張長(zhǎng)偉，白翠霞，王志剛

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010；2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；3.武漢市水務(wù)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430010)

棄渣場(chǎng)是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在施工期和生產(chǎn)運(yùn)行期產(chǎn)生的大量棄土、棄石等固體廢棄物的專門堆放場(chǎng)地。水土保持法第二十八條規(guī)定：依法應(yīng)當(dāng)編制水土保持方案的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中排棄的砂、石、土、矸石、尾礦、廢渣等應(yīng)當(dāng)綜合利用；不能綜合利用，確需廢棄的，應(yīng)當(dāng)堆放在水土保持方案確定的專門存放地，并采取措施保證不產(chǎn)生新的危害?！渡a(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理辦法》要求對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開展水土保持監(jiān)督檢查，其中取、棄土(包括渣、石、砂、矸石、尾礦等)場(chǎng)選址及防護(hù)情況為跟蹤檢查的主要內(nèi)容之一，對(duì)跟蹤檢查發(fā)現(xiàn)的水土流失問題，按照生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持問題分類標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定問題并確定責(zé)任單位及其應(yīng)負(fù)的責(zé)任。因此，棄渣場(chǎng)的管理工作是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]。依據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50433—2018)的要求，在編制水土保持方案時(shí)，須做好棄渣場(chǎng)規(guī)劃。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51240—2018)的要求，在開展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)永久和臨時(shí)棄渣量及變化情況。

目前，棄渣量獲取主要有等高線法、解析法、相關(guān)3D軟件建模計(jì)算方法。等高線法不適合地形變化大且棄渣總量大的項(xiàng)目，且計(jì)算精度不高，計(jì)算結(jié)果較真實(shí)值存在較大偏差，過程繁雜，工作量大[2]。解析法雖然有足夠的精度保證，但是數(shù)據(jù)提取處理過程較繁雜，對(duì)地形圖精度要求高，不能滿足水土保持工作中棄渣場(chǎng)堆渣量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。相關(guān)3D軟件建模計(jì)算方法在生成三維曲面時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，直接通過軟件中相關(guān)功能分析排除異常點(diǎn)有待商榷，對(duì)地形圖精度要求高，在面對(duì)復(fù)雜地形的棄渣場(chǎng)，僅用軟件提供的放坡規(guī)則難以勝任[3]。RTK(Real-timekinematic)載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法，能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度。RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)傳輸和處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)8 km以內(nèi)棄渣場(chǎng)地形測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信傳輸和處理[4]?；赗TK測(cè)量技術(shù)，結(jié)合解析法量算棄渣橫斷面面積的方法，測(cè)定棄渣場(chǎng)堆渣方量，是一種可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量堆渣量的方法。

1 技術(shù)方法

先在橫斷面上按地形高程或者橫斷面形狀轉(zhuǎn)折點(diǎn)取點(diǎn)，并利用RTK確定點(diǎn)的坐標(biāo)，再用解析方法計(jì)算橫斷面面積。設(shè)橫斷面上測(cè)了n個(gè)點(diǎn)，則該橫斷面構(gòu)成了n邊形，如圖1按順時(shí)針方向?qū)@些點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)(xi，yi),用解析法計(jì)算任意多邊形的面積公式為

(1)

或者

(2)

式中：S為任意多邊形面積；當(dāng)i=1時(shí)，yi-1=yn，xi-1=xn;當(dāng)i=n時(shí)，yi+1=y1，xi+1=x1。多邊形頂點(diǎn)1、n號(hào)點(diǎn)位是棄渣場(chǎng)橫斷面與堆渣體交線上的點(diǎn)。如果以多邊形頂點(diǎn)的高程H作為y坐標(biāo)，以頂點(diǎn)間的水平距離D作為x坐標(biāo)，建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系，將平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成棄渣場(chǎng)橫斷面內(nèi)的直角坐標(biāo)系，此時(shí)，棄渣場(chǎng)橫斷面圖形上第i個(gè)頂點(diǎn)的位置可以用坐標(biāo)(Hi，Di)來表示。若點(diǎn)的坐標(biāo)(xi，yi)、(Hi，Di)可利用精度較高的地形圖獲得，則只需測(cè)量堆渣線的平均高程。

圖1 棄渣場(chǎng)同斷面不同堆置線的橫斷面多邊形劃分

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，棄渣場(chǎng)堆渣量至少每10天要監(jiān)測(cè)記錄一次。每間隔一定時(shí)期對(duì)各個(gè)橫斷面上的堆渣面進(jìn)行RTK取點(diǎn)測(cè)量其坐標(biāo)(xi，yi)。如圖1，第j時(shí)刻堆置線、第j+10天堆置線、第j+20天堆置線等，按如下公式計(jì)算橫斷面上堆渣體在斷面上的平均高程

(3)

棄渣場(chǎng)堆渣量計(jì)算公式為

(4)

式中：V為棄渣場(chǎng)堆渣量；Si、Si+1分別為棄渣場(chǎng)橫斷面劃分第i及i+1個(gè)橫斷面面積；Sn為棄渣場(chǎng)劃分的最后一個(gè)橫斷面面積；L'為最后一個(gè)橫斷面與棄渣面上端最末斷點(diǎn)間的距離；Li,i+1為橫斷面間的間距，當(dāng)Li,i+1都相同并等于L時(shí)，棄渣場(chǎng)堆渣量計(jì)算公式為

(5)

式中:S1為棄渣場(chǎng)劃分的第一個(gè)斷面面積；其他符號(hào)意義同上。

2 工程運(yùn)用

某高速公路位于貴州省遵義市境內(nèi)，經(jīng)遵義市道真、正安、綏陽、湄潭、余慶五縣，終點(diǎn)位于黔南州甕安縣。全線采用完全控制出入雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路線全長(zhǎng)253.92 km(其中主線長(zhǎng)246.22 km，道真支線長(zhǎng)7.70 km)，本項(xiàng)目于2013年6月開工，2015年12月竣工。該項(xiàng)目的一處棄渣場(chǎng)位于遵義市道真仡佬族苗族自治縣大矸鎮(zhèn)，道安高速YK27+280右側(cè)220 m現(xiàn)狀為溝道，占地類型為旱地和灌木林地，渣體成分主要為碎石土，最大堆渣高度為32 m，削坡分級(jí)優(yōu)化之后分為二級(jí)，分級(jí)邊坡坡度為1∶2，分級(jí)邊坡之間設(shè)馬道，馬道寬2.5 m。坡腳采用M7.5漿砌石片石擋墻護(hù)坡。

(1)繪制橫斷面位置線，確定合理的橫斷面間距L，在地形圖上按間距L選取并標(biāo)出每個(gè)橫斷面的位置線。橫斷面一般應(yīng)與棄渣場(chǎng)擋土墻的軸線相平行，間距L可以不固定，而根據(jù)棄渣場(chǎng)的具體形狀選取最能準(zhǔn)確計(jì)算棄渣場(chǎng)堆渣量的橫斷面位置線，如圖2-a內(nèi)的斷面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)將RTK基準(zhǔn)站布置于棄渣場(chǎng)范圍外的一側(cè)，且處于空曠、平整的地面[圖2(a)所示]，并按照RTK技術(shù)基準(zhǔn)站作業(yè)方案連接相關(guān)組件，設(shè)置參數(shù)并測(cè)試，確?；鶞?zhǔn)站主機(jī)設(shè)置為“基準(zhǔn)站”和電臺(tái)“外掛”模式；移動(dòng)站按移動(dòng)站作業(yè)方案連接相關(guān)組件，設(shè)置參數(shù)并測(cè)試，確保移動(dòng)站主機(jī)設(shè)置為“移動(dòng)站”和“UHF”模式，測(cè)量的數(shù)據(jù)坐標(biāo)設(shè)為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，高程以1985國(guó)家高程為基準(zhǔn)；手持移動(dòng)站在每個(gè)橫斷面上的棄渣堆置線間隔一定的距離I0(一般3～5 m)等規(guī)則取點(diǎn)并測(cè)量坐標(biāo)信息(移動(dòng)站數(shù)量按照工作任務(wù)的需求而定)，并按照一定的順序做好點(diǎn)位信息的保存，計(jì)算得出棄渣堆置線的平均高程。若無地形底圖情況，可用RTK測(cè)量每個(gè)斷面內(nèi)點(diǎn)的坐標(biāo)，本案例是針對(duì)有地形圖的情形。

圖2 棄渣場(chǎng)斷面劃分及典型斷面

(3)對(duì)于每個(gè)橫斷面在地形圖中相應(yīng)的橫斷面位置線上，按順時(shí)針方向?qū)M斷面位置線與棄渣交界線及其以下每根等高線的交點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，為避免出錯(cuò)，一般可從右向左按順序編號(hào)[圖2(b)]，然后在橫斷面位置線上直接量取每個(gè)交點(diǎn)與最左邊的交點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn),也即第n號(hào)點(diǎn))間的水平距離Di,并在地形圖上直接讀出交點(diǎn)的高程Hi,則交點(diǎn)坐標(biāo)為(Hi，Di)。以圖2-b所繪橫斷面為例，在地形圖橫斷面位置線上直接量取各交點(diǎn)的坐標(biāo)值。

(4)計(jì)算結(jié)果模擬的三種棄渣場(chǎng)堆渣情形，2013年9月棄渣體堆置平均高程908 m，計(jì)算得出棄渣量11.12萬m3，實(shí)際棄渣12萬m3，比實(shí)際值少0.88萬m3(表1)；2014年1月棄渣體堆置平均高程在916 m，計(jì)算得出棄渣量是24.1萬m3，實(shí)際棄渣25萬m3，比實(shí)際值少0.9萬m3(表2)；2018年6月為最終堆置高程(設(shè)計(jì)高程920 m)，計(jì)算得出棄渣量31.67萬m3，實(shí)際棄渣32.88萬m3，比實(shí)際值少1.21萬m3(表3)。三種棄渣堆置情形(堆渣高程908 m、916 m、920 m)，估算值均比實(shí)際值偏少，相對(duì)誤差分別為7.3%、3.6%和3.7%(表4)。

表1 2013年9月棄渣場(chǎng)堆渣量

表2 2014年1月棄渣場(chǎng)堆渣量

表3 2018年6月棄渣場(chǎng)堆渣量

表4 計(jì)算結(jié)果分析

3 結(jié) 語

(1)基于RTK技術(shù)和解析法提出的棄渣場(chǎng)堆渣量測(cè)量方法，操作簡(jiǎn)單，不僅適合在野外對(duì)棄渣場(chǎng)堆渣量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，也適合在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制時(shí)進(jìn)行棄渣場(chǎng)容量的設(shè)計(jì)。計(jì)算公式簡(jiǎn)單，可編程計(jì)算，特別適用于溝道型棄渣場(chǎng)堆渣量計(jì)算。

(2)基于RTK技術(shù)和解析法在棄渣場(chǎng)堆渣量測(cè)量工作中，只需在地形圖橫斷面上直接截取橫斷面位置線與堆渣體的堆渣線及其以下等高線的交點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算斷面面積，可節(jié)省大量繪制橫斷面圖的時(shí)間，提高工作效率。

(3)本方法在進(jìn)行橫斷面面積計(jì)算時(shí)有足夠的精度保證，相對(duì)誤差均能控制在10%之內(nèi)，但是在無地形圖的棄渣場(chǎng)，計(jì)算過程煩瑣，數(shù)據(jù)輸入較多且易出錯(cuò)。在野外橫斷面監(jiān)測(cè)中，要做好保護(hù)橫斷面參照物標(biāo)志，避免受施工的影響破壞，不能保證監(jiān)測(cè)橫斷面數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

(4)本方案計(jì)算精度取決于棄渣場(chǎng)地形圖上水平距離的測(cè)量精度以及兩斷面間距離Li,i+1的大小。實(shí)際工作中合理取Li,i+1值，以兼顧精度和效率。受客觀條件所限本研究未就Li,i+1取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響作研究。