多技术融合的水利大坝变形监测.pdf

浙江测绘 2023 年第 4 期技术交流ZHEJIANGCEHUI多技术融合的水利大坝变形监测王进志渊核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司袁湖州313000冤摘要院 大坝安全监测主要是坝体的变形监测袁传统的监测手段主要采用野单点冶式的监测模式袁需要在坝体上设置监测点袁数量有限袁且不能对大坝进行覆盖式的监测遥基于传统监测方式存在的弊端袁本文采用三维激光扫描技术对坝体进行全方位尧大面积尧高效率的扫描袁获取海量三维点云数据袁通过两期坝体点云数据模型袁全面分析大坝的形变量遥 并结合多波束测深系统对坝前坝后的水下地形进行扫描袁获取水下三维点云数据袁分析坝前坝后水下淤积冲刷情况遥通过三维激光扫描与多波束技术相结合完成大坝的一体化监测袁跟传统监测方式相比具有效率高尧获取监测信息丰富尧精度满足要求的优势遥关键词院 大坝一体化监测曰 变形监测曰 三维激光扫描曰 多波束测深系统1 引言随着我国水电行业的发展袁我国建成的水库大坝的数量已位居世界前列遥 大坝的基础设施在保证安全运行的同时袁须定期对大坝进行安全监测袁时刻掌握大坝的形变量遥 一旦大坝出现异常情况袁 会给周边环境及人民生命财产造成影响袁因此需要对大坝定期进行变形监测袁早发现早整治袁防止发生突发险情1-4遥 近些年袁随着测绘科学技术的推进袁大坝的安全监测方式越来越多种多样袁各种监测工具尧传感器在大坝的安全监测中都有成功案例要要要新疆伊宁水库大坝采用GNSS监测站尧量水堰计尧渗压计等实现水库大坝安全运营管理的科学化尧信息化尧自动化遥 如何更好地从大量的大坝监测数据中获取有用的信息对大坝的安全状况及其重要袁这样才能较好的评估大坝的安全性袁从而保证大坝的安全运行5遥传统的大坝变形监测方法主要采用全站仪与水准仪对坝体进行局部范围的监测点数据采集并进行多期数据对比袁得到有限的监测点位置形变量且耗费大量时间跟人力袁无法满足坝体整体的变形监测需求遥 传统库区水下地形测量主要采用单波束数据测深仪袁属于单点测量袁无法满足水下地形及构筑物更加精细化的扫测遥三维激光扫描技术是一种新的三维空间信息获取技术袁与传统单点测量相比具有数据采集效率高尧获取速度快尧数据分辨率高尧测量精度高尧无接触测量等优点袁现已被广泛用于各类工程领域的变形监测遥 水下多波束测深系统弥补了单波束测深仪的片面性和侧扫声呐测深值的不准确性袁提高了测量效率袁具有水深全覆盖无遗漏扫侧袁测量范围大尧速度快尧测深精度和分辨率高袁记录数字化和实时自动绘图等优点袁也被广泛运用于水下地形的测量遥 本文将三维激光扫描技术与多波束测深系统同时运用到大坝的安全监测中袁 系统地介绍数据的采集与处理过程袁结合两期实验数据分析大坝的变形量及坝前坝后的水下淤积冲刷情况袁为研究大坝的安全监测提供参考遥2 数据的采集与处理大坝安全监测数据的采集分为坝体的三维点云的获取以及坝前坝后水下的三维点云的获取遥 三维激光扫描的基本原理是利用激光束扫描物体表面袁 将反射回来的信号转换成数字信号袁数字信号转换成三维图像袁计算物体表面的几何形态和细节遥 三维激光扫描仪以自身定义的坐标系统为基准袁 获取点云数据遥X轴作为扫描路线的移动方向袁Y轴与X轴垂直顺时针向下袁Z轴垂直于水平面遥 扫描目标点的坐标计算公式如下院36窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期技术交流ZHEJIANGCEHUI式渊1冤中院c为光速曰t为激光束从发射到接收的整体时间袁S为扫描点到仪器的距离遥多波束测深系统通过换能器发射扇形阵列袁信号经水底反射袁再通过换能器接收窄波束内的散射信号袁 接收阵列同步记录时间和回波角度袁通过参数进行测深计算便可反推水下相应位置的高低袁 构建水下模型遥 多波束测深原理如图1所示院图 1 多波束测深原理本次大坝监测区位于云南省澜沧江流域某大型水电站的坝体及坝前尧 坝后水下部分区域遥采用三维激光扫描仪对坝体进行扫测尧多波束测深系统对水下部分进行扫测遥 实现大坝多技术融合的变形监测遥 采用Trimble SX10三维激光扫描仪对水面以上的坝体进行扫描袁坝体点云数据采用2016年初次扫描点云数据 渊采集面积0.5km2袁点云数目2.8亿袁设站33站冤与2021年点云数据渊采集面积0.5km2袁点云数目2.95亿袁设站62站冤对比分析遥 坝前坝后的水下地形采用美国R2SONIC公司生产的SONIC2024多波束测深系统进行扫描袁 水下点云数据采用2018年初次测深点云数据 渊采集面积0.7km2袁 点云数目1.26亿冤与2021年点云数据渊采集面积0.4km2袁点云数目1.37亿冤对比分析遥 再对点云数据进行预处理袁外业采集的数据是最原始的数据袁需要对其进行坐标配准尧噪点剔除尧重叠部分删减尧不可靠站点剔除尧数据合并和导出txt文件遥 剔除点云粗差数据袁保留高精度点云数据袁然后进行数据建模及分析遥 大坝多数据融合变形监测技术路线如图2所示遥渊1冤图 2 多数据融合大坝变形监测技术路线37窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期技术交流ZHEJIANGCEHUI3 点云数据精度分析在测量过程中袁坝上与水下的扫测精度主要由控制测量尧工作基点尧数据获取方式决定袁各项误差逐步积累袁架设仪器使用的控制点采用控制网的复测成果遥 控制网复测成果采用中误差精度分析方法袁方向中误差限差2.5袁最弱方向中误差不大于两倍中误差遥 控制点方向中误差0.35袁侧边精度 渊0.53mm+0.53ppmD冤袁最弱方向中误差0.3袁相对最弱边1/491477遥 完全满足复测精度要求遥3.1 坝体三维点云数据精度评定地面三维激光点云数据的扫描精度主要由两方面评定袁分别为内符合精度尧外符合精度遥渊1冤内符合精度内符合精度即测量值之间的偏差遥 内符合精度采用重复测量法进行精度评定遥 本次内符合精度的检验选取GTP08测站两次扫描的点云数据叠加进行内符合精度的评定如图3所示袁在同一位置截取部分点云进行建模分析遥 使用DEM分析法袁高程范围呈条带分布袁两个面基本吻合袁点云数据良好遥cloud compare软件可以通过点云之间的高程差来直观表示每个点云的质量遥 通过数据分析袁蓝色方柱为两次数据有重叠点的对比结果袁能够达到3mm以内袁均方根误差为13mm袁红色方柱表示两次数据没有重叠点的对比结果袁不能反映真实的测量精度袁 内符合精度可以达到3mm以内遥图 3 GTP08 测站内符合精度评定渊2冤外符合精度外符合精度即测量值与真值的偏差袁 验证外符合精度保证同期数据成果的正确性遥 外符合精度采用比对法进行精度评定遥 本次外符合精度的检验选取GP07与GP08测站扫描截取的点云观测数据袁 将点云观测数据统一到施工坐标系下进行对比袁 截取两站观测数据同一位置的点云袁 分别进行叠加建模并精度分析如图4所示遥通过分析可以知袁各站间扫描的外符合精度较佳袁测点范围约100m的条件下袁两测站的同一位置点云数据差值基本都在10mm以内袁均方根误差为12mm袁 所以坝体点云数据的外符合精度优于10mm遥图 4 GP07 与 GP08 测站点云数据外符合精度评定综上所述袁 通过数据分析及评定可以认为院在本项目的开展过程中袁 采用100m扫描范围内的数据袁采用三维激光扫描仪观测的点云数据精38窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期技术交流ZHEJIANGCEHUI度优于10mm遥3.2 水下多波束测深点云数据精度评定水下多波束扫描的精度主要由GPS-RTK精度尧罗经惯导精度尧测深精度遥GPS-RTK通过已知点检核以评估测量精度袁 通过验证测量平面精度为2cm袁高程精度为3cm遥 罗经惯性导航系统本身并不测量袁 用于纠正多波束测深系统的船姿袁便于后面进行横摇尧纵摇尧艏摇的校正袁 根据罗经系统参数袁 罗经升降精度约为23cm遥 多波束测深精度主要由量程分辨率决定袁多波束量程分辨率参数为1.25cm遥综上所述袁各类误差的影响下水下多波束测深的精度在10cm以内遥4 点云数据建模及变形分析4.1 水上水下点云数据一体化建模水上水下的点云数据经过预处理后袁需要再进行点云的滤波以及噪点的人工剔除袁然后进行点云的拼接与构建三维模型遥 大坝的水上水下一体化模型如图5所示遥图 5 大坝水上水下一体化三维模型4.2 坝体变形分析渊1冤大坝表面建模分析大坝表面的变形分析采用2021年的三维扫描点云数据跟初测2016年的数据叠加对比分析袁结果如图6尧表1所示遥图 6 坝体 2021-2016 年点云数据对比颜色渲染图表 1 点云变形量分布变形范围/cm点个数占比变形范围/cm点个数占比30 以下33766689.7%06347955410.0%-30-2426650497.7%6123592211.0%-24-18361076710.4%1218637340.2%-18-12359633110.3%1824343010.1%-12-6623982418.0%2430211430.1%-601047167330.1%30 以上8515792.4%对比分析可以看出院坝体的主体变形在坝顶以及坝前的蓄水区袁坝顶及坝前的中央变形最大袁向两侧变形逐渐减小遥经过现场查看袁坝顶的路面确实出现很多裂痕袁 地面变形严重遥坝体约14%的区域为拱起抬升变化袁 约86%的区域为下沉袁因此坝体总体表现为下沉遥 拱起抬升变化的区域主体变形量在6cm以内曰下沉变化的区域内袁 约占30%的区域在6cm以内变化遥渊2冤特殊部位建模分析选取大坝左岸一特殊部位进行变形分析袁将该特殊部位进行模型建立袁 按照模型选取2016年与2021年两期点云数据袁进行点云变形分析袁点云构面变形分析遥 图中颜色代表各个区域的变39窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期技术交流ZHEJIANGCEHUI形情况袁颜色对应左边相应的变形值袁其中负值代表下沉袁正值代表隆起如图7袁表2所示遥该特殊区域位于大坝公路拐弯处下方袁属于道路转角外沿袁长期车辆碾压受力曰区域靠近山体袁下雨时袁积水从旁边冲下袁长时间会有冲刷遥今后该区域需要进行重点监测袁也做了一个平台进行保护该区域袁起到一定的保护作用袁减缓该区域变形遥 通过2021年与2016年数据对比发现袁变形量大小及分布状况为院约占总体78%的区域在-4cm4cm以内变化袁约占总体10%的区域在绝对值4cm8cm以内变化袁其它变化量体现在下方平台上袁 因为2016年上半年还未修该平台袁因此可以看出袁该特殊区域总体变化量很小袁 从修筑平台后可以认定为变化微小区域袁即稳定区域遥4.3 坝前及坝下游冲刷淤泥分析渊1冤坝前冲刷淤积计算分析图 7 特殊部位 2021-2016 年点云数据对比颜色渲染图表 2 点云变形量分布变形范围/cm点个数占比变形范围/cm点个数占比-20 以下17440.7%0411367145.6%-20-161240.1%48212708.5%-16-122430.1%8126450.3%-12-86470.3%12163890.1%-8-451512.1%16202970.1%-408263333.1%20 以上225089.0%以2018年多波束测深数据为基准袁2021年的数据与它进行三维模型构建并对比分析袁结果如图8所示遥图 8 坝前水下点云模型对比通过两期水下点云模型的叠加对比分析得知袁其差值基本都在1.5m以内袁考虑到坝前水深较深袁以及多波束系统误差的影响袁该区域的冲刷淤积量可认为变化量很小遥 坝体的左岸有比较明显的冲刷状况遥渊3冤坝下游冲刷淤积计算分析将坝后多波束实测点云进行处理后袁根据本次测量的水下1院500地形图制成DEM渊数字高程模型冤袁利用2021年和2018年两次的DEM进行相减袁制作冲淤图袁结果如图9所示遥从图9中可知袁 由DEM法计算的冲淤量表示2021年相对于2018年坝后河道整体表现出淤积7386.668m3遥 靠近坝体的部分的冲刷量较大袁形成少量的冲坑袁冲坑是大坝出水口水流冲刷形成遥 坝后的河道冲刷基本为底部冲刷袁对两岸岸坡的冲刷较少遥 远离大坝出水口的下游整体表现出淤积的状态遥40窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期技术交流ZHEJIANGCEHUI5 结语本文将三维激光扫描技术与多波束测深技术联合运用到大坝安全的一体化监测中去袁通过采集不同期的点云数据进行建模分析袁得出坝体的整体变形情况以及坝前坝后水下的冲刷淤积情况遥 经过模型的对比分析可以得出院渊1冤通过利用传统监测手段获取的大坝控制网复测成果数据袁有效地保证了测量基准点数据精度曰渊2冤坝顶道路以及坝前表现出明显的下沉袁 沉降量在18cm30cm之间袁少量局部区域出现抬升现象袁主要由水库蓄水及坝顶道路车辆碾压所致曰渊3冤大坝特殊变形区域整体表现为下沉袁 沉降量在-4cm4cm之间袁对于特殊区域需要进行重点监测袁及时做好防护曰渊4冤多技术融合的大坝变形监测手段与传统监测手段各有特点袁 结合两者优势袁可以相互弥补不足袁多技术融合可以解决传统监测不能覆盖面的缺陷袁而传统监测可以解决多技术融合中点云精度相对较弱的不足曰渊5冤坝前水深较深袁 且没有出现范围较大的冲刷淤积区袁两期的数据对比可认为该区域的冲刷淤积量较小曰渊6冤坝后河道整体表现出淤积袁且靠近坝体的部分由于出水口水流的冲刷形成少量的冲坑袁基本表现出底部冲刷袁两岸的冲刷较少曰渊7冤采用三维激光扫描技术与多波束测深技术完全能够完成大坝的一体化监测袁且满足大坝监测的精度要求袁 能够获取更加直观的水上水下三维模型袁对于大坝安全的一体化监测具有一定现实意义遥参考文献院1 王辉袁桂林袁杨文袁吴小东.水电站大坝表面三维建模及变形分析C/.云南省测绘地理信息学会 2017 年学术年会论文集.2017院585-590.2 纪志刚袁洪琲琲.地面合成孔径雷达与三维激光扫描集成技术在大坝监测中的应用J.天津建设科技袁2019袁29渊03冤院28-31.3 张倩袁梅赛袁石波袁等.船载水上水下一体化测量技术及应用-以舟山册子岛为例J.海洋地质前沿袁2019袁35渊09冤院69-75.DOI院10.16028/j.1009-2722.2019.09011.4 刘平.基于三维激光扫描技术的大坝变形监测方法研究D.南昌大学袁2021.DOI院10.27232/ki.gnchu.2021.002880.5 张智敏袁梅同单袁赵盛杰.漫湾水电站围堰淤积监测及冲淤分析研究J.城市勘测袁2020渊2冤院164-168作者简介院王进志渊1967-冤袁男袁湖北襄阳人袁本科学历袁高级工程师袁现主要从事于工程测量袁测绘新技术应用方面工作遥Email院遥图 9 坝后冲刷淤积渲染图41窑窑