一种堆石坝填筑碾压施工过程监控及验收检验的方法与流程

本发明涉及筑坝施工领域，具体为一种堆石坝填筑碾压施工过程监控及验收检验的方法。

背景技术：

据不完全统计，世界范围内发生溃坝事件的坝体中98％以上也是土石坝。究其根源，很多情况都是由于施工质量原因所导致的，如：坝体坝料不满足设计要求、坝料摊铺厚度过厚、碾压施工中遍数不够、振动频率不满足要求等。

目前，在实际的堆石坝填筑碾压过程中，根据常规检测干密度、含水率和压实程度等方式选点进行质量控制，此类方式多采用“以点带面”的方式反映土石坝压实状况，对碾压过程中的超压与欠压问题，即使发现压实质量缺陷也无法准确指导返工的范围及重新碾压遍数。

为了解决上述存在的问题，本发明设计了一种堆石坝填筑碾压施工过程监控及验收检验的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前的监控检测方法多采用“以点带面”的方式反映土石坝压实状况，对碾压过程中的超压与欠压问题，即使发现压实质量缺陷也无法准确指导返工的范围及重新碾压遍数等缺点，而提出一种堆石坝填筑碾压施工过程监控及验收检验的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：在堆石坝填筑碾压施工中，采取“过程监控+验收检验”的双重控制手段，其过程监控及验收检验的步骤共分为六步：

步骤一、采集碾压前、后填料的数据。

步骤二、获取碾压前、后填料的标准压缩率(即碾压前、后干密度的比值)。

步骤三、获取碾压前的填料级配信息。

步骤四、施工质量的过程监控及验收检验。

步骤五、建立碾压后的大坝bim模型。

步骤六、大坝沉降观测及预测。

优选的，所述采集碾压前、后填料的数据的步骤共分为4步；

第1步：在碾压区内、外布设像控点。将多处像控点置于水准点处，利用水准点确定像控点真实三维坐标。

第2步：获取填铺前表面(原始地面)的坐标点云数据。筑坝铺填料铺设前，实施第一航次飞行(f1)，确认填铺前表面(原始地面)的坐标点云数据，获取的是地表精细曲面坐标点云，建立三维dem。

第3步：获取填铺后(碾压前)表面的坐标点云数据。筑坝铺填料铺填后(碾压前)，实施第二航次飞行(f2)，获取铺填后(碾压前)表面坐标点云数据，建立三维dem，将f2与f1获取的坐标点云数据做差(f2-f1)，获取铺填料的高度h1、面积a1和体积v1。

第4步：获取碾压后表面的坐标点云数据。筑坝铺填料碾压后，实施第三航次飞行(f3)，获取碾压后的表面坐标点云数据，建立三维dem，将f3与f1坐标点云数据和f2坐标点云数据分别做差(f3-f1，f3-f2)，获取f3相对于原始地面的高度h2、面积a2和体积v2，以及碾压前后的压缩量△h和压缩率△h/h1。

优选的，所述获取碾压前、后填料的标准压缩率(即碾压前、后干密度的比值)的公式为：

其中，△h为压缩量，△h/h1为压缩率。

根据填筑料的不同进行坝面分区，根据碾压试验及施工要求，搜集各区碾压料的级配信息，计算每一层铺填料不同级配时的碾压标准压缩率。通过上述公式，对碾压前、后填料的高程进行测量，进行影响三维dem重建，确定每一次碾压前、后的压缩率。

优选的，所述获取碾压前的填料级配信息中，基于航飞拍摄的碾压前的填料影像，利用数值图像识别技术，进行坝料粒径分析，划分出粒径相近的区域，绘制级配曲线，得到级配特征。与碾压试验中的标准级配进行对比分析，建立坝料级配图像识别修正模型，确定不同级配时的标准压缩率。

其具体步骤共分为7步；

第1步：获取数字图像：通过航飞倾斜摄影等各种图像获取，并对角度、位置、距离等因素进行修正。

第2步：图像预处理：首先对获得图像进行滤波除燥，然后进行图像二值化，最后进行灰度处理。

第3步：边缘提取：通过matlab程序，可采用roberts算子、log算子、sobel算子、prewitt算子、canny算子等方法进行边缘提取，其中canny算子提取效果最好。

第4步：块石形态判断：可采用模板匹配法，获取块石大小、形状两个参数，最终获取目标对象。

第5步：均质区划分：根据块石大小、形状及位置，基于数理统计理论，对整个区域进行均质区划分，即任一均质区内块石大小、数量分布基本稳定。

第6步：级配特征获取：对每一均质区内的块石大小、数量进行级配统计，确定其级配特征，并与碾压试验中的标准级配进行对比分析，建立坝料级配图像识别修正模型，确定不同级配时的标准压缩率。

第7步：坝料粒径分析：划分出粒径相近的区域，绘制各个区域级配曲线，得到级配特征，结合碾压试验确定不同区域的标准压缩率。

优选的，所述施工质量的过程监控及验收检验中，根据需要对每层碾压过程中和碾压后的坝面进行上述步骤工作，可及时绘制出不同时间的压缩率云图，以标准压缩率为分界，确定密实区域、不密实区域。在碾压过程中可及时指导碾压工作，在碾压后可进行碾压质量验收。在碾压施工前期3-5层，采用灌水法对各个区域进行验证。

优选的，所述建立碾压后的大坝bim模型中，依据土石坝结构设计，结合工程建设单元划分和实际施工数据，构建碾压后的bim模型，该模型可任意切割剖面，剖面中可直接查询每一层的压缩质量信息，可对施工过程进行精细化监控。

优选的，所述大坝沉降观测及预测中，通过定期或不定期对施工后的大坝进行沉降观测，基于bim模型，可结合每一层的压缩信息精确对大坝后期沉降进行预测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为堆石坝填筑碾压施工过程监控及验收检验的设备，在堆石坝填筑碾压施工中，采取“过程监控+验收检验”的双重控制手段，其具有以下优势：

1.可区分铺填过厚或过薄的区域，能及时指导施工进行铺填修整，避免欠碾或过碾；

2.可区分出级配相差较大的区域，能及时指导施工进行换填，避免主次堆料铺填错误等。

3.可计算出每一次碾压的压缩量和压缩率，能及时掌握施工进度和质量；

4.对碾压后的质量进行检测，可精确定位出过碾和欠碾区域，能够精细化指导施工进行修整或调整。

5.在大坝运行期间，若产生渗水、漏水、不均匀沉降等，可通过数字化模型进行原因分析，能够精确指导施工。

6.对大坝后期沉降进行预测，能够对运行期工程安全运行提供数据支撑。

附图说明

图1为本发明实施的流程示意图。

图2为本发明中筑坝铺填料碾压前后的变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：在堆石坝填筑碾压施工中，采取“过程监控+验收检验”的双重控制手段，其过程监控及验收检验的步骤共分为六步：

步骤一、采集碾压前、后填料的数据。而采集碾压前、后填料的数据的步骤共分为4步；

第1步：在碾压区内、外布设像控点。将多处像控点置于水准点处，利用水准点确定像控点真实三维坐标。

第2步：获取填铺前表面(原始地面)的坐标点云数据。筑坝铺填料铺设前，实施第一航次飞行(f1)，确认填铺前表面(原始地面)的坐标点云数据，获取的是地表精细曲面坐标点云，建立三维dem。

第3步：获取填铺后(碾压前)表面的坐标点云数据。筑坝铺填料铺填后(碾压前)，实施第二航次飞行(f2)，获取铺填后(碾压前)表面坐标点云数据，建立三维dem，将f2与f1获取的坐标点云数据做差(f2-f1)，获取铺填料的高度h1、面积a1和体积v1。

第4步：获取碾压后表面的坐标点云数据。筑坝铺填料碾压后，实施第三航次飞行(f3)，获取碾压后的表面坐标点云数据，建立三维dem，将f3与f1坐标点云数据和f2坐标点云数据分别做差(f3-f1，f3-f2)，获取f3相对于原始地面的高度h2、面积a2和体积v2，以及碾压前后的压缩量△h和压缩率△h/h1。

步骤二、获取碾压前、后填料的标准压缩率(即碾压前、后干密度的比值)。而获取碾压前、后填料的标准压缩率(即碾压前、后干密度的比值)的公式为：

其中，△h为压缩量，△h/h1为压缩率。

根据填筑料的不同进行坝面分区，根据碾压试验及施工要求，搜集各区碾压料的级配信息，计算每一层铺填料不同级配时的碾压标准压缩率。通过上述公式，对碾压前、后填料的高程进行测量，进行影响三维dem重建，确定每一次碾压前、后的压缩率。

步骤三、获取碾压前的填料级配信息。而获取碾压前的填料级配信息中，基于航飞拍摄的碾压前的填料影像，利用数值图像识别技术，进行坝料粒径分析，划分出粒径相近的区域，绘制级配曲线，得到级配特征。与碾压试验中的标准级配进行对比分析，建立坝料级配图像识别修正模型，确定不同级配时的标准压缩率。

其具体步骤共分为7步；

第1步：获取数字图像：通过航飞倾斜摄影等各种图像获取，并对角度、位置、距离等因素进行修正。

第2步：图像预处理：首先对获得图像进行滤波除燥，然后进行图像二值化，最后进行灰度处理。

第3步：边缘提取：通过matlab程序，可采用roberts算子、log算子、sobel算子、prewitt算子、canny算子等方法进行边缘提取，其中canny算子提取效果最好。

第4步：块石形态判断：可采用模板匹配法，获取块石大小、形状两个参数，最终获取目标对象。

第5步：均质区划分：根据块石大小、形状及位置，基于数理统计理论，对整个区域进行均质区划分，即任一均质区内块石大小、数量分布基本稳定。

第6步：级配特征获取：对每一均质区内的块石大小、数量进行级配统计，确定其级配特征，并与碾压试验中的标准级配进行对比分析，建立坝料级配图像识别修正模型，确定不同级配时的标准压缩率。

第7步：坝料粒径分析：划分出粒径相近的区域，绘制各个区域级配曲线，得到级配特征，结合碾压试验确定不同区域的标准压缩率。

步骤四、施工质量的过程监控及验收检验。而施工质量的过程监控及验收检验中，根据需要对每层碾压过程中和碾压后的坝面进行上述步骤工作，可及时绘制出不同时间的压缩率云图，以标准压缩率为分界，确定密实区域、不密实区域。在碾压过程中可及时指导碾压工作，在碾压后可进行碾压质量验收。在碾压施工前期3-5层，采用灌水法对各个区域进行验证。

步骤五、建立碾压后的大坝bim模型。而建立碾压后的大坝bim模型中，依据土石坝结构设计，结合工程建设单元划分和实际施工数据，构建碾压后的bim模型，该模型可任意切割剖面，剖面中可直接查询每一层的压缩质量信息，可对施工过程进行精细化监控。

步骤六、大坝沉降观测及预测。而大坝沉降观测及预测中，通过定期或不定期对施工后的大坝进行沉降观测，基于bim模型，可结合每一层的压缩信息精确对大坝后期沉降进行预测。

本发明的工作原理为：在堆石坝填筑碾压施工中，采取“过程监控+验收检验”的双重控制手段。

其中，“过程监控”为三方面：

第一、铺填料厚度的监控。通过对铺填前航次飞行(f1)和铺填后航次飞行(f2)，可以获取铺填厚度，同时可获取级配信息。根据级配信息可对铺填过厚或过薄区域进行区分，及时指导施工进行铺填修整，避免欠碾或过碾。

第二、铺填料料原的监控。通过对铺填后航次飞行(f2)获取的影像资料，可以获取级配特征信息，与标准级配特征进行比较，可区分出级配相差较大的区域，及时指导施工进行换填，避免主次堆料铺填错误等。

第三、碾压过程：精细化的监控。根据施工需要，可在碾压过程中进行航次飞行，可精确出每一次碾压的压缩量和压缩率，及时掌握施工进度和质量。

其中，“验收检验”为三方面：

第一、碾压后质量检验。通过铺填前、铺填后、碾压后的航次飞行，结合数值图像分析处理技术，可绘制出压缩率云图，以标准压缩率为分界，确定密实区域、不密实区域，及时对碾压后的质量进行检测，精确定位出过碾和欠碾区域，可精细化指导施工进行修整或调整。

第二、建立大坝碾压数字化模型检验。从大坝填筑开始至结束，对每一层铺填料碾压后的厚度、级配、压缩率、干密度等信息进行收集，基于bim系统，建立大坝数字化模型，可知竖向方向上每一层的碾压质量信息。该模型为动态碾压质量评价和动态反馈提供了科学依据，为工程施工和运行高效管理与安全控制提供了基础支撑。在大坝运行期间，若产生渗水、漏水、不均匀沉降等，可通过数字化模型进行原因分析，精确指导施工。

第三、大坝运行期沉降监控及预测。定期或不定期进行大坝整体航次飞行，结合前一次航次飞行可获取大坝沉降数据，结合大坝内部变形、位移监测数据可对沉降数据进行修正，可对运行期工程安全运行提供数据支撑。同时可结合bim系统的数字化模型中竖向方向上每一层碾压质量信息，对沉降数据进行深度分析，建立非线性模型，对大坝后期沉降进行预测。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。