三维激光扫描技术在面板堆石坝挤压边墙变形监测中的应用

万智勇，黄耀英，赵新瑞，左全裕，李祥红

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.湖南涔天河工程建设投资有限责任公司，湖南 永州 425500)

三维激光扫描技术在面板堆石坝挤压边墙变形监测中的应用

万智勇1，黄耀英1，赵新瑞1，左全裕2，李祥红2

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.湖南涔天河工程建设投资有限责任公司，湖南 永州 425500)

为了分析挤压边墙的变形特性对混凝土面板的施工及应力变形影响，首次采用瑞士徕卡公司生产的ScanStationP40扫描仪对涔天河面板堆石坝挤压边墙进行3期扫描，将第1期扫描点云数据作为基准数据，将第2期、第3期扫描的点云数据分别与基准数据进行对比分析来获取挤压边墙的变形特性，然后与同期挤压边墙上的棱镜实测数据对比分析。结果表明：挤压边墙中上部呈向下游位移的趋势，而下部呈向上游位移趋势；基于三维激光扫描的挤压边墙顺河向位移变化区域大于棱镜实测顺河向位移变化区域；挤压边墙中上部沉降较大，两岸沉降较小，挤压边墙处于变形发展阶段，尚不适合进行面板施工；2种监测手段得到的挤压边墙变形趋势基本一致。说明利用三维激光扫描技术对面板堆石坝挤压边墙表面变形进行监测是可行的，可为类似工程提供参考。

面板堆石坝；挤压边墙；三维激光扫描；点云数据；变形监测

1 研究背景

三维激光扫描技术是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。近年来，三维激光扫描技术已广泛应用于隧道、滑坡体、基坑沉陷及岩体结构调查等监测领域[1-4]。实践证明，该技术用于变形监测具有可行性，其与常规变形监测手段相比，突破了传统的单点监测方法，具有数据采集效率高、数据获取速度快、数据分辨率高、测量精度高、无接触测量等优点[5]。目前三维激光扫描技术在国内外坝工界已得到应用，加拿大OPTECH公司以瑞典Porjus大坝为背景对三维激光扫描技术在变形监测中的可行性进行了研究，并对韩国Hoengscong水利大坝上下游整体进行了变形监测；王举等[6]提出了一种基于三维激光扫描技术的土石坝变形监测方法，并将其应用于尖岗水库；郭超[7]将三维激光扫描监测值与水准监测数据进行了对比，验证了三维激光扫描技术应用于矿区大坝沉陷监测的可行性。

对于施工期面板堆石坝而言，大坝变形监测尤为重要。目前面板堆石坝表面位移监测常采用视准线法、前方交会法及解析三角高程法[8]，而基于三维激光扫描的面板堆石坝挤压边墙位移监测尚未有文献报导。

挤压边墙作为混凝土面板的直接承载体，需要对其变形特性进行分析以指导混凝土面板的施工。而堆石坝内埋设的沉降仪监测常远落后于施工进度，不能及时反映其变形规律，因此，在浇筑面板混凝土之前，一般需要对挤压边墙的变形进行监测。为此，本文以施工期的涔天河水库面板堆石坝为例，采用瑞士徕卡公司生产的ScanStationP40扫描仪对面板堆石坝挤压边墙进行3期扫描，通过扫描仪配套软件Cyclone和3DReshaper对3期坝体形变情况进行监测分析，并将其与同期的全站仪测量结果进行比较，探讨三维激光扫描技术在面板堆石坝挤压边墙变形监测中应用的可行性。

2 三维激光扫描技术监测方法

三维激光扫描通过高精度、高密集对监测对象进行立体空间面状扫描，获取监测体的整体数据，通过定期(或周期)对监测体的扫描数据对比分析，作出对监测对象的正确评估。三维激光扫描系统一般由扫描系统、控制系统和供电系统组成。按照三维激光扫描仪测距方式的不同，分为脉冲式、相位式、激光三角法3种基本测距原理。三维激光扫描仪原理在文献[9]有详细报导，本文不再赘述。对于面板堆石坝挤压边墙的变形监测，三维激光扫描技术手段主要分为外业扫描与内业数据处理2个部分。

2.1 外业扫描

外业扫描主要基于徕卡ScanStationP40采集数据而展开工作，包括监测基点布设、测站选取、控制标靶布置、扫描仪架站、扫描仪扫描、控制点匹配。

2.1.1 监测基点布设

控制点原则上选择坝体两侧沉降可忽略的区域，切质地牢固，不易被损坏，利用钢钉标记并现场做好保护措施。为了监测施工期的面板坝挤压边墙表面变形，选择上游围堰左右两岸沉降可忽略的区域分别布设2个监测基点。

2.1.2 测站选取

考虑现场的地形、交通等因素，根据扫描目标的范围、规模、地形起伏，选取比较安全、通视良好、沉降相对稳定的测站点；测站数量尽量少，一般以测站数≤3站为宜；测站之间距离尽量适中。

2.1.3 控制标靶布置

控制标靶即用于不同测站所获取点云数据拼接的控制点。标靶布置在测站扫描的公共区域范围，标靶布设应均匀分布，必须布置于两相邻测站扫描仪都能识别标靶中心(直径2 mm的特殊材质的激光反射点) 的位置; 同一区域布置的控制标靶数量至少≥3个(一般情况下布置4～5个标靶)。

2.1.4 扫描仪架站

徕卡ScanStationP40扫描仪是一款快速获取被测物体空间三维坐标信息的测量设备，架设于测量型三脚架上方，整平后进行扫描操作，可以采集多达1 000 000点/s的数据，此种数据集合称之为点云，点云的集合记录了物体空间信息的准确分布，单点绝对精度可达3 mm，物体表面平整度噪声控制可达0.5 mm，扫描范围最远可达270 m。在已设定的测站处，将扫描仪架设于测量型三脚架上方，整平后进行扫描操作。

基于上游围堰左右两岸布设的2个监测基点，采用三维激光扫描仪从右岸向左岸逐一进行扫描，即在设定的测站处，将三维激光扫描仪架站，首先扫描获得右岸监测基点处标靶的坐标，接着扫描测站左侧的控制标靶的坐标，然后进行挤压边墙表面扫描；移动到下一个测站，再次架站、测站右侧控制标靶扫描、测站左侧控制标靶扫描、挤压边墙表面扫描；依次类推，逐站扫描至左岸监测基点。同理，也可以从左岸向右岸逐一进行扫描。

2.1.6 控制点匹配

以第1期数据为基准数据，根据每2期数据(例如第2期与第1期或第3期与第1期等)比较的需求，原则上每2期扫描的点云必须处于同一坐标系下。利用扫描仪标靶，记录好前期布设好的控制点位，基于左右岸的监测基点配准坐标系，作为第2期与第1期(或第3期与第1期)扫描数据的同名点处理，可较为便捷地将2期数据控制在同一坐标系下。

2.2 内业数据处理

内业数据处理包括点云的标靶自动拼接、点云的坐标转换、点云的过滤、点云数据的形变分析。

2.2.1 点云的标靶自动拼接

徕卡ScanStationP40扫描仪配套Cyclone软件支持标靶自动拼接，导入数据后，利用扫描时的独立标靶，软件可以在相邻扫描仪站点之间自动添加约束条件，自动进行高精度拼接，并生成站与站之间的拼接报告，帮助控制拼接误差。在利用标靶拼接扫描时，拼接精度一般情况下可以控制在0～1 mm。

2.2.2 点云的坐标转换

首先将第1期扫描的控制点位坐标扣除仪器高度，然后将新坐标数据以文本文件的方式导入第2期扫描数据中，2期扫描数据以控制点位进行坐标校准，可将2期扫描数据配准到一个坐标系下，方便后期的点云数据比较。同理可将第3期与第1期的扫描数据按同样的方式进行坐标匹配。

二是适当放开项目承担单位在项目预算执行调整方面的权限。政策调整前，项目单位只在劳务费、专家咨询费和管理费以外的其他8项单项支出科目中，当预算支出科目不超出核定预算的10%、或虽然超出10%但金额不低于5万元的预算执行调整具有自主权。政策调整后，在项目总预算不变的前提下,项目承担单位可以自主调整直接费用中的材料费等5项开支科目的预算执行，并且没有调整额度的限制。同时，《通知》还赋予项目承担单位在设备费等6项费用上拥有调减用于课题其他方面支出的权限。

2.2.3 点云的过滤

点云过滤是点云的剔除过程，通过配套Cyclone软件进行点云的过滤工作，将多余的扫描数据和噪声通过软件功能进行剔除，保留用于后续点云的分析，过滤过程处理得越精准，为后续成果输出提供的数据质量越好，在下一步的数据处理中，相应的工作量也会更小，所以点云过滤是整个数据处理中不可忽视的环节。

2.2.4 点云数据的形变分析

在点云完成拼接和过滤的基础上，软件可对目标点云进行高精度形变分析。分析的成果以色谱图的形式直观展示，同时以专业的报表形式打印出来供专业分析。具体的操作方式为：

(1) 原始的点云处理软件Cyclone将过滤好的第2期与第1期点云数据、第3期与第1期点云数据分别以文本文件的方式导出。

(2) 将第2期与第1期点云数据、第3期与第1期点云数据分别导入专业的三维分析软件3DReshaper。

(3) 利用3DReshaper的模型创建功能将第1期数据进行建模，使得第2期数据、第3期数据进行叠加计算时，可避免不同期点数据之间存在空隙而引起误差。

(4) 将第2期点云数据与第1期点云数据模型进行叠加计算，在设置好计算参数后，自动得出计算结果，直观、方便。同理可将第3期数据与第1期数据叠加计算得出结果。

三维激光扫描技术在面板堆石坝挤压边墙变形监测中应用的技术工作路线见图1。

图1 面板堆石坝挤压边墙监测工作路线Fig.1 Work route of monitoring the extrusion sidewall of concrete-faced rockfill dam

3 实例分析

3.1 工程概况

涔天河水库位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游峡谷出口处，下距江华县城12 km。由于老坝坝高较低，水库库容小，调节能力低，涔天河水库长期处于“大材小用”的尴尬境地，不能适应经济社会发展的需要。因此，根据坝址区地形地质条件，将新坝(扩建工程)建在老坝下游，新坝轴线距老坝轴线194.9 m，河床段趾板上缘距老溢流坝坝趾8 m，在施工期将老坝作为上游围堰。

涔天河水库扩建工程大坝坝型为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程324 m，趾板最低高程210 m，最大坝高114.0 m。涔天河水库扩建工程是具有灌溉、防洪、下游补水和发电功能，兼顾航运等综合利用效益的大型水利水电枢纽工程，水库正常蓄水位313.00 m，总库容15.1亿m3，灌溉面积743.07 km2，电站装机容量200 MW。工程规模为Ⅰ等大(1)型，大坝、泄水建筑物等主要水工建筑物为1级建筑物，电站厂房及引水发电洞等发电主要建筑物级别为3级。

3.2 监测布置

挤压边墙是混凝土面板的直接承载体，需要对其变形特性进行分析以指导混凝土面板的施工。但由于涔天河水库扩建工程在坝体修建前期未能及时调试坝体内部监测设施，导致难以选择在挤压边墙上浇筑面板混凝土的合适时机。由挤压边墙上游立视图(见图2(a))可见，由于老坝与新坝距离较近，挤压边墙平整性和通视性较好，为采用三维激光扫描技术进行变形监测提供了良好的条件，为此，考虑采用三维激光扫描技术对挤压边墙变形进行监测。

按2.1节中所述方法，选取老坝作为监测场地，在老坝左右两岸各设置了1个监测基准点，在2个监测基准点之间设置了5处公共标靶，测站位于标靶范围内。混凝土面板堆石坝挤压边墙监测基准点与控制标靶布置见图2(b)。

图2 挤压边墙上游立视图及监测控制点布置Fig.2 Elevation view from the upstream of extrusion sidewall and layout of survey control points

3.3 监测数据分析

采用三维激光扫描技术对涔天河水库扩建工程面板堆石坝挤压边墙进行了3期扫描，监测日期分别为2015年8月6日、2015年10月8日及2015年12月16日。根据工程实际施工进度安排，3期监测时挤压边墙顶高程分别为278.00，296.33，320.30 m。

选取8月6日三维激光扫描的区域作为挤压边墙变形分析区域，即高程217.00～278.00 m，并将该期监测数据作为基准数据，分别与第2、第3期采集的点云数据进行对比分析来获取面板堆石坝挤压边墙变形信息。

根据现场条件，扫描时将分辨率设置为3.1 mm@10 m，单站平均扫描时间1.5 min，与此同时站与站之间采集公共标靶用于进行数据拼接，单站标靶获取时间1 min，扫描仪站点之间的数据联合配准精度控制在1 mm。现场累计扫描9站数据(每期各3站)，共计用时60 min。3期扫描数据的点云数据拼接结果见图3。

图3 点云数据拼接示意图Fig.3 Splicing of point cloud data

将第1期扫描的控制点坐标以文本文件的方式分别导入第2、第3期扫描数据中，分别以左右岸2个监测基点进行坐标校准，并将第2期与第1期、第3期与第1期的扫描数据分别配准到同一个坐标系下，通过配套Cyclone软件进行点云的过滤工作，将多余的扫描数据和噪声通过软件功能进行剔除，然后对其变形进行分析。

为直观表达挤压边墙位移变化，通过surfer8.0软件绘制挤压边墙10月8日和12月16日分别相对于8月6日的顺河向和垂直向位移场(见图4、图5)。由于横河向位移较小，不再给出。图中数值符号规定为：顺河向位移以向下游为正、向上游为负；垂直向位移以上抬为正，下沉为负，下同。

图4 顺河向相对位移场Fig.4 Relative displacement fields along river direction

经过软件自动计算得到面板堆石坝挤压边墙表面变形信息及由图4和图5可知：

(1) 10月8日挤压边墙顺河向最大位移为52 mm，最小位移为-8 mm，底部1/3以下略向上游凸出，但位移较小；中上部向下游位移，位移变化梯度较大；12月16日挤压边墙位移略有增大，顺河向最大位移为87 mm，最小位移为-10 mm，最大位移主要集中在上部，两岸位移较小。这主要是由前后2期扫描时间间隔内堆石体重压所致。

(2) 10月8日挤压边墙沉降变形最大为70 mm，分布在坝体上部；挤压边墙监测区域的底部沉降基本不变，两侧沉降较小，上部沉降较大；而12月16日监测区域上部变化梯度较大，沉降最大达到127 mm，这主要是由施工期坝体前后扫描阶段堆石填筑重压变形所致。

由10月8日与12月16日面板堆石坝挤压边墙变形情况可知，挤压边墙中上部处于变形发展阶段，尚不适合进行面板施工，而应预沉降一段时间。

4 三维激光扫描及全站仪棱镜测值对比分析

基于三维激光扫描数据处理结果，在相同的变形监测区域内，采用拓普康全站仪配合反射棱镜法，在同样监测日期内对挤压边墙进行监测，对比研究2种不同的监测设备对面板堆石坝挤压边墙变形测量结果的异同。采用全站仪配合棱镜法的挤压边墙监测点布置见图6。

图6 挤压边墙监测点布置Fig.6 Layout of monitoring points uponthe extrusion side wall

由于2015年12月份棱镜实测数据最晚只有12月8日的垂直向位移数据，所测数据相对8月6日最大沉降为118 mm。为便于三维激光扫描结果与全站仪配合棱镜法对比，不再给出12月8日垂直向相对位移场，而选取2015年8月6日与2015年10月8日2期监测数据进行对比分析，10月8日棱镜实测相对位移场见图7。

图7 棱镜实测相对位移场Fig.7 Relative displacement fields measured by prism

从图4—图7可以看出，在2015年8月6日和2015年10月8日分别使用三维激光扫描仪和全站仪对挤压边墙进行变形监测，在水平位移监测、沉降监测方面2种手段所得到的挤压边墙变形情况存在一定的差异。这主要是由于全站仪测点数量过少且大部分位于坝体中下部，仅仅用少量的测点插值来获得整个坝面的变形信息，显然有误差。

(1) 从顺河向位移场看，对比全站仪配合棱镜法，三维激光扫描获得的挤压边墙变形数据较密，但2种手段监测的顺河向位移变化梯度较大值均集中于坝体上部区域；此外，基于三维激光扫描的顺河向位移变化区域明显大于全站仪配合棱镜实测的顺河向位移变化区域，说明利用三维激光扫描技术获取的点云数据拟合出的坝体模型能全面地提取到挤压边墙变形信息且与施工期挤压边墙实际变形情况基本相符。

(2) 从垂直向位移场看，10月8日棱镜实测最大沉降为38 mm，三维激光扫描实测最大沉降为70 mm；12月8日棱镜实测最大沉降为118 mm，12月16日三维激光扫描实测最大沉降为127 mm。2种手段监测得到的挤压边墙变形趋势基本一致，挤压边墙中上部沉降皆很大，底部沉降较小甚至出现上抬现象，这主要是由于上部堆石填筑施工完毕后堆石体重压导致沉降变化梯度较大。

(3) 三维激光扫描技术关键要素在于点云数据的扫描精度和拼接精度。在监测数据扫描与拼接过程中可能存在一定的误差，对数据分析结果可能造成一定影响。由结果分析可知，三维激光扫描技术在面板堆石坝挤压边墙变形监测中应用是可行的。

5 结 论

本文系统阐述了将三维激光扫描技术应用于涔天河面板堆石坝挤压边墙变形监测数据采集、处理、分析，并与同期的全站仪配合棱镜法实测获取的数据进行对比，得出以下结论：

(1) 基于三维激光扫描的挤压边墙顺河向位移变化区域大于全站仪配合棱镜法顺河向位移变化区域；2种手段监测的顺河向位移变化梯度较大值均集中于挤压边墙上部区域，挤压边墙中上部位移较大，呈向下游位移的趋势，而挤压边墙底部呈向上游位移趋势。

(2) 从垂直向位移场看，挤压边墙中上部沉降较大，两岸沉降较小。2种手段监测得到的挤压边墙变形趋势基本一致，尚不适合进行面板施工，而应预沉降一段时间。

(3) 对比全站仪配合棱镜法，三维激光扫描技术能快速获得更全面、更直观的面板堆石坝挤压边墙表面数据，所得到的监测数据与棱镜实测数据较为接近，实现了以面代替单点的数据提取，使得挤压边墙变形监测工作更全面、更便捷。

致谢：现场监测受到涔天河水库扩建工程项目部的大力支持，数据采集、仪器操作、软件使用得到徕卡测量系统贸易(北京)有限公司丁卯东和武汉天测测绘科技有限公司丁鹏的帮助，在此一并表示由衷的感谢！

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(编辑：姜小兰)

Application of Three-dimensional Laser Scanning Technique inDeformation Monitoring of Extrusion Sidewall ofConcrete-faced Rockfill Dam

WAN Zhi-yong1, HUANG Yao-ying1, ZHAO Xin-rui1, ZUO Quan-yu2, LI Xiang-hong2

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China； 2.Hunan Centian River Construction Investment Co., Ltd., Yongzhou 425500, China)

The deformation properties of extrusion sidewall of concrete-faced rockfill dam(CFRD) have great effect on the construction and stress deformation of concrete face in construction period. In the present research, Leica ScanStationP40 scanner was employed for the first time in deformation measurement for the extrusion sidewall of Centianhe CFRD. The scanning point cloud data in the first phase was taken as reference data to determine the deformation of the extrusion sidewall through comparison with data in the second and third phases. Furthermore, the point cloud data of the second and third phases were compared with those measured by prism in the same period. The comparison results reveal that, a) the middle and upper part of the extrusion sidewall shows a trend of displacement towards the downstream, while the lower part shows a displacement trend towards the upstream; b) the varying area of extrusion sidewall’s displacement along stream direction obtained by 3-D laser scanning is greater than that measured by prism; c) settlement of the middle and upper part of extrusion sidewall is large, and that of both sides are relatively small, indicating that the deformation of extrusion sidewall is in a stage of development, hence is not suitable for panel construction. The deformation trend of extrusion side wall obtained by 3-D laser scanning monitoring is basically in accordance with that by prism, indicating that 3-D laser scanning is feasible in monitoring the deformation of the extrusion sidewall of CFRD.

concrete-faced rockfill dam(CFRD); extrusion sidewall; 3-D laser scanning; point cloud data; deformation monitoring

2016-03-13；修回时间：2016-04-26

国家自然科学基金项目(51209124)

万智勇(1988-)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事大坝安全监控方面的研究，(电话)15571710152(电子信箱)wanyhrac_cn@126.com。

黄耀英(1977-)，男，湖南郴州人，教授，博士，主要从事水工结构安全监控及数值计算方面的教学与科研，(电话)13997662901(电子信箱)huangyaoying@sohu.com。

10.11988/ckyyb.20160219

2017,34(6):56-61

TV698.11; TV641.43

A

1001-5485(2017)06-0056-06