RTK技术和解析法在弃渣场堆渣量测算工作中的应用

张长伟，白翠霞，王志刚

(1.长江科学院 水土保持研究所，湖北 武汉 430010；2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010；3.武汉市水务科学研究院，湖北 武汉 430010)

弃渣场是生产建设项目在施工期和生产运行期产生的大量弃土、弃石等固体废弃物的专门堆放场地。水土保持法第二十八条规定：依法应当编制水土保持方案的生产建设项目，其生产建设活动中排弃的砂、石、土、矸石、尾矿、废渣等应当综合利用；不能综合利用，确需废弃的，应当堆放在水土保持方案确定的专门存放地，并采取措施保证不产生新的危害。《生产建设项目水土保持监督管理办法》要求对生产建设项目开展水土保持监督检查，其中取、弃土(包括渣、石、砂、矸石、尾矿等)场选址及防护情况为跟踪检查的主要内容之一，对跟踪检查发现的水土流失问题，按照生产建设项目水土保持问题分类标准认定问题并确定责任单位及其应负的责任。因此，弃渣场的管理工作是生产建设项目水土保持工作的一项重要内容[1]。依据《生产建设项目水土保持技术标准》(GB 50433—2018)的要求，在编制水土保持方案时，须做好弃渣场规划。根据《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018)的要求，在开展生产建设项目水土保持监测时，应重点监测永久和临时弃渣量及变化情况。

目前，弃渣量获取主要有等高线法、解析法、相关3D软件建模计算方法。等高线法不适合地形变化大且弃渣总量大的项目，且计算精度不高，计算结果较真实值存在较大偏差，过程繁杂，工作量大[2]。解析法虽然有足够的精度保证，但是数据提取处理过程较繁杂，对地形图精度要求高，不能满足水土保持工作中弃渣场堆渣量实时动态监测的要求。相关3D软件建模计算方法在生成三维曲面时，经常发现异常点，直接通过软件中相关功能分析排除异常点有待商榷，对地形图精度要求高，在面对复杂地形的弃渣场，仅用软件提供的放坡规则难以胜任[3]。RTK(Real-timekinematic)载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，能够在野外实时得到厘米级定位精度。RTK技术的关键在于数据传输和处理技术，能够实现8 km以内弃渣场地形测量数据的实时通信传输和处理[4]。基于RTK测量技术，结合解析法量算弃渣横断面面积的方法，测定弃渣场堆渣方量，是一种可实时动态测量堆渣量的方法。

1 技术方法

先在横断面上按地形高程或者横断面形状转折点取点，并利用RTK确定点的坐标，再用解析方法计算横断面面积。设横断面上测了n个点，则该横断面构成了n边形，如图1按顺时针方向对这些点进行编号，根据点的坐标(xi，yi),用解析法计算任意多边形的面积公式为

(1)

或者

(2)

式中：S为任意多边形面积；当i=1时，yi-1=yn，xi-1=xn;当i=n时，yi+1=y1，xi+1=x1。多边形顶点1、n号点位是弃渣场横断面与堆渣体交线上的点。如果以多边形顶点的高程H作为y坐标，以顶点间的水平距离D作为x坐标，建立如图1所示的直角坐标系，将平面直角坐标系转化成弃渣场横断面内的直角坐标系，此时，弃渣场横断面图形上第i个顶点的位置可以用坐标(Hi，Di)来表示。若点的坐标(xi，yi)、(Hi，Di)可利用精度较高的地形图获得，则只需测量堆渣线的平均高程。

图1 弃渣场同断面不同堆置线的横断面多边形划分

根据相关规范，弃渣场堆渣量至少每10天要监测记录一次。每间隔一定时期对各个横断面上的堆渣面进行RTK取点测量其坐标(xi，yi)。如图1，第j时刻堆置线、第j+10天堆置线、第j+20天堆置线等，按如下公式计算横断面上堆渣体在断面上的平均高程

(3)

弃渣场堆渣量计算公式为

(4)

式中：V为弃渣场堆渣量；Si、Si+1分别为弃渣场横断面划分第i及i+1个横断面面积；Sn为弃渣场划分的最后一个横断面面积；L'为最后一个横断面与弃渣面上端最末断点间的距离；Li,i+1为横断面间的间距，当Li,i+1都相同并等于L时，弃渣场堆渣量计算公式为

(5)

式中:S1为弃渣场划分的第一个断面面积；其他符号意义同上。

2 工程运用

某高速公路位于贵州省遵义市境内，经遵义市道真、正安、绥阳、湄潭、余庆五县，终点位于黔南州瓮安县。全线采用完全控制出入双向四车道高速公路标准，设计速度80 km/h，路线全长253.92 km(其中主线长246.22 km，道真支线长7.70 km)，本项目于2013年6月开工，2015年12月竣工。该项目的一处弃渣场位于遵义市道真仡佬族苗族自治县大矸镇，道安高速YK27+280右侧220 m现状为沟道，占地类型为旱地和灌木林地，渣体成分主要为碎石土，最大堆渣高度为32 m，削坡分级优化之后分为二级，分级边坡坡度为1∶2，分级边坡之间设马道，马道宽2.5 m。坡脚采用M7.5浆砌石片石挡墙护坡。

(1)绘制横断面位置线，确定合理的横断面间距L，在地形图上按间距L选取并标出每个横断面的位置线。横断面一般应与弃渣场挡土墙的轴线相平行，间距L可以不固定，而根据弃渣场的具体形状选取最能准确计算弃渣场堆渣量的横断面位置线，如图2-a内的断面1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8、9-9、10-10、11-11、12-12。

(2)将RTK基准站布置于弃渣场范围外的一侧，且处于空旷、平整的地面[图2(a)所示]，并按照RTK技术基准站作业方案连接相关组件，设置参数并测试，确保基准站主机设置为“基准站”和电台“外挂”模式；移动站按移动站作业方案连接相关组件，设置参数并测试，确保移动站主机设置为“移动站”和“UHF”模式，测量的数据坐标设为WGS84坐标系统，高程以1985国家高程为基准；手持移动站在每个横断面上的弃渣堆置线间隔一定的距离I0(一般3～5 m)等规则取点并测量坐标信息(移动站数量按照工作任务的需求而定)，并按照一定的顺序做好点位信息的保存，计算得出弃渣堆置线的平均高程。若无地形底图情况，可用RTK测量每个断面内点的坐标，本案例是针对有地形图的情形。

图2 弃渣场断面划分及典型断面

(3)对于每个横断面在地形图中相应的横断面位置线上，按顺时针方向对横断面位置线与弃渣交界线及其以下每根等高线的交点进行编号，为避免出错，一般可从右向左按顺序编号[图2(b)]，然后在横断面位置线上直接量取每个交点与最左边的交点(坐标原点,也即第n号点)间的水平距离Di,并在地形图上直接读出交点的高程Hi,则交点坐标为(Hi，Di)。以图2-b所绘横断面为例，在地形图横断面位置线上直接量取各交点的坐标值。

(4)计算结果模拟的三种弃渣场堆渣情形，2013年9月弃渣体堆置平均高程908 m，计算得出弃渣量11.12万m3，实际弃渣12万m3，比实际值少0.88万m3(表1)；2014年1月弃渣体堆置平均高程在916 m，计算得出弃渣量是24.1万m3，实际弃渣25万m3，比实际值少0.9万m3(表2)；2018年6月为最终堆置高程(设计高程920 m)，计算得出弃渣量31.67万m3，实际弃渣32.88万m3，比实际值少1.21万m3(表3)。三种弃渣堆置情形(堆渣高程908 m、916 m、920 m)，估算值均比实际值偏少，相对误差分别为7.3%、3.6%和3.7%(表4)。

表1 2013年9月弃渣场堆渣量

表2 2014年1月弃渣场堆渣量

表3 2018年6月弃渣场堆渣量

表4 计算结果分析

3 结 语

(1)基于RTK技术和解析法提出的弃渣场堆渣量测量方法，操作简单，不仅适合在野外对弃渣场堆渣量进行实时动态测量，也适合在生产建设项目水土保持方案编制时进行弃渣场容量的设计。计算公式简单，可编程计算，特别适用于沟道型弃渣场堆渣量计算。

(2)基于RTK技术和解析法在弃渣场堆渣量测量工作中，只需在地形图横断面上直接截取横断面位置线与堆渣体的堆渣线及其以下等高线的交点坐标，计算断面面积，可节省大量绘制横断面图的时间，提高工作效率。

(3)本方法在进行横断面面积计算时有足够的精度保证，相对误差均能控制在10%之内，但是在无地形图的弃渣场，计算过程烦琐，数据输入较多且易出错。在野外横断面监测中，要做好保护横断面参照物标志，避免受施工的影响破坏，不能保证监测横断面数据的连续性。

(4)本方案计算精度取决于弃渣场地形图上水平距离的测量精度以及两断面间距离Li,i+1的大小。实际工作中合理取Li,i+1值，以兼顾精度和效率。受客观条件所限本研究未就Li,i+1取值对计算结果的影响作研究。