趙春菊，馮誠(chéng)誠(chéng)，周宜紅，胡 超

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002)

邊坡開挖作為水電工程項(xiàng)目的一道關(guān)鍵工序，其質(zhì)量與整個(gè)工程安全、進(jìn)度和成本等密切相關(guān)。目前我國(guó)水電工程邊坡開挖質(zhì)量控制大多是通過開挖前、中、后的測(cè)量放樣以及開挖后選取檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的［1-3］，常受測(cè)量人員素質(zhì)、測(cè)量?jī)x器精度、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)等因素的影響。開發(fā)基于質(zhì)量檢驗(yàn)方法、三維激光掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的邊坡開挖質(zhì)量控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮三維激光掃描儀采樣速度快、精度高、無接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)［4-6］，提高開挖質(zhì)量評(píng)價(jià)和管理的精度，并通過質(zhì)量檢驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和實(shí)際開挖形態(tài)的多方位比較與分析，對(duì)提高工程技術(shù)人員質(zhì)量控制水平和邊坡開挖質(zhì)量具有重要意義。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)需求分析

水電工程質(zhì)量管理體系雖然比較完善，但在實(shí)際施工過程中，控制點(diǎn)信息的采集、分析和處理基本都由人工手動(dòng)完成［7］，因此在邊坡開挖質(zhì)量控制方面仍存在很多問題。

a.資料管理難度較大。由于施工現(xiàn)場(chǎng)缺乏完善的系統(tǒng)對(duì)施工進(jìn)度文件、機(jī)械物資信息、質(zhì)量評(píng)定報(bào)表等資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，一方面使得資料的共享難以實(shí)現(xiàn)，另一方面增加了重要資料破損和遺失的可能性。

b.傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量方式工作效率低、數(shù)據(jù)量不足、測(cè)量?jī)x器精度有限。采用單點(diǎn)測(cè)量無法批量獲取控制點(diǎn)信息，受測(cè)點(diǎn)數(shù)量、儀器精度等限制，難以獲得精準(zhǔn)的開挖面信息。

c.數(shù)據(jù)處理技術(shù)效率較低。即使采用高精度測(cè)量?jī)x器獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量大，對(duì)技術(shù)人員的數(shù)據(jù)處理速度和技能要求高，現(xiàn)有技術(shù)手段難以滿足將點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于開挖面實(shí)時(shí)質(zhì)量控制的要求。

d.質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果精度和可靠性不足。質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果通常采用人工記錄，其可靠性得不到保障，質(zhì)量檢驗(yàn)所依據(jù)的數(shù)據(jù)信息量不足，導(dǎo)致質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果精度不足。

針對(duì)水電站邊坡開挖存在的質(zhì)量控制問題，本文結(jié)合現(xiàn)代質(zhì)量管理方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用一種高效實(shí)用、操作簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制工具，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)信息的采集、分析、處理以及邊坡開挖全過程質(zhì)量控制信息的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和交互式查詢，從而提高質(zhì)量控制水平。

1.2 系統(tǒng)功能分析

為了實(shí)現(xiàn)開挖全過程質(zhì)量信息的動(dòng)態(tài)、交互式查詢，同時(shí)依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開挖信息和實(shí)際開挖信息的多方位比較與分析，為工程技術(shù)人員提供高效便捷的施工管理與控制工具，本系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能:

a.快速錄入和有效存儲(chǔ)邊坡開挖相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如施工質(zhì)量信息、邊坡形態(tài)掃描數(shù)據(jù)等。

b.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)云圖和開挖剖面圖，直觀展示各工程部位的開挖形態(tài)。

c.繪制開挖剖面對(duì)比圖，輸出相關(guān)質(zhì)量控制參數(shù)，如超欠挖量等。

d.快速查詢工程事故信息，為工程技術(shù)人員采取相應(yīng)的質(zhì)量控制措施提供信息支持。

e.輸出開挖過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)報(bào)表的更新和打印等功能。

2 系統(tǒng)組成與功能

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析和功能分析，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)錄入、開挖面數(shù)據(jù)分析、開挖面剖面分析、事故查詢和統(tǒng)計(jì)報(bào)表五大功能模塊。

2.1 數(shù)據(jù)錄入模塊

邊坡開挖信息主要包括工程基本資料、施工進(jìn)度文件、機(jī)械物資信息、施工質(zhì)量信息以及掃描數(shù)據(jù)。針對(duì)不同的開挖信息設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)錄入窗體，通過該模塊，用戶可以將數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為其他模塊的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該模塊與其他模塊的關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)錄入模塊與其他模塊關(guān)系

開挖面數(shù)據(jù)分析模塊及開挖面剖面分析模塊中用于繪制點(diǎn)云圖、剖面圖、剖面對(duì)比圖以及超欠挖量計(jì)算的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均為通過數(shù)據(jù)錄入模塊存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的掃描數(shù)據(jù);事故查詢模塊中的工程事故信息為通過數(shù)據(jù)錄入模塊存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的施工質(zhì)量信息;統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊中的報(bào)表數(shù)據(jù)為通過數(shù)據(jù)錄入模塊存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的施工進(jìn)度文件、機(jī)械物資信息、施工質(zhì)量信息等，即數(shù)據(jù)錄入模塊為數(shù)據(jù)輸入端，其他模塊為輸出端。

2.2 開挖面數(shù)據(jù)分析模塊

為了便于在不同地區(qū)的工程項(xiàng)目各參與方通過計(jì)算機(jī)觀察到施工現(xiàn)場(chǎng)的開挖形態(tài)，利用三維激光掃描儀采集的海量高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合COM組件技術(shù)、Matlab與C#混合編程技術(shù)以及二維插值原理，建立開挖面數(shù)據(jù)分析模塊，分別通過點(diǎn)云圖和剖面圖展示開挖面和沿x、y、z軸3個(gè)方向剖分的開挖形態(tài)。該模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 開挖面數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)流程

三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括各點(diǎn)的三維坐標(biāo)、激光強(qiáng)度以及像素等信息。利用點(diǎn)云的三維坐標(biāo)可以直接繪制點(diǎn)云圖，但它不足以反映沿x、y、z軸3個(gè)方向的剖分形態(tài)，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。首先采用二維插值原理對(duì)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)進(jìn)行插值處理，再生成規(guī)則的三角網(wǎng)格，最后進(jìn)行多方位的剖分。Matlab具有內(nèi)置的二維插值函數(shù)，可以有效避免C#編寫插值算法的復(fù)雜性。通過COM組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab與C#之間的混合編程，可提高繪制點(diǎn)云圖和剖面圖的效率。

2.3 開挖面剖面分析模塊

邊坡開挖質(zhì)量一般通過質(zhì)量控制指標(biāo)(超欠挖、平整度、半孔率等)進(jìn)行評(píng)價(jià)［8］，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開挖形態(tài)與實(shí)際開挖形態(tài)的多方位對(duì)比分析，采用超欠挖指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過原始數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)三類剖面對(duì)比圖的繪制，反映實(shí)際開挖形態(tài)與設(shè)計(jì)開挖形態(tài)的偏差，便于管理人員及時(shí)采取相應(yīng)質(zhì)量控制調(diào)整措施。該模塊實(shí)現(xiàn)的流程如圖3所示。

圖3 開挖面剖面分析模塊實(shí)現(xiàn)流程

在開挖面數(shù)據(jù)分析模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡開挖質(zhì)量控制指標(biāo)(超欠挖)的計(jì)算原理，通過Matlab編寫超欠挖量計(jì)算函數(shù)，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算超欠挖量的功能，并生成C#可調(diào)用的COM組件，最后通過友好的用戶界面為工程技術(shù)人員提供便捷的質(zhì)量控制工具。

2.4 事故查詢模塊

邊坡開挖工程事故主要包括爆破飛石事故、邊坡失穩(wěn)事故、塌方事故、施工人員跌倒碰傷事故、高處墜落砸傷事故和機(jī)械傷害事故等［9-10］。為了便于快速準(zhǔn)確地獲取工程事故信息，系統(tǒng)采用事故類型和施工單位兩種檢索途徑，建立事故查詢模塊。該模塊的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 事故查詢模塊設(shè)計(jì)

事故查詢模塊可查詢各工程事故的詳細(xì)信息，便于工程技術(shù)人員或管理層進(jìn)行下一階段的質(zhì)量控制，并對(duì)造成工程事故的有關(guān)單位追責(zé)及處罰。

2.5 統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊

統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊的功能是將用戶所需的信息通過報(bào)表的形式輸出。CrystalReports是專門用于制作數(shù)據(jù)輸出報(bào)表的工具，支持大多數(shù)流行的開發(fā)語言。本模塊采用CrystalReports組件技術(shù)，對(duì)不同類別的報(bào)表進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過CrystalReportViewer輸出，在該模塊中可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新、打印等功能。與傳統(tǒng)的人工記載、更改和保存各類開挖信息相比，可提高工作人員的效率以及信息的安全性。該模塊具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊實(shí)現(xiàn)流程

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化生命周期法來處理開發(fā)過程［11-14］，結(jié)合功能需求及結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊層次:

a.用戶層。主要提供數(shù)據(jù)錄入、開挖面數(shù)據(jù)分析、開挖面剖面分析、事故查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表五大功能模塊。

b.邏輯層。主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的處理與存儲(chǔ)方法。

c.數(shù)據(jù)層。該層是數(shù)據(jù)庫(kù)的核心部分，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括用戶信息、原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)、信息報(bào)表和多媒體數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖6所示，總體界面如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖7 系統(tǒng)總體界面

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)邊坡開挖信息在系統(tǒng)中的用途，將數(shù)據(jù)庫(kù)分為用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)、原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、激光掃描數(shù)據(jù)庫(kù)、信息報(bào)表數(shù)據(jù)庫(kù)以及多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)五大類。

用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)用戶基本信息、參建單位信息等，原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)原始形態(tài)(如地貌形態(tài)、地質(zhì)形態(tài))、設(shè)計(jì)方案(如施工組織方案、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面貌)，激光掃描數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)原始掃描數(shù)據(jù)和隨施工進(jìn)展新增的掃描數(shù)據(jù)，信息報(bào)表數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)施工過程中的相關(guān)報(bào)表，多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)照片、視頻等。

3.3 開發(fā)環(huán)境

基于系統(tǒng)需求分析、功能分析、系統(tǒng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和用戶的友好性，采用C/S分布式系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)基于Visual C#.NET平臺(tái)的邊坡開挖質(zhì)量控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 2008 R2，數(shù)據(jù)軟件采用Matlab。

4 工程應(yīng)用

某水電站樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.0m，壩頂弧長(zhǎng)689～727 m，最大壩高約290m，壩身布置多層孔洞，同時(shí)壩段尺寸較大。該工程混凝土施工技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，現(xiàn)場(chǎng)施工情況復(fù)雜，相互干擾多，施工控制任務(wù)繁重。

邊坡開挖過程要嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行施工和控制，實(shí)際開挖輪廓必須符合規(guī)范指定的開口線、坡比、水平尺寸、高程和控制點(diǎn)坐標(biāo)的要求;施工過程中要防止欠挖，嚴(yán)格控制超挖，超挖控制標(biāo)準(zhǔn)為0.2m，欠挖控制標(biāo)準(zhǔn)為0.1 m;開挖面應(yīng)嚴(yán)格控制平整度，平整度允許偏差為0.15m，建基面起伏差要符合設(shè)計(jì)要求。

采集該水電站邊坡開挖的原始、設(shè)計(jì)、實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)施工信息，應(yīng)用數(shù)據(jù)錄入、點(diǎn)云圖繪制、剖面圖繪制、剖面對(duì)比圖繪制、事故查詢以及報(bào)表輸出等子模塊進(jìn)行邊坡開挖質(zhì)量控制。其中，開挖面剖面分析模塊是整個(gè)邊坡開挖質(zhì)量控制的核心部分，選取左岸壩肩邊坡的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及實(shí)際數(shù)據(jù)，得到如表1所示的點(diǎn)云信息。

表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)詳情

選擇觀察平面xOz，根據(jù)用戶需求自定義剖分位置y以及x軸和z軸范圍，但需滿足在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及實(shí)際數(shù)據(jù)的交集范圍內(nèi)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料由系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定閾值、坡高比以及超欠挖控制標(biāo)準(zhǔn)，分析間距為二維插值步長(zhǎng)，得到設(shè)計(jì)開挖剖面與實(shí)際開挖剖面的對(duì)比圖及超欠挖情況如圖8所示。

由圖8可以直觀地看到該工程部位的超欠挖形態(tài)及超欠挖量，通過對(duì)超欠挖控制標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)計(jì)算的超欠挖量進(jìn)行對(duì)比分析，輔助工程技術(shù)人員及時(shí)采取相關(guān)質(zhì)量控制措施。選擇不同的觀察平面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該工程開挖部位的多方位比較與分析。將系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖情況進(jìn)行對(duì)比，表明系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果真實(shí)可靠，可為施工現(xiàn)場(chǎng)邊坡開挖提供技術(shù)支持。

圖8 開挖面剖面對(duì)比分析

5 結(jié)語

本文將高精度的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用到邊坡開挖質(zhì)量控制中，為加強(qiáng)質(zhì)量控制的科學(xué)化、精細(xì)化提供新思路，保證了質(zhì)量控制參數(shù)(如超欠挖量)計(jì)算的科學(xué)化和精細(xì)化。結(jié)合COM組件技術(shù)、Matlab與C#混合編程技術(shù)、二維插值原理、邊坡開挖質(zhì)量控制方法、CrystalReports組件技術(shù)等方法和技術(shù)手段，采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了邊坡開挖質(zhì)量控制系統(tǒng)，通過點(diǎn)云圖繪制、剖面圖繪制、剖面對(duì)比圖繪制、超欠挖量計(jì)算、工程事故查詢以及統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡開挖全過程質(zhì)量控制信息的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和交互式查詢，為邊坡開挖信息化管理提供了重要的技術(shù)手段與工具。

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