一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法与流程

本发明涉及边墙变形监测领域，尤其是一种在施工期间用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法。

背景技术：

混凝土面板堆石坝是以堆石体为支撑结构并在其上游表面设置混凝土面板作为防渗结构的一种常用坝型。这种坝型具有投资省、工期短、安全性好、就地取材等一系列优点，目前已在国内外坝工界得到广泛应用。

面板堆石坝结构从上游到下游主要有面板、挤压边墙、垫层、过渡区、主堆石、次堆石等部分组成。在大坝施工过程中，施工顺序一般为先填筑主次堆石、过渡区，再对挤压边墙施工，然后垫层施工。待大坝预沉降一段时间后，经监测挤压边墙表面位移变化稳定时，在上游面进行面板施工，以保证面板与挤压边墙不会脱空，进而保证施工期大坝的稳定与安全。

挤压边墙施工技术是混凝土面板堆石坝上游坡面施工的新方法，可进一步加快施工进度、提高垫层料的碾压质量、简化施工工艺、简便及时地防护上游坡面，目前此技术在国内外已广泛采用。工程上的挤压边墙作为混凝土面板的直接承载体，需要对其变形特性进行分析以指导混凝土面板的施工。而堆石坝内埋设的水管沉降仪、电磁沉降仪，由于施工干扰，坝体监测常远落后于施工进度，不能及时反映其变形规律，因此，在浇筑面板混凝土之前，一般需要对挤压边墙的变形进行监测。

目前面板堆石坝表面位移监测常采用视准线法、前方交会法及解析三角高程法。通常情况下，表面变形测量采用视准线与二等水准的方法即可，但有时由于地形条件和两岸趾板防渗处理工程施工干扰的影响，无法建立视准线基点，而改选前方交会法监测大坝的顺河向及横河向位移，采用三角高程法监测大坝的垂向位移；近年来，为了对施工期挤压边墙监测，将全站仪设置在上游围堰，棱镜设置在挤压边墙表面，但这些方法皆属于传统上的单点或者若干点监测方法，大坝监测数据覆盖面较少，难以精确完整地反映出大坝整体三维变形情况，存在一定的局限性。此外，常需要不同测量方法的相互配合才能获得被监测点的空间三维位移，测量条件较为复杂、费时费力、精度低，无法及时精确获得施工期挤压边墙表面变形规律以指导面板施工。

三维激光扫描技术是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。近年来，三维激光扫描技术已广泛应用于隧道、滑坡体、基坑沉陷及岩体结构调查等监测领域。不同监测领域采用不同的监测仪器，如边坡监测开挖采用徕卡HDS 8800具有2000m测程，50mm/2000m的精度。实践证明，该技术用于变形监测具有可行性，其与常规变形监测手段相比，突破了传统的单点监测方法，具有数据采集效率高、数据获取速度快、数据分辨率高、测量精度高、无接触测量等优点。目前三维激光扫描技术在国内外坝工界已得到应用，加拿大OPTECH公司基于瑞典Porjus大坝对三维激光扫描技术变形监测的可行性进行了研究，并对韩国Hoengscong水利大坝上下游整体进行了变形监测；在中国，三维激光扫描技术在土石坝变形监测和矿区大坝沉陷监测中也有一些报导，其主要采用奥地利Riegl公司仪器，采集数据速度30万/s，100m范围单点精度达到2mm；但土石坝施工期上游表面是由块石体组成，表面较不平整，测量精度较差，而基于三维激光扫描技术对施工期平整度很高的面板堆石坝挤压边墙进行变形监测尚未见报导。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法，可以解决传统监测手段复杂、费时费力、精度低、实效性差等缺点，引入三维激光扫描技术对高面板堆石坝挤压边墙变形进行快速监测，数据采集效率高、数据获取速度快、数据分辨率高、测量精度高、无接触测量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：监测前准备与数据采集，具体如下：

步骤1-1：监测基点布设：选择坝体上游围堰左右两岸沉降可忽略的区域分别布设2个监测基点；

步骤1-2：测站选取：考虑现场的地形、交通等因素，根据扫描目标的范围、规模、地形起伏，选取比较安全、通视良好、沉降相对稳定的测站点，测站数≤3站；

步骤1-3：控制标靶布置：将控制标靶布置在测站扫描的公共区域范围，布置于两相邻测站扫描仪都能识别标靶中心的位置；同一区域布置的控制标靶数量≥3个；所有标靶位置不处于同一条直线上；

步骤1-4：扫描仪架站：在步骤1-2选取的测站处，架设测量型三脚架，将扫描仪架设于测量型三脚架上方，整平后进行扫描操作；

步骤1-5：扫描仪扫描：基于上游围堰左右两岸布设的2个监测基点，采用三维激光扫描仪从右岸向左岸或者从左岸到右岸逐一进行扫描；

步骤1-6：控制点匹配：在步骤1-5中逐站扫描的挤压边墙表面点云数据是测站左右两侧控制标靶下的点云数据，将不同测站对应的控制标靶扫描的点云数据进行配准，即基于左右两岸的监测基点配准坐标系，使之处于同一坐标系下；

步骤1-7：根据现场工程施工进度，从面板堆石坝填筑施工至临时度汛断面时开始进行第一期扫描，之后每期按照每填筑10m～25m的高度，在同样的扫描测站位置，采用三维激光扫描仪对高面板堆石坝挤压边墙表面分别进行第二期扫描…第N期扫描，直至分析计算得到施工期的挤压边墙表面变形稳定时停止扫描，这样就得到N期点云数据，N≥2；

步骤2：基于步骤1采集的点云数据进行处理分析，具体如下：

步骤2-1：点云数据的标靶自动拼接：利用三维激光扫描仪配套的软件支持标靶自动拼接的特性，导入数据后，利用扫描时的独立标靶，软件在相邻扫描仪站点之间自动添加约束条件，自动进行高精度拼接，并生成站与站之间的拼接报告，帮助控制拼接误差；

步骤2-2：点云数据的坐标转换

将步骤1-7中获得的一期扫描的控制点位坐标，通过仪器高度的去除计算之后，以文本文件的方式导入步骤1-7中获得的第二期扫描数据中，二期扫描数据以控制点位进行坐标校准，可将两期扫描数据配准到一个坐标系下，方便后期的点云数据比较，同理将步骤1-7中获得的第N期，N≥3，扫描数据与第一期扫描数据匹配到同一个坐标系下；

步骤2-3：点云数据的过滤

通过配套Cyclone软件将多余的扫描数据和噪声通过软件功能进行剔除，保留用于后续点云数据的分析；

步骤2-4：通过对每期点云数据进行步骤2-1、步骤2-2及步骤2-3处理后，再由专业软件3DReshaper建模分析，接着计算第二期点云数据坐标(X₂，Y₂，Z₂)与第一期点云数据坐标(X₁,Y₁,Z₁)的差值，第三期点云数据坐标(X₃，Y₃，Z₃)与第一期点云数据坐标(X₁,Y₁,Z₁)的差值…第N期(N≥2)点云数据坐标(X_n,Y_n,Z_n)与第一期点云数据坐标(X₁,Y₁,Z₁)的差值，得到高面板堆石坝挤压边墙的变形信息，即挤压边墙第二期、…第N期，N≥2，分别与第一期的相对变形量(X₂-X₁,Y₂-Y₁,Z₂-Z₁)、…(X_n-X₁,Y_n-Y₁,Z_n-Z₁)，然后采用surfer软件绘制挤压边墙相对变形图，即实现高面板堆石坝挤压边墙变形的快速监测。

三维激光扫描仪采用徕卡ScanStationP40扫描仪,所用软件为点云处理软件Cyclone和三维分析软件3DReshaper。

步骤2-4中，通过软件进行分析的过程为：

①原始的点云处理软件Cyclone中将过滤好的第二期、…第N期，N≥2，分别与第一期数据分别以文本文件的方式导出；

②将第二期、…第N期，N≥2，分别与第一期数据分别导入专业的三维分析软件3DReshaper；

③利用3DReshaper的模型创建功能将第一期数据进行建模，使得在使用第二期…第N期数据模型进行叠加计算时，可避免点云与点云比较时点云空隙带来的误差；

④将第二期点云坐标数据与第一期点云坐标数据模型进行叠加计算，在设置好计算参数后，挤压边墙模型图自动得出，直观，方便；同理可将第三期数据与第一期数据叠加计算得出结果。以此类推，同理可将第N期，N≥4，扫描数据与第一期扫描数据叠加计算得到结果。

步骤1-5中，从右岸向左岸逐一进行扫描的过程为：在设定的测站处，将三维激光扫描仪架站，首先扫描获得右岸监测基点处标靶的坐标，接着扫描测站左侧的控制标靶的坐标，然后进行挤压边墙表面扫描；移动到下一个测站，再次架站、测站右侧控制标靶扫描、测站左侧控制标靶扫描、挤压边墙表面扫描；依次类推，逐站扫描，直到左岸监测基点。

同上述原理，也可以从左岸向右岸逐一进行扫描。

本发明提供的一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法，针对传统监测手段复杂、费时费力、精度低、实效性差等缺点，引入了三维激光扫描技术对高面板堆石坝挤压边墙变形进行快速监测的方法，研究了挤压边墙变形快速监测流程，实时获取挤压边墙的三维整体变形信息，为工程单位提供第一手指导面板施工的资料。实例分析表明，该技术用于挤压边墙变形监测具有可行性，其与常规变形监测手段相比，突破了传统的单点监测方法，具有数据采集效率高、数据获取速度快、数据分辨率高、测量精度高、无接触测量等优点。

以徕卡ScanStationP40三维激光扫描仪为测量仪器，在上游围堰设置测站及控制标靶(或称控制点)，在左右两岸设置监测基点，形成独立监测网进行监测，通过标靶自动拼接、点云坐标转换、点云的过滤等关键技术操作，实现高面板堆石坝施工期挤压边墙表面位移变形快速监测，测量形变值满足面板堆石坝施工期挤压边墙变形实际情况，为面板施工时机的选择提供有效的参考。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的步骤流程图；

图2为本发明实施例一中所监测大坝的挤压边墙上游立视图；

图3为本发明实施例一中步骤1-1、1-2和1-3中的监测基点、测站和控制标靶布置图；

图4为本发明实施例一中三期扫描数据的点云数据经过步骤2-1点云数据的标靶自动拼接后的结果；

图5为本发明实施例一中通过surfer软件绘制挤压边墙10月8日相对于8月6日的顺河向和垂直向位移场示意图；

图6为本发明实施例一中通过surfer软件绘制挤压边墙12月16日相对于8月6日的顺河向和垂直向位移场示意图；

图7为本发明实施例二中采用全站仪配合棱镜法的挤压边墙监测点布置图；

图8为本发明实施例二中通过surfer软件绘制棱镜实测的挤压边墙10月8日相对于8月6日的顺河向和垂直向位移场示意图。

具体实施方式

实施例一

工程概况

涔天河水库位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游峡谷出口处，下距江华县城12km。由于老坝坝高较低，水库库容小，调节能力低，涔天河水库长期处于“大材小用”的尴尬境地，不能适应经济社会发展的需要。因此，根据坝址区地形地质条件等综合因素，将新坝(扩建工程)建在老坝下游，新坝轴线距老坝轴线194.9m，河床段趾板上缘距老溢流坝坝趾8m，在施工期将老坝作为上游围堰。

涔天河水库扩建工程大坝坝型为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程324.00m，趾板最低高程210.00m，最大坝高114.0m。涔天河水库扩建工程是具有灌溉、防洪、下游补水和发电，兼顾航运等综合利用效益的大型水利水电枢纽工程，水库正常蓄水位313.00m，总库容15.1亿m³，灌溉面积111.46万亩，电站装机容量200MW。工程规模为I等大(1)型，大坝、泄水建筑物等主要水工建筑物为1级建筑物，电站厂房及引水发电洞等发电主要建筑物级别为3级。

挤压边墙作为混凝土面板的直接承载体，需要对其变形特性进行分析以指导混凝土面板的施工。但由于涔天河水库扩建工程在坝体修建前期未能及时调试坝体内部监测设施，导致难以选择在挤压边墙上浇筑面板混凝土的合适时机。由挤压边墙上游立视图(如图2所示)可见，由于老坝与新坝距离较近，挤压边墙平整性和通视性较好，为采用三维激光扫描技术进行变形监测提供了良好的条件，为此，考虑采用三维激光扫描技术对挤压边墙变形进行监测。

根据施工进度结合工程实际情况，以三期扫描为例，采用三维激光扫描技术对涔天河水库扩建工程面板堆石坝挤压边墙表面进行扫描监测。

选定面板堆石坝填筑施工至临时度汛断面时作为第一期，以后按照每填筑10m～25m高度，在同样的扫描测站位置，采用三维激光扫描仪ScanStationP40对涔天河水库扩建工程高面板堆石坝挤压边墙表面进行三期扫描监测，监测日期分别设为2015年8月6日、2015年10月8日及2015年12月16日。根据工程实际施工进度安排，三次监测时挤压边墙顶高程分别为278.00m、296.33m、320.30m。

选取2015年8月6日三维激光扫描的区域作为挤压边墙变形分析区域，即高程217.00m至高程278.00m，并将其监测数据作为初始数据，分别与第二、三期采集的点云数据进行对比分析来获取高面板堆石坝挤压边墙变形信息。

如图1所示，一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：监测前准备与数据采集，具体如下：

步骤1-1：监测基点布设：选择老坝(上游围堰)左右两岸沉降可忽略的区域分别布设2个监测基点，本实施例监测基点布置如图3所示，左岸监测基点B，右岸监测基点A；

步骤1-2：测站选取：考虑现场的地形、交通等因素，根据扫描目标的范围、规模、地形起伏，选取比较安全、通视良好、沉降相对稳定的测站点；测站数量尽量少，以减小数据处理量，一般地，测站数≤3站为宜；测站之间距离尽量适中，根据老坝场地实际情况，本实施例选定测站数为3站，具体布置见图3所示；

步骤1-3：控制标靶布置：控制标靶即用于不同测站所获取点云数据(数以万计的点三维坐标信息的集合)拼接的控制点。标靶布置在测站扫描的公共区域范围，标靶布设应均匀分布，必须布置于两相邻测站扫描仪都能识别标靶中心(直径2mm的特殊材质的激光反射点)的位置；同一区域布置的控制标靶数量至少≥3个(一般情况下布置4～5个标靶)；所有标靶位置不处于同一条直线上。根据场地实际情况，本实施例选取控制标靶5个，控制标靶布置见图3所示；

步骤1-4：扫描仪架站：在步骤1-2选取的测站处，架设测量型三脚架，将扫描仪架设于测量型三脚架上方，整平后进行扫描操作；

步骤1-5：扫描仪扫描：基于上游围堰左右两岸布设的2个监测基点，采用三维激光扫描仪从右岸向左岸或者从左岸到右岸逐一进行扫描；

步骤1-6：控制点匹配：在步骤1-5中逐站扫描的挤压边墙表面点云数据是测站左右两侧控制标靶下的点云数据，将不同测站对应的控制标靶扫描的点云数据进行配准，即基于左右两岸的监测基点配准坐标系，使之处于同一坐标系下；

步骤1-7：根据现场工程施工进度，从面板堆石坝填筑施工至临时度汛断面时开始进行第一期扫描，之后每期按照每填筑10m～25m的高度，在同样的扫描测站(共3个测站)位置，采用三维激光扫描仪对高面板堆石坝挤压边墙表面分别进行第二期扫描…第N期扫描，N＝3，这样就得到三期点云数据；

步骤2：基于步骤1采集的点云数据进行处理分析，具体如下：

步骤2-1：点云数据的标靶自动拼接：利用三维激光扫描仪配套的软件支持标靶自动拼接的特性，导入数据后，利用扫描时的独立标靶，软件在相邻扫描仪站点之间自动添加约束条件，自动进行高精度拼接，并生成站与站之间的拼接报告，帮助控制拼接误差；

步骤2-2：点云数据的坐标转换

将步骤1-7中获得的一期扫描的控制点位坐标，通过仪器高度的去除计算之后，以文本文件的方式导入步骤1-7中获得的第二期扫描数据中，二期扫描数据以控制点位进行坐标校准，可将两期扫描数据配准到一个坐标系下，方便后期的点云数据比较，同理将步骤1-7中获得的第三期扫描数据与第一期扫描数据匹配到同一个坐标系下；

步骤2-3：点云数据的过滤

通过配套Cyclone软件将多余的扫描数据和噪声通过软件功能进行剔除，保留用于后续点云数据的分析；

步骤2-4：通过对每期点云数据进行步骤2-1、步骤2-2及步骤2-3处理后，再由专业软件3DReshaper建模分析，接着计算第二期点云数据坐标(X₂,Y₂,Z₂)与第一期点云数据坐标(X₁,Y₁,Z₁)的差值、第三期点云数据坐标(X₃,Y₃,Z₃)分别与第一期点云数据坐标(X₁,Y₁,Z₁)差值，就能得到高面板堆石坝挤压边墙的变形信息，即挤压边墙第二期、第三期分别与第一期的相对变形量(X₂-X₁,Y₂-Y₁,Z₂-Z₁)、(X₃-X₁,Y₃-Y₁,Z₃-Z₁)，然后采用surfer软件绘制挤压边墙相对变形图，即实现高面板堆石坝挤压边墙变形的快速监测。

三维激光扫描仪采用徕卡ScanStationP40扫描仪,所用软件为点云处理软件Cyclone和三维分析软件3DReshaper。

步骤2-4中，通过软件进行分析的过程为：

①原始的点云处理软件Cyclone中将过滤好的第二期与第一期点云数据、第三期与第一期点云数据分别以文本文件的方式导出；

②将第二期与第一期点云数据、第三期与第一期点云数据分别导入专业的三维分析软件3DReshaper；

③利用3DReshaper的模型创建功能将第一期数据进行建模，使得在使用第二期、第三期数据进行叠加计算时，可避免点云与点云比较时点云空隙带来的误差；

④将第二期点云坐标数据与第一期点云坐标数据模型进行叠加计算，在设置好计算参数后，挤压边墙模型会自动计算得出，直观，方便；同理可将第三期数据与第一期数据叠加计算得出结果。

步骤1-5中，从右岸向左岸逐一进行扫描的过程为：在设定的测站1处，将三维激光扫描仪架站，首先扫描获得右岸监测基点A处标靶1的坐标，接着扫描测站左侧的控制标靶2的坐标，然后进行挤压边墙表面扫描；移动到下一个测站，再次架站、测站右侧控制标靶扫描、测站左侧控制标靶扫描、挤压边墙表面扫描；依次类推，逐站扫描，直到左岸监测基点B。

同上述原理，也可以从左岸向右岸逐一进行扫描。

根据现场条件，扫描时将分辨率设置为3.1mm@10m，单站平均扫描时间1分30秒，与此同时站站之间采集公共标靶用于进行数据拼接，单站标靶获取时间1min，扫描仪站点之间的数据联合配准精度控制在1mm。现场累计共计扫描9站数据(每期各三站)，共计用时累计60分钟。

三期扫描数据的点云数据经过步骤2-1点云数据的标靶自动拼接后的结果如图4所示。

通过surfer软件绘制挤压边墙10月8日和12月16日分别相对于8月6日的顺河向和垂直向位移场如图5和图6所示，由于横河向位移较小，不再给出。图中数值符号规定为：顺河向位移以向下游为正、向上游为负；垂直向位移以上抬为正，下沉为负，下同。

经过软件自动计算得到面板堆石坝挤压边墙表面变形信息，由图5和图6可知：

(1)10月8日挤压边墙顺河向最大位移为52mm，最小位移为-8mm，底部1/3以下略向上游凸出，但位移较小；中上部向下游位移，位移变化梯度较大；12月16日挤压边墙位移略有增大，顺河向最大位移为87mm，最小位移为-10mm，最大位移主要集中在上部，两岸位移较小。

(2)10月8日挤压边墙最大沉降为70mm，分布在坝体上部；挤压边墙监测区域的底部沉降基本不变，两侧沉降较小，上部沉降较大；而12月16日监测区域上部变化梯度较大，沉降最大达到127mm，这主要由于施工期坝体前后扫描阶段堆石填筑重压变形所致。

由10月8日与12月16日面板堆石坝挤压边墙变形情况可知，挤压边墙中上部处于变形发展阶段，尚不适合进行面板施工，而应预沉降一段时间。

实施例二

对比验证分析

针对上述实施例一的监测结果是否符合挤压边墙实际变形监测值，对比全站仪配合棱镜法与本专利提出的方法，验证其合理性。采用全站仪配合棱镜法的挤压边墙监测点布置见图7。

为便于对比全站仪配合棱镜法与三维激光扫描法对挤压边墙变形监测的异同，选取2015年8月6日与2015年10月8日两期监测数据进行分析，采用surfer软件绘制棱镜实测挤压边墙2015年10月8日相对2015年8月6日的顺河向和垂直向位移场，见图8。

从图5、6和8可以看出，在2015年8月6日和2015年10月8日分别使用三维激光扫描仪和全站仪对挤压边墙进行变形监测，在水平位移监测、沉降监测方面的两种手段所得到的挤压边墙变形情况存在一定的差异。这主要由于全站仪测点数量过少且大部分位于坝体中下部，仅仅用少量的测点插值来获得整个坝面的变形信息，显然有一定的误差。

(1)从顺河向位移场看，对比全站仪配合棱镜法，三维激光扫描获得的挤压边墙变形数据较密，但两种手段监测的顺河向位移变化梯度较大值皆集中于坝体上部区域，下部区域等值线较疏；此外，基于三维激光扫描的顺河向位移变化区域明显大于全站仪配合棱镜实测的顺河向位移变化区域，说明利用三维激光扫描技术获取的点云数据拟合出的坝体模型能全面地提取到挤压边墙变形信息且与施工期挤压边墙实际变形情况基本相符。

(2)从垂直向位移场看，10月8日棱镜实测最大沉降为38mm，三维激光扫描实测最大沉降为70mm；12月8日棱镜实测最大沉降为118mm，12月16日三维激光扫描实测最大沉降为127mm。两种手段监测得到的挤压边墙变形趋势基本一致，挤压边墙中上部沉降皆很大，底部沉降较小甚至出现上抬现象，这主要由于上部堆石填筑施工完毕后堆石体重压导致沉降变化梯度较大。

对比全站仪配合棱镜法，三维激光扫描技术能快速获得更全面、更直观的面板堆石坝挤压边墙表面数据，所得到的监测数据与棱镜实测数据较为接近，实现了以面代替单点的数据提取，使得挤压边墙变形监测工作更全面、更便捷。