基于數(shù)字高程模型的堆填土厚度勘察研究

馮寶山 張偉星

(北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司，北京 100088)

1 概述

巖土工程勘察是通過(guò)合理運(yùn)用巖土工程的思路及方法，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行查明、分析以及評(píng)價(jià)，為項(xiàng)目進(jìn)一步的設(shè)計(jì)、施工提供合理、可靠的依據(jù)。同時(shí)，巖土工程勘察成果的優(yōu)劣，不僅關(guān)系到設(shè)計(jì)、施工是否合理安全，更關(guān)系到整個(gè)建設(shè)工程的安全及生產(chǎn)成本。所以巖土工程勘察在整個(gè)工程項(xiàng)目中占有重要的作用。除此之外，巖土工程勘察所涉及的科目眾多，包括氣象、地質(zhì)、水文、巖土力學(xué)、環(huán)境科學(xué)等等，因此，巖土工程勘察也是一門(mén)較為復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)[1]。

在巖土工程勘察的過(guò)程中，堆填土作為特殊性巖土體一直受到廣泛的關(guān)注，主要是因?yàn)槎烟钔潦苋藶橐蛩赜绊戄^大，土層分布不均，厚度變化較大，物理性質(zhì)差，不宜作為地基基礎(chǔ)的持力層[2]。而對(duì)于許多巖土工程勘察項(xiàng)目而言，只需要調(diào)查清楚堆填土厚度情況即可，因此常規(guī)的機(jī)械鉆探則顯現(xiàn)出固有的弊端，如工期較長(zhǎng)、成本較高、人力物力消耗較大。在綜合考慮常規(guī)鉆探方法存在的弊端的情況下，本文將數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)引入巖土工程勘察工作中，并對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了相關(guān)論述。

本文以某分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目堆填土厚度勘察為研究對(duì)象，論述了該項(xiàng)目勘察過(guò)程中遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題以及針對(duì)問(wèn)題所提出的解決辦法，為類(lèi)型項(xiàng)目提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 研究區(qū)域概況

某分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目擬建場(chǎng)區(qū)位于山西省原平市某廠(chǎng)區(qū)內(nèi)。附近有直通廠(chǎng)區(qū)多條道路，對(duì)外交通便利。山西省原平市位于東經(jīng)112°17′～113°35′，北緯38°35′～39°09′之間。最高海拔2 393 m，屬于黃土高原海河流域區(qū)域，“兩山夾一盆”為其顯著特點(diǎn)。原平市年均氣溫為8 ℃左右，年降雨量500 mm左右，無(wú)霜期160 d。擬建場(chǎng)地地理位置見(jiàn)圖1。

本工程場(chǎng)址區(qū)域共占地約717畝。本次勘察范圍主要有光伏組件支架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)，基礎(chǔ)型式采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，埋設(shè)深度為2.50 m。箱變基礎(chǔ)型式采用箱型基礎(chǔ)，埋設(shè)深度為2.00 m。本工程重要性等級(jí)為二級(jí)，場(chǎng)地等級(jí)為二級(jí)，地基等級(jí)為二級(jí)(中等復(fù)雜地基)，綜合評(píng)價(jià)巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)。

本項(xiàng)目在進(jìn)行堆填土勘察的過(guò)程中存在以下幾方面的重難點(diǎn)問(wèn)題：1)擬建場(chǎng)地為工業(yè)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)的荒地，占地面積大，且廣泛存在堆填土，場(chǎng)地地形起伏較大，原始地形地貌難以辨別，堆填土勘察存在較大困難。2)在擬建場(chǎng)地占地面積大，堆填土不明的情況下，工期短，時(shí)間緊張，同時(shí)需要保證巖土工程勘察質(zhì)量。

針對(duì)本項(xiàng)目遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題，常規(guī)的勘察方法勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致工期延誤以及生產(chǎn)成本的增加，通過(guò)研究類(lèi)似工程項(xiàng)目，本項(xiàng)目首次提出將數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)運(yùn)用到實(shí)際巖土勘察工作中，在保證巖土工程勘察工作質(zhì)量的過(guò)程中，加快了勘察進(jìn)度，減少了生產(chǎn)成本。

3 數(shù)據(jù)提取與方法

1)數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理。本項(xiàng)目由于占地面積大，工期緊，同時(shí)堆填土問(wèn)題較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的機(jī)械鉆探方法進(jìn)行堆填土的勘察工作并不適用。但是堆填土問(wèn)題對(duì)于光伏樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)又十分敏感，因此，堆填土情況調(diào)查需要做到快速、可靠。擬建場(chǎng)區(qū)地形地貌如圖2所示。

本項(xiàng)目通過(guò)利用ENVI軟件、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)[3-5]，對(duì)擬建場(chǎng)區(qū)未進(jìn)行堆填土之前地形地貌的高程進(jìn)行精確還原，同時(shí)利用近期數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)地現(xiàn)狀高程進(jìn)行精確測(cè)量，將兩次所得場(chǎng)地高程數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，即可得出后期由于人為活動(dòng)形成的堆填土厚度。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)，簡(jiǎn)稱(chēng)為DEM，它是通過(guò)一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。DEM除了包括地面高程信息外，還可以派生地貌特性，包括坡度、坡向等，還可以計(jì)算地形特征參數(shù)，包括山峰、山脊、平原和溝谷等。本文主要利用ENVI軟件中DEM Extraction工具進(jìn)行操作，該工具可以從多種傳感器中獲取數(shù)據(jù)，包括ALOS PRISM，ASTER，國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)以及天繪衛(wèi)星等。

本文主要利用的是CARTOSAT-1(P5)傳感器所得到的立體像對(duì)，分辨率為2.50 m，分辨率精度可以滿(mǎn)足巖土勘察工作的精度要求，在選取立體像對(duì)的過(guò)程中，為保證數(shù)據(jù)精度，盡量選擇拍攝角度較小的影像，通過(guò)DEM Extraction工具對(duì)選取的立體像對(duì)進(jìn)行輸入立體像、定義地面控制點(diǎn)、定義連接點(diǎn)、設(shè)定輸出參數(shù)、輸出DEM及檢查結(jié)果、編輯DEM等六個(gè)主要步驟，最終獲得所需要的高程數(shù)據(jù)。圖3為擬建場(chǎng)地所在的立體像對(duì)。

2)數(shù)據(jù)校核。為驗(yàn)證利用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)調(diào)查堆填土方法的可靠性，是否可以在實(shí)際巖土工程勘察工作中得到有效的應(yīng)用，本次勘察工作中，對(duì)擬建場(chǎng)地部分位置進(jìn)行了實(shí)地鉆探勘察工作，將所得堆填土厚度數(shù)據(jù)與通過(guò)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)表1和圖4可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際鉆探所得數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)所得數(shù)據(jù)具有較高的吻合性，兩者的相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了一個(gè)較高水平，因此可以判定，將數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)與巖土工程勘察工作結(jié)合起來(lái)是具有可行性的。

3)結(jié)果分析。利用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)將整個(gè)擬建場(chǎng)地的堆填土厚度進(jìn)行計(jì)算后，得出數(shù)據(jù)如表2所示，整個(gè)場(chǎng)地堆填土厚度變化情況如圖5所示。通過(guò)圖表采集的數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)可以統(tǒng)計(jì)分析大量采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方式相比，很大程度上節(jié)約了人力物力，有效的縮短了工期。通過(guò)表中數(shù)據(jù)及圖中折線(xiàn)走勢(shì)可以看出，該擬建場(chǎng)區(qū)部分區(qū)域堆填土情況相對(duì)復(fù)雜，堆填土厚度相對(duì)較厚，且厚度變化較大，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)該充分考慮堆填土厚度及其變化情況。

表1 兩種方法所得數(shù)據(jù)情況

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文以某分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目巖土勘察為研究對(duì)象，簡(jiǎn)述了巖土工程勘察工作在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的重要性，通過(guò)利用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)對(duì)該項(xiàng)目擬建場(chǎng)地堆填土情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并且經(jīng)過(guò)校核計(jì)算，主要獲得以下結(jié)論：1)將數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)采集所得到的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)鉆探方法得到的數(shù)據(jù)相校核，可以發(fā)現(xiàn)該種方法得到的數(shù)據(jù)具有較高的精度，且相關(guān)性系數(shù)較高，可以在巖土工程勘察工作中得到應(yīng)用。2)相較于傳統(tǒng)的巖土工程勘察方法，將數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)應(yīng)用到巖土工程勘察中，可以極大程度的節(jié)約人力物力資源，并且在勘察精度范圍內(nèi)， 可以極大的提高工作效率，縮短工期，為類(lèi)型項(xiàng)目提供了可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

4.2 展望

本文在研究階段完成了工程實(shí)踐工作，并取得了相應(yīng)的成果，但是針對(duì)目前所取得的成果而言，仍有以下問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。本文將高程模型(Digital Elevation Model)與巖土工程勘察工作相結(jié)合的方法只適合高程模型(Digital Elevation Model)存在期間，而對(duì)于立體像對(duì)缺失的場(chǎng)地或時(shí)間段則不能有效的使用。