三維激光掃描技術(shù)在面板堆石壩擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

萬智勇，黃耀英，趙新瑞，左全裕，李祥紅

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州 425500)

三維激光掃描技術(shù)在面板堆石壩擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

萬智勇1，黃耀英1，趙新瑞1，左全裕2，李祥紅2

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州 425500)

為了分析擠壓邊墻的變形特性對(duì)混凝土面板的施工及應(yīng)力變形影響，首次采用瑞士徠卡公司生產(chǎn)的ScanStationP40掃描儀對(duì)涔天河面板堆石壩擠壓邊墻進(jìn)行3期掃描，將第1期掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將第2期、第3期掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析來獲取擠壓邊墻的變形特性，然后與同期擠壓邊墻上的棱鏡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。結(jié)果表明：擠壓邊墻中上部呈向下游位移的趨勢(shì)，而下部呈向上游位移趨勢(shì)；基于三維激光掃描的擠壓邊墻順河向位移變化區(qū)域大于棱鏡實(shí)測(cè)順河向位移變化區(qū)域；擠壓邊墻中上部沉降較大，兩岸沉降較小，擠壓邊墻處于變形發(fā)展階段，尚不適合進(jìn)行面板施工；2種監(jiān)測(cè)手段得到的擠壓邊墻變形趨勢(shì)基本一致。說明利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)面板堆石壩擠壓邊墻表面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)是可行的，可為類似工程提供參考。

面板堆石壩；擠壓邊墻；三維激光掃描；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；變形監(jiān)測(cè)

1 研究背景

三維激光掃描技術(shù)是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。近年來，三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于隧道、滑坡體、基坑沉陷及巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1-4]。實(shí)踐證明，該技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)具有可行性，其與常規(guī)變形監(jiān)測(cè)手段相比，突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法，具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)分辨率高、測(cè)量精度高、無接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[5]。目前三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)外壩工界已得到應(yīng)用，加拿大OPTECH公司以瑞典Porjus大壩為背景對(duì)三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的可行性進(jìn)行了研究，并對(duì)韓國Hoengscong水利大壩上下游整體進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)；王舉等[6]提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的土石壩變形監(jiān)測(cè)方法，并將其應(yīng)用于尖崗水庫；郭超[7]將三維激光掃描監(jiān)測(cè)值與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)大壩沉陷監(jiān)測(cè)的可行性。

對(duì)于施工期面板堆石壩而言，大壩變形監(jiān)測(cè)尤為重要。目前面板堆石壩表面位移監(jiān)測(cè)常采用視準(zhǔn)線法、前方交會(huì)法及解析三角高程法[8]，而基于三維激光掃描的面板堆石壩擠壓邊墻位移監(jiān)測(cè)尚未有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

擠壓邊墻作為混凝土面板的直接承載體，需要對(duì)其變形特性進(jìn)行分析以指導(dǎo)混凝土面板的施工。而堆石壩內(nèi)埋設(shè)的沉降儀監(jiān)測(cè)常遠(yuǎn)落后于施工進(jìn)度，不能及時(shí)反映其變形規(guī)律，因此，在澆筑面板混凝土之前，一般需要對(duì)擠壓邊墻的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為此，本文以施工期的涔天河水庫面板堆石壩為例，采用瑞士徠卡公司生產(chǎn)的ScanStationP40掃描儀對(duì)面板堆石壩擠壓邊墻進(jìn)行3期掃描，通過掃描儀配套軟件Cyclone和3DReshaper對(duì)3期壩體形變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并將其與同期的全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，探討三維激光掃描技術(shù)在面板堆石壩擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性。

2 三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)方法

三維激光掃描通過高精度、高密集對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行立體空間面狀掃描，獲取監(jiān)測(cè)體的整體數(shù)據(jù)，通過定期(或周期)對(duì)監(jiān)測(cè)體的掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析，作出對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的正確評(píng)估。三維激光掃描系統(tǒng)一般由掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。按照三維激光掃描儀測(cè)距方式的不同，分為脈沖式、相位式、激光三角法3種基本測(cè)距原理。三維激光掃描儀原理在文獻(xiàn)[9]有詳細(xì)報(bào)導(dǎo)，本文不再贅述。對(duì)于面板堆石壩擠壓邊墻的變形監(jiān)測(cè)，三維激光掃描技術(shù)手段主要分為外業(yè)掃描與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理2個(gè)部分。

2.1 外業(yè)掃描

外業(yè)掃描主要基于徠卡ScanStationP40采集數(shù)據(jù)而展開工作，包括監(jiān)測(cè)基點(diǎn)布設(shè)、測(cè)站選取、控制標(biāo)靶布置、掃描儀架站、掃描儀掃描、控制點(diǎn)匹配。

2.1.1 監(jiān)測(cè)基點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)原則上選擇壩體兩側(cè)沉降可忽略的區(qū)域，切質(zhì)地牢固，不易被損壞，利用鋼釘標(biāo)記并現(xiàn)場(chǎng)做好保護(hù)措施。為了監(jiān)測(cè)施工期的面板壩擠壓邊墻表面變形，選擇上游圍堰左右兩岸沉降可忽略的區(qū)域分別布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)。

2.1.2 測(cè)站選取

考慮現(xiàn)場(chǎng)的地形、交通等因素，根據(jù)掃描目標(biāo)的范圍、規(guī)模、地形起伏，選取比較安全、通視良好、沉降相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)站點(diǎn)；測(cè)站數(shù)量盡量少，一般以測(cè)站數(shù)≤3站為宜；測(cè)站之間距離盡量適中。

2.1.3 控制標(biāo)靶布置

控制標(biāo)靶即用于不同測(cè)站所獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的控制點(diǎn)。標(biāo)靶布置在測(cè)站掃描的公共區(qū)域范圍，標(biāo)靶布設(shè)應(yīng)均勻分布，必須布置于兩相鄰測(cè)站掃描儀都能識(shí)別標(biāo)靶中心(直徑2 mm的特殊材質(zhì)的激光反射點(diǎn)) 的位置; 同一區(qū)域布置的控制標(biāo)靶數(shù)量至少≥3個(gè)(一般情況下布置4～5個(gè)標(biāo)靶)。

2.1.4 掃描儀架站

徠卡ScanStationP40掃描儀是一款快速獲取被測(cè)物體空間三維坐標(biāo)信息的測(cè)量設(shè)備，架設(shè)于測(cè)量型三腳架上方，整平后進(jìn)行掃描操作，可以采集多達(dá)1 000 000點(diǎn)/s的數(shù)據(jù)，此種數(shù)據(jù)集合稱之為點(diǎn)云，點(diǎn)云的集合記錄了物體空間信息的準(zhǔn)確分布，單點(diǎn)絕對(duì)精度可達(dá)3 mm，物體表面平整度噪聲控制可達(dá)0.5 mm，掃描范圍最遠(yuǎn)可達(dá)270 m。在已設(shè)定的測(cè)站處，將掃描儀架設(shè)于測(cè)量型三腳架上方，整平后進(jìn)行掃描操作。

基于上游圍堰左右兩岸布設(shè)的2個(gè)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)，采用三維激光掃描儀從右岸向左岸逐一進(jìn)行掃描，即在設(shè)定的測(cè)站處，將三維激光掃描儀架站，首先掃描獲得右岸監(jiān)測(cè)基點(diǎn)處標(biāo)靶的坐標(biāo)，接著掃描測(cè)站左側(cè)的控制標(biāo)靶的坐標(biāo)，然后進(jìn)行擠壓邊墻表面掃描；移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)站，再次架站、測(cè)站右側(cè)控制標(biāo)靶掃描、測(cè)站左側(cè)控制標(biāo)靶掃描、擠壓邊墻表面掃描；依次類推，逐站掃描至左岸監(jiān)測(cè)基點(diǎn)。同理，也可以從左岸向右岸逐一進(jìn)行掃描。

2.1.6 控制點(diǎn)匹配

以第1期數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)每2期數(shù)據(jù)(例如第2期與第1期或第3期與第1期等)比較的需求，原則上每2期掃描的點(diǎn)云必須處于同一坐標(biāo)系下。利用掃描儀標(biāo)靶，記錄好前期布設(shè)好的控制點(diǎn)位，基于左右岸的監(jiān)測(cè)基點(diǎn)配準(zhǔn)坐標(biāo)系，作為第2期與第1期(或第3期與第1期)掃描數(shù)據(jù)的同名點(diǎn)處理，可較為便捷地將2期數(shù)據(jù)控制在同一坐標(biāo)系下。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云的標(biāo)靶自動(dòng)拼接、點(diǎn)云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云的過濾、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形變分析。

2.2.1 點(diǎn)云的標(biāo)靶自動(dòng)拼接

徠卡ScanStationP40掃描儀配套Cyclone軟件支持標(biāo)靶自動(dòng)拼接，導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，利用掃描時(shí)的獨(dú)立標(biāo)靶，軟件可以在相鄰掃描儀站點(diǎn)之間自動(dòng)添加約束條件，自動(dòng)進(jìn)行高精度拼接，并生成站與站之間的拼接報(bào)告，幫助控制拼接誤差。在利用標(biāo)靶拼接掃描時(shí)，拼接精度一般情況下可以控制在0～1 mm。

2.2.2 點(diǎn)云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

首先將第1期掃描的控制點(diǎn)位坐標(biāo)扣除儀器高度，然后將新坐標(biāo)數(shù)據(jù)以文本文件的方式導(dǎo)入第2期掃描數(shù)據(jù)中，2期掃描數(shù)據(jù)以控制點(diǎn)位進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)，可將2期掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到一個(gè)坐標(biāo)系下，方便后期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較。同理可將第3期與第1期的掃描數(shù)據(jù)按同樣的方式進(jìn)行坐標(biāo)匹配。

二是適當(dāng)放開項(xiàng)目承擔(dān)單位在項(xiàng)目預(yù)算執(zhí)行調(diào)整方面的權(quán)限。政策調(diào)整前，項(xiàng)目單位只在勞務(wù)費(fèi)、專家咨詢費(fèi)和管理費(fèi)以外的其他8項(xiàng)單項(xiàng)支出科目中，當(dāng)預(yù)算支出科目不超出核定預(yù)算的10%、或雖然超出10%但金額不低于5萬元的預(yù)算執(zhí)行調(diào)整具有自主權(quán)。政策調(diào)整后，在項(xiàng)目總預(yù)算不變的前提下,項(xiàng)目承擔(dān)單位可以自主調(diào)整直接費(fèi)用中的材料費(fèi)等5項(xiàng)開支科目的預(yù)算執(zhí)行，并且沒有調(diào)整額度的限制。同時(shí)，《通知》還賦予項(xiàng)目承擔(dān)單位在設(shè)備費(fèi)等6項(xiàng)費(fèi)用上擁有調(diào)減用于課題其他方面支出的權(quán)限。

2.2.3 點(diǎn)云的過濾

點(diǎn)云過濾是點(diǎn)云的剔除過程，通過配套Cyclone軟件進(jìn)行點(diǎn)云的過濾工作，將多余的掃描數(shù)據(jù)和噪聲通過軟件功能進(jìn)行剔除，保留用于后續(xù)點(diǎn)云的分析，過濾過程處理得越精準(zhǔn)，為后續(xù)成果輸出提供的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，在下一步的數(shù)據(jù)處理中，相應(yīng)的工作量也會(huì)更小，所以點(diǎn)云過濾是整個(gè)數(shù)據(jù)處理中不可忽視的環(huán)節(jié)。

2.2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形變分析

在點(diǎn)云完成拼接和過濾的基礎(chǔ)上，軟件可對(duì)目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行高精度形變分析。分析的成果以色譜圖的形式直觀展示，同時(shí)以專業(yè)的報(bào)表形式打印出來供專業(yè)分析。具體的操作方式為：

(1) 原始的點(diǎn)云處理軟件Cyclone將過濾好的第2期與第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)、第3期與第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別以文本文件的方式導(dǎo)出。

(2) 將第2期與第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)、第3期與第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入專業(yè)的三維分析軟件3DReshaper。

(3) 利用3DReshaper的模型創(chuàng)建功能將第1期數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，使得第2期數(shù)據(jù)、第3期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加計(jì)算時(shí)，可避免不同期點(diǎn)數(shù)據(jù)之間存在空隙而引起誤差。

(4) 將第2期點(diǎn)云數(shù)據(jù)與第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行疊加計(jì)算，在設(shè)置好計(jì)算參數(shù)后，自動(dòng)得出計(jì)算結(jié)果，直觀、方便。同理可將第3期數(shù)據(jù)與第1期數(shù)據(jù)疊加計(jì)算得出結(jié)果。

三維激光掃描技術(shù)在面板堆石壩擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的技術(shù)工作路線見圖1。

圖1 面板堆石壩擠壓邊墻監(jiān)測(cè)工作路線Fig.1 Work route of monitoring the extrusion sidewall of concrete-faced rockfill dam

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

涔天河水庫位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，下距江華縣城12 km。由于老壩壩高較低，水庫庫容小，調(diào)節(jié)能力低，涔天河水庫長期處于“大材小用”的尷尬境地，不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。因此，根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，將新壩(擴(kuò)建工程)建在老壩下游，新壩軸線距老壩軸線194.9 m，河床段趾板上緣距老溢流壩壩趾8 m，在施工期將老壩作為上游圍堰。

涔天河水庫擴(kuò)建工程大壩壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程324 m，趾板最低高程210 m，最大壩高114.0 m。涔天河水庫擴(kuò)建工程是具有灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電功能，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程，水庫正常蓄水位313.00 m，總庫容15.1億m3，灌溉面積743.07 km2，電站裝機(jī)容量200 MW。工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型，大壩、泄水建筑物等主要水工建筑物為1級(jí)建筑物，電站廠房及引水發(fā)電洞等發(fā)電主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。

3.2 監(jiān)測(cè)布置

擠壓邊墻是混凝土面板的直接承載體，需要對(duì)其變形特性進(jìn)行分析以指導(dǎo)混凝土面板的施工。但由于涔天河水庫擴(kuò)建工程在壩體修建前期未能及時(shí)調(diào)試壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)設(shè)施，導(dǎo)致難以選擇在擠壓邊墻上澆筑面板混凝土的合適時(shí)機(jī)。由擠壓邊墻上游立視圖(見圖2(a))可見，由于老壩與新壩距離較近，擠壓邊墻平整性和通視性較好，為采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)提供了良好的條件，為此，考慮采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)擠壓邊墻變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

按2.1節(jié)中所述方法，選取老壩作為監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，在老壩左右兩岸各設(shè)置了1個(gè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在2個(gè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間設(shè)置了5處公共標(biāo)靶，測(cè)站位于標(biāo)靶范圍內(nèi)?；炷撩姘宥咽瘔螖D壓邊墻監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)與控制標(biāo)靶布置見圖2(b)。

圖2 擠壓邊墻上游立視圖及監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)布置Fig.2 Elevation view from the upstream of extrusion sidewall and layout of survey control points

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)涔天河水庫擴(kuò)建工程面板堆石壩擠壓邊墻進(jìn)行了3期掃描，監(jiān)測(cè)日期分別為2015年8月6日、2015年10月8日及2015年12月16日。根據(jù)工程實(shí)際施工進(jìn)度安排，3期監(jiān)測(cè)時(shí)擠壓邊墻頂高程分別為278.00，296.33，320.30 m。

選取8月6日三維激光掃描的區(qū)域作為擠壓邊墻變形分析區(qū)域，即高程217.00～278.00 m，并將該期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分別與第2、第3期采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析來獲取面板堆石壩擠壓邊墻變形信息。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，掃描時(shí)將分辨率設(shè)置為3.1 mm@10 m，單站平均掃描時(shí)間1.5 min，與此同時(shí)站與站之間采集公共標(biāo)靶用于進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，單站標(biāo)靶獲取時(shí)間1 min，掃描儀站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)合配準(zhǔn)精度控制在1 mm?，F(xiàn)場(chǎng)累計(jì)掃描9站數(shù)據(jù)(每期各3站)，共計(jì)用時(shí)60 min。3期掃描數(shù)據(jù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接結(jié)果見圖3。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接示意圖Fig.3 Splicing of point cloud data

將第1期掃描的控制點(diǎn)坐標(biāo)以文本文件的方式分別導(dǎo)入第2、第3期掃描數(shù)據(jù)中，分別以左右岸2個(gè)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)，并將第2期與第1期、第3期與第1期的掃描數(shù)據(jù)分別配準(zhǔn)到同一個(gè)坐標(biāo)系下，通過配套Cyclone軟件進(jìn)行點(diǎn)云的過濾工作，將多余的掃描數(shù)據(jù)和噪聲通過軟件功能進(jìn)行剔除，然后對(duì)其變形進(jìn)行分析。

為直觀表達(dá)擠壓邊墻位移變化，通過surfer8.0軟件繪制擠壓邊墻10月8日和12月16日分別相對(duì)于8月6日的順河向和垂直向位移場(chǎng)(見圖4、圖5)。由于橫河向位移較小，不再給出。圖中數(shù)值符號(hào)規(guī)定為：順河向位移以向下游為正、向上游為負(fù)；垂直向位移以上抬為正，下沉為負(fù)，下同。

圖4 順河向相對(duì)位移場(chǎng)Fig.4 Relative displacement fields along river direction

經(jīng)過軟件自動(dòng)計(jì)算得到面板堆石壩擠壓邊墻表面變形信息及由圖4和圖5可知：

(1) 10月8日擠壓邊墻順河向最大位移為52 mm，最小位移為-8 mm，底部1/3以下略向上游凸出，但位移較小；中上部向下游位移，位移變化梯度較大；12月16日擠壓邊墻位移略有增大，順河向最大位移為87 mm，最小位移為-10 mm，最大位移主要集中在上部，兩岸位移較小。這主要是由前后2期掃描時(shí)間間隔內(nèi)堆石體重壓所致。

(2) 10月8日擠壓邊墻沉降變形最大為70 mm，分布在壩體上部；擠壓邊墻監(jiān)測(cè)區(qū)域的底部沉降基本不變，兩側(cè)沉降較小，上部沉降較大；而12月16日監(jiān)測(cè)區(qū)域上部變化梯度較大，沉降最大達(dá)到127 mm，這主要是由施工期壩體前后掃描階段堆石填筑重壓變形所致。

由10月8日與12月16日面板堆石壩擠壓邊墻變形情況可知，擠壓邊墻中上部處于變形發(fā)展階段，尚不適合進(jìn)行面板施工，而應(yīng)預(yù)沉降一段時(shí)間。

4 三維激光掃描及全站儀棱鏡測(cè)值對(duì)比分析

基于三維激光掃描數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在相同的變形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，采用拓普康全站儀配合反射棱鏡法，在同樣監(jiān)測(cè)日期內(nèi)對(duì)擠壓邊墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比研究2種不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)面板堆石壩擠壓邊墻變形測(cè)量結(jié)果的異同。采用全站儀配合棱鏡法的擠壓邊墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6 擠壓邊墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of monitoring points uponthe extrusion side wall

由于2015年12月份棱鏡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最晚只有12月8日的垂直向位移數(shù)據(jù)，所測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)8月6日最大沉降為118 mm。為便于三維激光掃描結(jié)果與全站儀配合棱鏡法對(duì)比，不再給出12月8日垂直向相對(duì)位移場(chǎng)，而選取2015年8月6日與2015年10月8日2期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，10月8日棱鏡實(shí)測(cè)相對(duì)位移場(chǎng)見圖7。

圖7 棱鏡實(shí)測(cè)相對(duì)位移場(chǎng)Fig.7 Relative displacement fields measured by prism

從圖4—圖7可以看出，在2015年8月6日和2015年10月8日分別使用三維激光掃描儀和全站儀對(duì)擠壓邊墻進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，在水平位移監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)方面2種手段所得到的擠壓邊墻變形情況存在一定的差異。這主要是由于全站儀測(cè)點(diǎn)數(shù)量過少且大部分位于壩體中下部，僅僅用少量的測(cè)點(diǎn)插值來獲得整個(gè)壩面的變形信息，顯然有誤差。

(1) 從順河向位移場(chǎng)看，對(duì)比全站儀配合棱鏡法，三維激光掃描獲得的擠壓邊墻變形數(shù)據(jù)較密，但2種手段監(jiān)測(cè)的順河向位移變化梯度較大值均集中于壩體上部區(qū)域；此外，基于三維激光掃描的順河向位移變化區(qū)域明顯大于全站儀配合棱鏡實(shí)測(cè)的順河向位移變化區(qū)域，說明利用三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出的壩體模型能全面地提取到擠壓邊墻變形信息且與施工期擠壓邊墻實(shí)際變形情況基本相符。

(2) 從垂直向位移場(chǎng)看，10月8日棱鏡實(shí)測(cè)最大沉降為38 mm，三維激光掃描實(shí)測(cè)最大沉降為70 mm；12月8日棱鏡實(shí)測(cè)最大沉降為118 mm，12月16日三維激光掃描實(shí)測(cè)最大沉降為127 mm。2種手段監(jiān)測(cè)得到的擠壓邊墻變形趨勢(shì)基本一致，擠壓邊墻中上部沉降皆很大，底部沉降較小甚至出現(xiàn)上抬現(xiàn)象，這主要是由于上部堆石填筑施工完畢后堆石體重壓導(dǎo)致沉降變化梯度較大。

(3) 三維激光掃描技術(shù)關(guān)鍵要素在于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描精度和拼接精度。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)掃描與拼接過程中可能存在一定的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可能造成一定影響。由結(jié)果分析可知，三維激光掃描技術(shù)在面板堆石壩擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用是可行的。

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)闡述了將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于涔天河面板堆石壩擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理、分析，并與同期的全站儀配合棱鏡法實(shí)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1) 基于三維激光掃描的擠壓邊墻順河向位移變化區(qū)域大于全站儀配合棱鏡法順河向位移變化區(qū)域；2種手段監(jiān)測(cè)的順河向位移變化梯度較大值均集中于擠壓邊墻上部區(qū)域，擠壓邊墻中上部位移較大，呈向下游位移的趨勢(shì)，而擠壓邊墻底部呈向上游位移趨勢(shì)。

(2) 從垂直向位移場(chǎng)看，擠壓邊墻中上部沉降較大，兩岸沉降較小。2種手段監(jiān)測(cè)得到的擠壓邊墻變形趨勢(shì)基本一致，尚不適合進(jìn)行面板施工，而應(yīng)預(yù)沉降一段時(shí)間。

(3) 對(duì)比全站儀配合棱鏡法，三維激光掃描技術(shù)能快速獲得更全面、更直觀的面板堆石壩擠壓邊墻表面數(shù)據(jù)，所得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與棱鏡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，實(shí)現(xiàn)了以面代替單點(diǎn)的數(shù)據(jù)提取，使得擠壓邊墻變形監(jiān)測(cè)工作更全面、更便捷。

致謝：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)受到涔天河水庫擴(kuò)建工程項(xiàng)目部的大力支持，數(shù)據(jù)采集、儀器操作、軟件使用得到徠卡測(cè)量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司丁卯東和武漢天測(cè)測(cè)繪科技有限公司丁鵬的幫助，在此一并表示由衷的感謝！

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(編輯：姜小蘭)

Application of Three-dimensional Laser Scanning Technique inDeformation Monitoring of Extrusion Sidewall ofConcrete-faced Rockfill Dam

WAN Zhi-yong1, HUANG Yao-ying1, ZHAO Xin-rui1, ZUO Quan-yu2, LI Xiang-hong2

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China； 2.Hunan Centian River Construction Investment Co., Ltd., Yongzhou 425500, China)

The deformation properties of extrusion sidewall of concrete-faced rockfill dam(CFRD) have great effect on the construction and stress deformation of concrete face in construction period. In the present research, Leica ScanStationP40 scanner was employed for the first time in deformation measurement for the extrusion sidewall of Centianhe CFRD. The scanning point cloud data in the first phase was taken as reference data to determine the deformation of the extrusion sidewall through comparison with data in the second and third phases. Furthermore, the point cloud data of the second and third phases were compared with those measured by prism in the same period. The comparison results reveal that, a) the middle and upper part of the extrusion sidewall shows a trend of displacement towards the downstream, while the lower part shows a displacement trend towards the upstream; b) the varying area of extrusion sidewall’s displacement along stream direction obtained by 3-D laser scanning is greater than that measured by prism; c) settlement of the middle and upper part of extrusion sidewall is large, and that of both sides are relatively small, indicating that the deformation of extrusion sidewall is in a stage of development, hence is not suitable for panel construction. The deformation trend of extrusion side wall obtained by 3-D laser scanning monitoring is basically in accordance with that by prism, indicating that 3-D laser scanning is feasible in monitoring the deformation of the extrusion sidewall of CFRD.

concrete-faced rockfill dam(CFRD); extrusion sidewall; 3-D laser scanning; point cloud data; deformation monitoring

2016-03-13；修回時(shí)間：2016-04-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209124)

萬智勇(1988-)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事大壩安全監(jiān)控方面的研究，(電話)15571710152(電子信箱)wanyhrac_cn@126.com。

黃耀英(1977-)，男，湖南郴州人，教授，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控及數(shù)值計(jì)算方面的教學(xué)與科研，(電話)13997662901(電子信箱)huangyaoying@sohu.com。

10.11988/ckyyb.20160219

2017,34(6):56-61

TV698.11; TV641.43

A

1001-5485(2017)06-0056-06