

（4）去噪濾波：剔除噪點及粗差點。

（5）曲面擬合及編輯：以廊道基點點云為基礎擬合三維曲面，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)變形成果提取中應選擇單獨的“監(jiān)測塊”，由其直接計算變形。

傳統(tǒng)單點監(jiān)測模式中，以多次測量待定點的坐標獲取該點的位移量，但三維激光掃描技術使用的是無合作目標的測量模式，每次掃描所得點與點之間都不重合，故而無法通過測量同名點坐標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)從實地“實景復制”到點云上，以多期三維曲面模型檢測對比的方式測取廊道變形量。

3 工程實例

由于本次監(jiān)測分析缺少竣工測量相關數(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支持。

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用三維激光掃描技術在一定時間間隔采集基礎廊道的兩期三維點云數(shù)據(jù)，通過不同時間段空間信息的對比分析，監(jiān)測基礎廊道在該時段內三維變形時空演化規(guī)律，結合現(xiàn)場常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷基礎廊道在此時間段內的變形發(fā)展情況。

基礎廊道累計采集兩期數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間為2021年2月24日與2021年4月13日。初次掃描采集基礎廊道基準值，且此次數(shù)據(jù)可作為進場前基礎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)質量造成了一些不利影響，并且初次掃描期間基礎廊道照明設施損壞，所獲點云數(shù)據(jù)無法著色。

二次掃描時，所采集數(shù)據(jù)可同初次掃描數(shù)據(jù)進行三維監(jiān)測，分析基礎廊道在此期間的位移變形情況，也可將其與基礎廊道設計體型相對比，分析基礎廊道實測值與設計值之間的差異情況。二次掃描期間，施工隊伍已進場，基礎廊道內增加了照明設施，可獲取基礎廊道真彩色點云數(shù)據(jù)，所建模型可附著彩色照片。

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

3.2 監(jiān)測成果

本次某水電站基礎廊道掃描間隔為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。三維點云數(shù)據(jù)外業(yè)采集過程中均通過精密控制測量相關要求架設掃描儀，通過數(shù)據(jù)分析，結果顯示兩期掃描數(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。兩期點云數(shù)據(jù)時間跨度較小，但受到施工隊伍進場作業(yè)的影響，廊道內部新增許多干擾物體，例如照明設備、保護管、電纜、各類標識物等，因此需要對兩期點云進行平滑去噪，剔除干擾數(shù)據(jù)，僅保留廊道表面點云，使用廊道表面點云構建的三角網模型（見圖2）。

圖2 兩期廊道三角網模型

對建立的三角網模型進行精細化處理，選擇適當?shù)耐队懊?，采用空間差值算法計算出廊道前后兩期數(shù)據(jù)在此間隔時間內的變形值，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，淡藍色區(qū)域（未框出區(qū)域）為穩(wěn)定區(qū)域，變形很小；暖色調區(qū)域（框出區(qū)域）為黃色、紅色，表示變形值為正；藍色、深藍色區(qū)域表示變形值為負。通過對三維監(jiān)測圖分析可知，整個廊道在兩次掃描時間段內整體未出現(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，不代表廊道真實變形情況。因此此觀測期內基礎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)測中應重點關注此部位變形情況。

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

（1）設備誤差可通過觀測時縮短掃描距離、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段、避開障礙物、點云去噪等方式削弱。

（3）基準誤差可通過每年定期復測基準值進行穩(wěn)定性復核，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)測的基準可以很好消除基準誤差帶來的影響。

（4）本文計算方法誤差采用基于表面模型的變形計算方法來獲取廊道位移量，該方法利用高密度點云擬合三維曲面，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 論

通過大壩基礎廊道三維體型、二維斷面等監(jiān)測成果，可判斷與設計體型相比，基礎廊道實測體型已發(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18 cm左右；基礎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應用于大壩基礎廊道三維變形監(jiān)測，可獲得任意關注區(qū)域空間點的三維位置及變形量，靈活高效地建立多個分析斷面，這突破了傳統(tǒng)外觀變形監(jiān)測的諸多限制，監(jiān)測結果可以更好地反映整個被監(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支持。