堆石坝施工仓面手持式一体化测量系统研制与应用

褚 栋，刘东海，杨 文

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350；2.贵州省水利投资有限责任公司，贵州 贵阳 551700)

0 引 言

施工仓面测量是堆石坝填筑施工中的重要环节，提高施工仓面测量的效率和准确性，对加快施工和确保施工质量具有重要意义。当前堆石坝施工仓面坐标及工程量计算主要由测量人员利用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、全站仪等进行采集和人工计算，并通过人工抄录或存储盘拷贝的方式，进行量测数据的转交和记录[1-2]。这个过程人为因素影响较大，效率低，难以保证数据的真实性和时效性。另外，在工程实践中，往往缺乏一个统一的系统平台对此类仓面测量成果数据进行综合管理，这就造成数据分散的记录于各类纸质文档和电子表格中，难以被及时有效地调用以辅助工程管理人员进行决策判断。

同时，随着堆石坝碾压质量实时监控系统[3-4]的应用和推广，作为堆石坝碾压质量监控的准备工作，“开仓”是确保监控系统正确计算碾压参数和统计碾压成果的关键环节。尽管当前施工仓面测量已经利用了全站仪、GNSS-RTK等先进的测量手段[5-7]，但是测量工作与施工质量监控往往是脱节的，数字化及一体化管理水平较低，且存在人工数据记录及不同系统间人工数据传输低效的弊端。

因此，有必要研究开发集成碾压建仓—压实高程检查—压实方量测算等功能于一体的堆石坝施工仓面测量系统，同步将测量成果数据通过远程服务器数据库与碾压监控分控站、总控中心共享，将传统的手工方式改成全流程数字化，以实现施工测量和碾压监控系统的无缝衔接，从而提高施工仓面量测作业任务的效率和准确性。

1 系统结构与功能设计

1.1 系统总体结构

该堆石坝施工仓面快速一体化量测系统包括GNSS基站、手持式RTK测量装置、智能手簿、数据库及应用服务器、现场分控站客户端和安装有GNSS的碾压机等六部分，其系统组成结构如图1所示。

图1 系统总体构成

(1)GNSS基站。GNSS基站是整个系统的“位置标准”。将GNSS 观测的坐标数据和该基准点的已知位置信息实时发送给手持式RTK测量装置，通过与手持式RTK测量装置的定位数据一起进行载波相位差分处理，可将手持式RTK测量装置的定位精度提高至厘米级，以满足堆石坝一体化测量的精度要求。

(2)手持式RTK测量装置。通过手持式RTK测量装置，可快速测量碾压仓面的边界点坐标，以及采样仓面压实后的高程。

(3)智能手簿。智能手簿主要包括碾压仓面建立模块、压实高程/方量测算模块、数据传送模块等。仓面采样点的空间位置坐标及压实高程、压实厚度以及压实工程量通过数据传送模块以3G/4G方式发送到数据库和应用服务器中，并更新存储在数据库和应用服务器中的相应文件中，以供后续现场分控站客户端进行压实高程及压实厚度监测。

(4)数据库及应用服务器。该部分包括数据库和应用服务器，分别用来接收、存储智能手簿发送的数据以及对数据进行分析、判断并进行反馈控制。

(5)现场分控站客户端。现场分控站一般设置在大坝施工作业面附近，并常驻工作人员，以方便现场信息传递和反馈。现场分控站客户端是搭载有系统相应软件功能的PC主机，其是实现的功能包括仓面碾压监控、压实高程查询、压实厚度监测以及压实方量查询。

(6)安装有GNSS的碾压机。该碾压机装备了车载高精度GNSS定位导航单元、信息控制单元、自组网无线通信单元和GNSS天线，可在碾压作业的过程中实时获取、处理和向数据库及应用服务器发送碾压器械位置信息。

1.2 系统功能设计

结合工程实际应用，以及和堆石坝碾压质量实时监控系统的无缝结合，该系统主要包括如下功能：

(1)碾压开仓测量。仓面碾压施工前，现场测量人员利用手持式RTK装置进行仓面边界点测量，边界数据通过网络直接发送到数据库，分控站工作人员只需通过读取相应仓面开仓文件即可完成当前仓面开仓。

(2)压实高程及压实工程量计算。仓面完成碾压施工后现场测量人员利用手持式RTK装置进行仓面采样点坐标采集，数据保存至数据库，通过压实高程/方量模块完成压实高程及压实工程量的计算。

(3)第三方工程量校核功能。当施工仓面完成碾压或某高程下所有分区的仓面完成碾压后，第三方单位(如业主)可以使用RTK测量装置对施工仓面进行校核测量，校核边界可以直接上传至系统，校核结果在一体化测量系统内进行查询。

1.3 基于空间插值的压实工程量计算

h(x，y)=ZU(X，Y)-ZD(X，Y)

(1)

v仓面=∬∑h(x，y)ds

(2)

(3)

式中，h(x，y)为网格点高差[8]；ZU(X，Y)、ZD(X，Y)分别为上层采样点高程和下层采样点高程；ds为积分单元面积；n为采样点个数；v为当前施工仓面的压实方量。

除了上述单仓面工程量，用户还可对同一设计高程下各仓面的压实方量总和进行计算，具体方法如下：

(1)通过对施工仓面进行格网划分，把每个小的体积微元简化成四棱柱，通过空间插值确定简化后四棱柱高程。

(2)计算同一设计高程下所有施工仓面压实工程量时需要调用数据库保存的高程数据，选择同一高程下所有的施工单仓面行压实工程量的计算。

(3)通过对上下层同种坝料的匹配，计算该种坝料在该高程下的压实工程量，然后对该设计高程下不同施工仓面的压实工程量进行累加，实现该设计高程下所有施工仓面压实工程量的计算。

(4)

式中，V层面为该设计高程下的所有仓面压实工程量；h(x，y)为网格点高差；ds为积分单元面积；i为该设计高程下仓面个数。

2 系统应用流程

结合堆石坝施工现场控制的要求，利用该系统进行施工仓面一体化测量的具体流程如图2所示。具体步骤如下：

图2 系统应用流程

(1)测量准备。用户开始测量前，需要明确当前测量仓面坝料种类和施工区域高程，采用不同的施工坝料名称对不同施工仓面进行命名。施工测量人员利用智能手簿，根据当前施工仓面坝料分区、起始高程，以及该分区同高程的仓面序号，通过碾压仓面建立模块新建碾压仓面文件；当RTK接收机完成与GNSS基站的固定差分时可以使用手持式RTK测量装置对仓面边界对仓面坐标进行精确测量。

(2)碾压过程监控。工作人员通过在现场分控站客户端访问数据库及应用服务器，获得新建的施工仓面边界，进行开仓，并派遣装有GNSS的碾压机，对其碾压过程进行实时监控。

(3)收仓测量。待碾压结束后，施工测量人员利用手持式RTK量测装置，对仓面压实高程进行快速多点采样，并利用智能手簿计算平均压实高程、压实厚度和压实方量等，然后将上述数据上传至数据库及应用服务器中。

(4)成果输出。工作人员通过现场分控站客户端，从数据库及应用服务器中获得平均压实高程/平均压实厚度，与设定的该仓面的压实高程/压实厚度的标准值进行比较。当平均压实高程/平均压实厚度不达标时，现场分控站客户端提示并引导相关施工人员进行整改。工作人员可以通过现场分控站客户端，查询某个施工仓面的压实方量，用于工程量结算。

3 工程应用

3.1 一体化量测应用

所研制的系统在夹岩水利枢纽工程水源1标面板堆石坝工程进行了实例应用。夹岩面板堆石坝主堆石区(3B)填筑面积较大，坝料最大粒径为800 mm，压实厚度规定为800 mm。图3为利用手持式RTK测量装置进行碾压仓面边界测量并开仓的应用流程。分控站工作人员在进行开仓工作时，只需点击读取，即可在远程数据库调用仓面边界文件，完成开仓，实现一体化测量系统与碾压质量实时监控系统无缝衔接的目的。

图3 手持式RTK测量装置开仓流程

当分控站工作人员完成开仓工作后，安装有GNSS的碾压机在本装置测量的仓面边界内进行碾压施工，如图4a所示。在施工过程中，建设各方可以

图4 碾压过程监控和成果查询界面

在碾压监控系统中对当前施工仓面的碾压参数进行实时查询；当仓面完成碾压后，工作人员利用本装置对仓面压实高程进行采集，测量信息通过数字归档存储到远程数据库中。工作人员可以在一体化测量系统中查询测量成果，其中仓面信息以仓面统计表的形式在系统显示，同时系统内还会绘制出仓面方量的统计图，如图4b所示。

3.2 第三方校核应用

仓面施工结束后，第三方单位(如业主)可以使用手持式RTK量测装置对施工结束的区域进行仓面校核。校核内容包括仓面面积、层面面积、施工工程量和实际碾压边界是否符合实际情况。对于实际碾压边界的校核是利用碾压监控时施工单位仓面的边界，与RTK装置直接测得的大坝某高程工作边界进行比较，目的是判断实际施工边界是否存在较大的未施工区域(往往是由于工作面靠近边坡，施工单位为便捷施工，而减少了对靠近边坡区域的碾压，这可能会导致较大的质量隐患，需重点校核监控)。校核的区域可以为某种填筑料分区的一个仓面，也可以是当前高程下所有仓面的校核。

图5为系统用于某高程施工仓面边界的和工程量校核的应用界面。以1 315.6 m高程为例，此高程下共有下游堆石区(3C2)、主堆石区(3B)、过渡区(3A)、垫层区(2A)4个分区的共4个仓面。由图5可知，左岸边坡校核边界与监控边界最大间距为0.82 m，右岸边坡校核边界与监控边界最大间距为0.74 m，校核边界与施工开仓边界基本一致，即实际碾压区域与校核区域较为一致；此外，从图5还可以看出，除下游左岸有少数部分超出监控边界，其他边界包括下游右岸以及两岸边坡校核边界和监控边界基本吻合，说明施工单元边界处的碾压施工均得到碾压监控系统的实时监控。

图5中的校核面积是校核边界围成区域的面积，监控面积为所有碾压监控仓面的面积。1 315.6 m高程下的校核面积为15 489.879 m2，监控面积为15 325.417 m2，两者相对误差为1.07%。图6为1 300.4～1 320.4 m高程之间所有层面的校核面积与监控面积的对比情况，可见两者差异较小，最大相对误差仅为3.95%，平均相对误差为1.21%。从面积校核上看，两者吻合较好，说明基本不存在漏碾压的区域。

图5 1 315.6 m高程施工仓面工作量校核

图6 不同高程施工仓面面积校核情况

此外，该模块能够进行施工工程量复核，利用前文第1.3节介绍的方法计算校核方量。图7为主堆

图7 不同高程施工仓面工程量校核情况

石区(3B)1 291.6～1 314.8 m高程之间仓面的校核方量与施工方提供的方量数据对比情况。总的来看，两者较为接近，最大误差为7.5%，平均误差为4.33%，说明施工单位提交的工程量符合实际情况。

4 结 论

(1)本文研制了堆石坝施工仓面手持式一体化测量系统，该系统实现了堆石坝开仓边界—压实高程/压实厚度—收方边界—压实方量的一体化测量，同时实现了与碾压质量实时监控系统的无缝衔接，改善了以往测量工作与施工质量监控脱节的现象，提高了数字化及一体化管理水平，保障了碾压施工质量。

(2)该系统具备仓面校核功能，能够对施工结束的仓面进行边界及面积复核。校核边界与施工测量监测边界吻合情况良好，说明现场施工测量准确，工程量与碾压边界控制符合实际情况，为确保碾压质量(不漏碾)和工程量校核提供了有效工具。