任秀芳，聶懷軍，任廣艷

（1.費縣水利局，山東 費縣 273400；2.費縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 費縣 273400）

三維激光掃描是近幾年興起的一種新型高邊坡開挖面形態(tài)測量技術(shù)，利用此技術(shù)能夠精確獲取被測對象的表面空間數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)具有測量精度較高、測量時間較短、測量自動化程度較高等優(yōu)點，對此本文利用高邊坡開挖面平均坡度、局部超欠挖、坡腳標(biāo)高、不平整度等計算模型，再結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取高邊坡開挖面測量數(shù)據(jù)，對高邊坡開挖面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和評估，及時掌握高邊坡開挖施工動態(tài)，保證施工質(zhì)量，控制施工工期。

1 高邊坡開挖面質(zhì)量控制

1.1 高邊坡開挖面質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

1）高邊坡開挖的平均坡度應(yīng)小于等于設(shè)計坡度。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）坡腳的標(biāo)高應(yīng)在±20 cm 范圍內(nèi)。4）高邊坡開挖不平整度要小于15 cm。

1.2 高邊坡開挖面數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)計

高邊坡開挖面質(zhì)量分析的基礎(chǔ)是需要提前設(shè)計好工程施工參數(shù)，設(shè)計參數(shù)主要包括施工區(qū)域、工程類型、施工高度差、施工編號、開挖面坡比、控制點相應(yīng)參數(shù)等數(shù)據(jù)。本文將水利工程施工的設(shè)計參數(shù)提前輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的參數(shù)化重構(gòu)。平面開挖面和曲面開挖面可以分別用以下公式進(jìn)行表示：

將設(shè)計參數(shù)輸入到公式中，用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最終可以確定開挖面的控制參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)掃描和預(yù)處理

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高邊坡開挖面掃描主要包括地形勘探、選點設(shè)站、數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)校驗等，在進(jìn)行掃描站點設(shè)置時場地應(yīng)選擇空曠、無遮擋物、避風(fēng)安全位置且掃描范圍不能遺漏應(yīng)覆蓋整個高邊坡開挖面。在數(shù)據(jù)采集時由于施工場地影響會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)大量噪聲，另外由于數(shù)據(jù)采集基數(shù)較大，會產(chǎn)生一些無用或錯誤數(shù)據(jù)，這時就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是處理云數(shù)據(jù)中的施工噪音及錯誤和重復(fù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理利用三維激光掃描儀系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)后處理軟件cyclone 進(jìn)行，然后系統(tǒng)將處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出以txt 格式存儲到三維激光掃描儀儲存卡上用于后續(xù)的數(shù)據(jù)精細(xì)處理及計算。

1.4 數(shù)據(jù)提取

利用三維激光掃描技術(shù)獲得的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后可獲得比設(shè)計高邊坡開挖面面積稍大的點云數(shù)據(jù)，為了保證獲得數(shù)據(jù)的精確度，將獲得點云數(shù)據(jù)區(qū)域和設(shè)計高邊坡開挖面區(qū)域進(jìn)行匹配，在保證精確度的同時提取符合設(shè)計高邊坡開挖面區(qū)域條件的數(shù)據(jù)，本文的數(shù)據(jù)提出采用射線法進(jìn)行，即利用高邊坡開挖面的設(shè)計控制點坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取。

1.5 高邊坡開挖施工質(zhì)量實時控制

高邊坡開挖施工通常按照從上到下、分層爆破開挖、邊開挖邊支護(hù)的施工方式。每層高邊坡在開挖前需要提前做好準(zhǔn)備工作，進(jìn)行測量放樣并校準(zhǔn)后才能進(jìn)行分層爆破開挖，每爆破開挖一層后需要進(jìn)行一次質(zhì)量檢查，以保證開挖質(zhì)量，另外每爆破一層需要進(jìn)行支護(hù)施工，以保證施工安全。高邊坡開挖是一個動態(tài)施工過程，在不斷施工下高邊坡開挖面的形態(tài)不斷變化，所以高邊坡開挖面的數(shù)據(jù)要實時采集，以保證能夠及時糾正高邊坡開挖工程，保證施工進(jìn)度。高邊坡開挖數(shù)據(jù)采集采用三維激光掃描儀進(jìn)行，在開挖面施工期間及時采集開挖數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的高邊坡開挖數(shù)據(jù)對高邊坡開挖施工進(jìn)行實時分析和評定，并將評定結(jié)果反饋給施工技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)施工數(shù)據(jù)糾正施工偏差，以保證高邊坡開挖面符合工程設(shè)計要求。

2 工程實例分析

以王屋水庫除險加固工程右岸高邊坡開挖作為實例，該右岸高邊坡長約70 m，高度約為15 m，初步勘探此高邊坡形狀為不規(guī)則的四邊形，高邊坡開挖面設(shè)計坡比為1∶0.75，高邊坡開挖面數(shù)據(jù)采集采用型號為Leica HDS8800 三維激光掃描儀進(jìn)行。

按照工程設(shè)計資料要求獲取四個控制點的已轉(zhuǎn)換相對坐標(biāo)，按照控制點坐標(biāo)對Ax+By+Cz+D=0 方程進(jìn)行擬合，確定 A 值為-1.359 4，B 值為-0.052 8、C 值為 1.000 0，D 值為 1 018.850 8，按照該設(shè)計基準(zhǔn)面平面方程對擬合誤差進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

表1 四個控制點坐標(biāo)誤差分析情況

工程點云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，按照預(yù)處理后的控制點坐標(biāo)提取高邊坡設(shè)計開挖面以外數(shù)據(jù)，實際高邊坡開挖施工數(shù)據(jù)提取范圍和高邊坡施工設(shè)計基準(zhǔn)面基本吻合，沒有設(shè)計范圍外數(shù)據(jù)。

對高邊坡開挖面點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后分析高邊坡開挖面施工質(zhì)量，將5 m 作為開挖質(zhì)量分析間距，共分析14 個高邊坡開挖斷面，求得開挖斷面的平均坡腳標(biāo)高為1 144.62 m，平均坡比為1∶0.742，上述數(shù)據(jù)均符合高邊坡開挖工程質(zhì)量要求。高邊坡開挖超欠挖分析，在開挖斷面每間隔15 m 取一個典型施工斷面進(jìn)行分析，可知：在高邊坡坡腳位置存在超挖現(xiàn)象，而且越靠近坡腳位置，超挖現(xiàn)象越嚴(yán)重。高邊坡開挖不平整度分析，利用三維激光掃描儀獲得的高邊坡開挖面點云數(shù)據(jù)計算出開挖面的不平整度為23.58 cm，此數(shù)值大于高邊坡開挖設(shè)計要求，對不平整度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生不平等度數(shù)值較大的主要原因是高邊坡存在超挖現(xiàn)象，經(jīng)進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析確定高邊坡超挖位置，將分析數(shù)據(jù)反饋到施工技術(shù)人員進(jìn)一步分析，從而及時調(diào)整施工計劃，保證高邊坡開挖施工質(zhì)量。

3 結(jié) 語

本文基于高邊坡開挖面數(shù)據(jù)采集的精確度和效率方面，利用高邊坡開挖面平均坡度、局部超欠挖、坡腳標(biāo)高、不平整度等計算模型，同時結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高邊坡開挖面數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理，在保證精確度的同時提取符合設(shè)計高邊坡開挖面區(qū)域條件的數(shù)據(jù)，對實際高邊坡開挖面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和評估，及時掌握高邊坡開挖施工動態(tài)，實時調(diào)整高邊坡開挖施工計劃。以王屋水庫除險加固工程右岸高邊坡開挖作為實例，對上述高邊坡開挖面質(zhì)量實時控制方法進(jìn)行了分析驗證，運用高邊坡開挖面質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)建立的評價計算模型再結(jié)合三維激光掃描技術(shù)高邊坡開挖面數(shù)據(jù)采集和處理能夠切實保證高邊皮開挖的施工質(zhì)量，在高邊坡開挖施工期間不斷獲取開挖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，調(diào)整施工計劃，在規(guī)定工期內(nèi)高質(zhì)量完成高邊坡開挖任務(wù)。