水利工程高边坡开挖面质量实时控制方法

任秀芳，聂怀军，任广艳

（1.费县水利局，山东 费县 273400；2.费县农业农村局，山东 费县 273400）

三维激光扫描是近几年兴起的一种新型高边坡开挖面形态测量技术，利用此技术能够精确获取被测对象的表面空间数据，相较于传统测量技术具有测量精度较高、测量时间较短、测量自动化程度较高等优点，对此本文利用高边坡开挖面平均坡度、局部超欠挖、坡脚标高、不平整度等计算模型，再结合三维激光扫描技术获取高边坡开挖面测量数据，对高边坡开挖面数据进行采集和评估，及时掌握高边坡开挖施工动态，保证施工质量，控制施工工期。

1 高边坡开挖面质量控制

1.1 高边坡开挖面质量控制标准

1）高边坡开挖的平均坡度应小于等于设计坡度。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）坡脚的标高应在±20 cm 范围内。4）高边坡开挖不平整度要小于15 cm。

1.2 高边坡开挖面数据采集和处理设计

高边坡开挖面质量分析的基础是需要提前设计好工程施工参数，设计参数主要包括施工区域、工程类型、施工高度差、施工编号、开挖面坡比、控制点相应参数等数据。本文将水利工程施工的设计参数提前输入到数据处理系统中，对设计参数进行统一管理，实现设计参数的参数化重构。平面开挖面和曲面开挖面可以分别用以下公式进行表示：

将设计参数输入到公式中，用最小二乘法进行数据拟合，最终可以确定开挖面的控制参数。

1.3 数据扫描和预处理

利用三维激光扫描技术进行高边坡开挖面扫描主要包括地形勘探、选点设站、数据扫描、数据校验等，在进行扫描站点设置时场地应选择空旷、无遮挡物、避风安全位置且扫描范围不能遗漏应覆盖整个高边坡开挖面。在数据采集时由于施工场地影响会导致数据采集过程中出现大量噪声，另外由于数据采集基数较大，会产生一些无用或错误数据，这时就需要进行数据预处理。数据预处理主要是处理云数据中的施工噪音及错误和重复数据。数据预处理利用三维激光扫描仪系统自带数据后处理软件cyclone 进行，然后系统将处理后的点云数据导出以txt 格式存储到三维激光扫描仪储存卡上用于后续的数据精细处理及计算。

1.4 数据提取

利用三维激光扫描技术获得的点云数据，经预处理后可获得比设计高边坡开挖面面积稍大的点云数据，为了保证获得数据的精确度，将获得点云数据区域和设计高边坡开挖面区域进行匹配，在保证精确度的同时提取符合设计高边坡开挖面区域条件的数据，本文的数据提出采用射线法进行，即利用高边坡开挖面的设计控制点坐标进行数据的提取。

1.5 高边坡开挖施工质量实时控制

高边坡开挖施工通常按照从上到下、分层爆破开挖、边开挖边支护的施工方式。每层高边坡在开挖前需要提前做好准备工作，进行测量放样并校准后才能进行分层爆破开挖，每爆破开挖一层后需要进行一次质量检查，以保证开挖质量，另外每爆破一层需要进行支护施工，以保证施工安全。高边坡开挖是一个动态施工过程，在不断施工下高边坡开挖面的形态不断变化，所以高边坡开挖面的数据要实时采集，以保证能够及时纠正高边坡开挖工程，保证施工进度。高边坡开挖数据采集采用三维激光扫描仪进行，在开挖面施工期间及时采集开挖数据，根据采集的高边坡开挖数据对高边坡开挖施工进行实时分析和评定，并将评定结果反馈给施工技术人员，技术人员根据施工数据纠正施工偏差，以保证高边坡开挖面符合工程设计要求。

2 工程实例分析

以王屋水库除险加固工程右岸高边坡开挖作为实例，该右岸高边坡长约70 m，高度约为15 m，初步勘探此高边坡形状为不规则的四边形，高边坡开挖面设计坡比为1∶0.75，高边坡开挖面数据采集采用型号为Leica HDS8800 三维激光扫描仪进行。

按照工程设计资料要求获取四个控制点的已转换相对坐标，按照控制点坐标对Ax+By+Cz+D=0 方程进行拟合，确定 A 值为-1.359 4，B 值为-0.052 8、C 值为 1.000 0，D 值为 1 018.850 8，按照该设计基准面平面方程对拟合误差进行计算，结果见表1。

表1 四个控制点坐标误差分析情况

工程点云数据经预处理后，按照预处理后的控制点坐标提取高边坡设计开挖面以外数据，实际高边坡开挖施工数据提取范围和高边坡施工设计基准面基本吻合，没有设计范围外数据。

对高边坡开挖面点云数据进行处理后分析高边坡开挖面施工质量，将5 m 作为开挖质量分析间距，共分析14 个高边坡开挖断面，求得开挖断面的平均坡脚标高为1 144.62 m，平均坡比为1∶0.742，上述数据均符合高边坡开挖工程质量要求。高边坡开挖超欠挖分析，在开挖断面每间隔15 m 取一个典型施工断面进行分析，可知：在高边坡坡脚位置存在超挖现象，而且越靠近坡脚位置，超挖现象越严重。高边坡开挖不平整度分析，利用三维激光扫描仪获得的高边坡开挖面点云数据计算出开挖面的不平整度为23.58 cm，此数值大于高边坡开挖设计要求，对不平整度进行分析发现，产生不平等度数值较大的主要原因是高边坡存在超挖现象，经进一步数据分析确定高边坡超挖位置，将分析数据反馈到施工技术人员进一步分析，从而及时调整施工计划，保证高边坡开挖施工质量。

3 结 语

本文基于高边坡开挖面数据采集的精确度和效率方面，利用高边坡开挖面平均坡度、局部超欠挖、坡脚标高、不平整度等计算模型，同时结合三维激光扫描技术进行高边坡开挖面数据的采集及预处理，在保证精确度的同时提取符合设计高边坡开挖面区域条件的数据，对实际高边坡开挖面数据进行采集和评估，及时掌握高边坡开挖施工动态，实时调整高边坡开挖施工计划。以王屋水库除险加固工程右岸高边坡开挖作为实例，对上述高边坡开挖面质量实时控制方法进行了分析验证，运用高边坡开挖面质量控制标准建立的评价计算模型再结合三维激光扫描技术高边坡开挖面数据采集和处理能够切实保证高边皮开挖的施工质量，在高边坡开挖施工期间不断获取开挖数据进行分析评估，调整施工计划，在规定工期内高质量完成高边坡开挖任务。