RTK技術(shù)和解析法在棄渣場堆渣量測算工作中的應(yīng)用

張長偉，白翠霞，王志剛

(1.長江科學院 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)科學研究院，湖北 武漢 430010)

棄渣場是生產(chǎn)建設(shè)項目在施工期和生產(chǎn)運行期產(chǎn)生的大量棄土、棄石等固體廢棄物的專門堆放場地。水土保持法第二十八條規(guī)定：依法應(yīng)當編制水土保持方案的生產(chǎn)建設(shè)項目，其生產(chǎn)建設(shè)活動中排棄的砂、石、土、矸石、尾礦、廢渣等應(yīng)當綜合利用；不能綜合利用，確需廢棄的，應(yīng)當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)項目水土保持監(jiān)督管理辦法》要求對生產(chǎn)建設(shè)項目開展水土保持監(jiān)督檢查，其中取、棄土(包括渣、石、砂、矸石、尾礦等)場選址及防護情況為跟蹤檢查的主要內(nèi)容之一，對跟蹤檢查發(fā)現(xiàn)的水土流失問題，按照生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持問題分類標準認定問題并確定責任單位及其應(yīng)負的責任。因此，棄渣場的管理工作是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持工作的一項重要內(nèi)容[1]。依據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標準》(GB 50433—2018)的要求，在編制水土保持方案時，須做好棄渣場規(guī)劃。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測與評價標準》(GB/T 51240—2018)的要求，在開展生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測時，應(yīng)重點監(jiān)測永久和臨時棄渣量及變化情況。

目前，棄渣量獲取主要有等高線法、解析法、相關(guān)3D軟件建模計算方法。等高線法不適合地形變化大且棄渣總量大的項目，且計算精度不高，計算結(jié)果較真實值存在較大偏差，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，對地形圖精度要求高，不能滿足水土保持工作中棄渣場堆渣量實時動態(tài)監(jiān)測的要求。相關(guān)3D軟件建模計算方法在生成三維曲面時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)異常點，直接通過軟件中相關(guān)功能分析排除異常點有待商榷，對地形圖精度要求高，在面對復(fù)雜地形的棄渣場，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)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法，能夠在野外實時得到厘米級定位精度。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)棄渣場地形測量數(shù)據(jù)的實時通信傳輸和處理[4]?；赗TK測量技術(shù)，結(jié)合解析法量算棄渣橫斷面面積的方法，測定棄渣場堆渣方量，是一種可實時動態(tài)測量堆渣量的方法。

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)折點取點，并利用RTK確定點的坐標，再用解析方法計算橫斷面面積。設(shè)橫斷面上測了n個點，則該橫斷面構(gòu)成了n邊形，如圖1按順時針方向?qū)@些點進行編號，根據(jù)點的坐標(xi，yi),用解析法計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i=1時，yi-1=yn，xi-1=xn;當i=n時，yi+1=y1，xi+1=x1。多邊形頂點1、n號點位是棄渣場橫斷面與堆渣體交線上的點。如果以多邊形頂點的高程H作為y坐標，以頂點間的水平距離D作為x坐標，建立如圖1所示的直角坐標系，將平面直角坐標系轉(zhuǎn)化成棄渣場橫斷面內(nèi)的直角坐標系，此時，棄渣場橫斷面圖形上第i個頂點的位置可以用坐標(Hi，Di)來表示。若點的坐標(xi，yi)、(Hi，Di)可利用精度較高的地形圖獲得，則只需測量堆渣線的平均高程。

圖1 棄渣場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，棄渣場堆渣量至少每10天要監(jiān)測記錄一次。每間隔一定時期對各個橫斷面上的堆渣面進行RTK取點測量其坐標(xi，yi)。如圖1，第j時刻堆置線、第j+10天堆置線、第j+20天堆置線等，按如下公式計算橫斷面上堆渣體在斷面上的平均高程

(3)

棄渣場堆渣量計算公式為

(4)

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

(5)

式中:S1為棄渣場劃分的第一個斷面面積；其他符號意義同上。

2 工程運用

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準，設(shè)計速度80 km/h，路線全長253.92 km(其中主線長246.22 km，道真支線長7.70 km)，本項目于2013年6月開工，2015年12月竣工。該項目的一處棄渣場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，削坡分級優(yōu)化之后分為二級，分級邊坡坡度為1∶2，分級邊坡之間設(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選取并標出每個橫斷面的位置線。橫斷面一般應(yīng)與棄渣場擋土墻的軸線相平行，間距L可以不固定，而根據(jù)棄渣場的具體形狀選取最能準確計算棄渣場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基準站布置于棄渣場范圍外的一側(cè)，且處于空曠、平整的地面[圖2(a)所示]，并按照RTK技術(shù)基準站作業(yè)方案連接相關(guān)組件，設(shè)置參數(shù)并測試，確?；鶞收局鳈C設(shè)置為“基準站”和電臺“外掛”模式；移動站按移動站作業(yè)方案連接相關(guān)組件，設(shè)置參數(shù)并測試，確保移動站主機設(shè)置為“移動站”和“UHF”模式，測量的數(shù)據(jù)坐標設(shè)為WGS84坐標系統(tǒng)，高程以1985國家高程為基準；手持移動站在每個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)則取點并測量坐標信息(移動站數(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位信息的保存，計算得出棄渣堆置線的平均高程。若無地形底圖情況，可用RTK測量每個斷面內(nèi)點的坐標，本案例是針對有地形圖的情形。

圖2 棄渣場斷面劃分及典型斷面

(3)對于每個橫斷面在地形圖中相應(yīng)的橫斷面位置線上，按順時針方向?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進行編號，為避免出錯，一般可從右向左按順序編號[圖2(b)]，然后在橫斷面位置線上直接量取每個交點與最左邊的交點(坐標原點,也即第n號點)間的水平距離Di,并在地形圖上直接讀出交點的高程Hi,則交點坐標為(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的坐標值。

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

表1 2013年9月棄渣場堆渣量

表2 2014年1月棄渣場堆渣量

表3 2018年6月棄渣場堆渣量

表4 計算結(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堆渣量測量方法，操作簡單，不僅適合在野外對棄渣場堆渣量進行實時動態(tài)測量，也適合在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持方案編制時進行棄渣場容量的設(shè)計。計算公式簡單，可編程計算，特別適用于溝道型棄渣場堆渣量計算。

(2)基于RTK技術(shù)和解析法在棄渣場堆渣量測量工作中，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坐標，計算斷面面積，可節(jié)省大量繪制橫斷面圖的時間，提高工作效率。

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

(4)本方案計算精度取決于棄渣場地形圖上水平距離的測量精度以及兩斷面間距離Li,i+1的大小。實際工作中合理取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取值對計算結(jié)果的影響作研究。