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原文传递边坡开挖数字化施工与质量控制方法

专利名称：	边坡开挖数字化施工与质量控制方法
摘要：	本发明提供边坡开挖数字化施工与质量控制方法，包括3个步骤，S1.在边坡开挖施工前，对原始山体面貌进行数据采集，经过系统分析得到最大开挖深度，施工区面积，开挖方量等信息，输入计算机内建立山体三维仿真模型，用于提出合理施工方案建议；S2.施工中，实时获取开挖形态数据信息，并将该信息输入计算内，实时对建立的山体三维仿真模型进行修改，施工人员通过仿真模型即可判断出施工质量是否满足要求，及时提出与修改施工方法。本发明提出的大坝建设质量控制与施工方案，在大坝边坡开挖施工中，对开挖进度、开挖形象面貌与开挖质量等不断进行动态控制，可在加快施工进度的同时确保工程的顺利进行。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	水电水利规划设计总院
发明人：	胡超;周宜红;潘志国
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910459411.X
公开号：	CN110409369A
代理机构：	北京众合诚成知识产权代理有限公司
代理人：	马超前
分类号：	E02B3/10(2006.01);E;E02;E02B;E02B3
申请人地址：	100120 北京市西城区六铺炕北小街2号
主权项：	1.边坡开挖数字化施工与质量控制方法，其特征在于：包括以下步骤： S1.在边坡开挖施工前，对原始山体面貌进行数据采集，经过系统分析得到最大开挖深度，施工区面积，开挖方量等信息，输入计算机内建立山体三维仿真模型，用于提出合理施工方案建议； S2.施工中，实时获取开挖形态数据信息，并将该信息输入计算内，实时对建立的山体三维仿真模型进行修改，施工人员通过仿真模型即可判断出施工量是否满足要求，及时提出与修改施工方法； S3.施工后，结合三维仿真模型，利用施工与质量控制方法对边坡开挖质量进行分析；若施工质量不满足施工设计要求，提出修复建议方法，重复步骤S1-S3的操作直至得到的开挖量满足设计要求；具体施工质量按照下述步骤评价：步骤1.使用三维激光扫描仪对施工场区进行数据扫描，获取足够多的点云数据；步骤2.将步骤1中的点云数据导入计算机，进行数据的读取操作；步骤3.对步骤2中的点云数据进行数据压缩和点云数据索引的处理；步骤4.对步骤3中的点云数据进行开挖面数据重构，处理流程为： a.将点云数据三角网格化处理； b.利用三角网格化处理的数据生成地形线； c.利用生成的地形线建立地形模型； d.利用计算机相应软件对地形模型进行渲染等操作； e.利用重心法、断面法、点云比较法和点云追踪法，分别从一维、二维、三维和四维评价超欠挖、不平整度、半孔率、粗糙度以及偏移度指标，分析得到边坡开挖质量，从而判定是否需要重复S1-S2；其中 1).超欠挖超欠挖评价指标的数学模型为：平面结构的开挖面当开挖面的空间结构为平面结构，则假设某开挖面的数学模型为： z＝ax+by+c，平面坐标X、Y,再加高程值Z，则该开挖面实测点云数据中任一点Pi到设计开挖面的距离为若d值为正，表示为欠挖；若d值为负，表示为超挖，根据设计坡比计算超欠挖值，公式为其中p为坡比值，同样，若d值为正表示为欠挖；若d值为负，表示为超挖；的最小值就是实对称矩阵的最小特征值，对应的特征向量值即为a,b,c；曲面结构的开挖面当开挖面的空间结构为曲面结构时，假设某设计开挖面的方程为 z＝a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2 则该开挖面实测点云数据中任一点i到设计开挖面的竖直距离为然后根据设计坡比计算超欠挖，公式为其中p为坡比的比值，若d值为正，表示为欠挖；若d为负，表示为超挖； 2)超欠挖量首先将实测点云数据投影到设计开挖面上，以设计开挖面为基准面建立二维坐标系，并将投影点坐标转换成二维坐标 P'{(x′1,y′1),(x′2,y′2),(x′3,y′3),…}，同时将各转换后的投影点与实测点云数据的超欠挖值匹配，得到点集M{(x′1,y′1,d1),(x′2,y′2,d2),(x′3,y′3,d3),…}；然后利用格网划分的三角网快速生成算法对离散的投影点数据绘制三角网，并计算生成的每个三角网的面积A(A1,A2,A3,…)，若组成单个三角网的三个顶点所对应的超欠挖值di小于欠挖匀速值恒成立，则组成三角形面积和欠挖值的集成ADu{(A1，d′11，d′12，d′13)，(A2，d′21，d′22，d′23)，(A3，d′31，d′32，d′33)，…}，若组成单个三角网的三个顶点所对应的超欠挖值di大于超挖允许值恒成立，则组成三角形面积和超挖值的集合ADo{(A1，d′11，d′12，d′13)，(A2，d′21，d′22，d′23)，(A3，d′31，d′32，d′33)，…}，其中d′i1，d′i2，d′i3分别表示某组成三角网的三个实测点的超欠挖值；最后利用公式计算超欠挖量V，其中n为ADo或ADu中元素的个数； 3)半孔率确定炮孔放样点的坐标，设ki(xi0,yi0,zi0)i＝1,2,3,…,n为某开挖面某一点炮孔放样点，pi(xi,yi,zi)为开挖钻孔末端端点，p′i(xi,yi,zi0)为pi在过ki的水平面上的投影；求出其在直线上所对应的垂足坐标，存放到数组中，并依据z坐标值进行排序；分别计算数组中相邻两点间的距离，当某点间的距离大于2d时，即为不合格间距，并统计不合格间距集Mi{m1,m2,…,mw}，其中mi表示不合格间距的长度，w为不合格点间距的数量；所以半孔率合格率可以表示为 4)不平整度得到空间三角形BiCiC′i的数学模型为 a′ix+b′iy+c′iz＝d′i 则交线BiCi方程为根据距离判断公式得到测算点云points，分别计算points中的点到设计开挖面的距离，求出超欠挖的最值，则两最值之差dq-dc即为单点的不平整度；依次计算每两炮孔间的不平整度求平均值即为某开挖面的不平整度；其中dq表示欠挖最大值，dc表示超挖最大值； 5)粗糙度建立一维、二维和三维开挖面质量粗糙度评价指标：一维粗糙度指标对任意开挖断面，取实际断面线测量其长度，以设计断面线长度为基准，将两者的比值定义为一维粗糙度，即：其中，Lai为第i条断面线的实际长度，Ldi为第i条断面线的基准长度；根据定义可知，R1i的值越趋于1，说明所取断面开挖越光滑，开挖质量越好；二维粗糙度指标在地形分析中，最常用也是最简单的参数是均方根高度，即观测样本集的标准差: 式中，n为观测本点的数量，为所有观测本点的平均地面高度；一般地，地表越粗糙，均方根高度越大；但是边坡工程多为倾斜面，无统一基准面，且开挖形成的表面伴有较大的随机成分，均方根高度描述的是各孤立位置的特征；因此，结合开挖工程的特征对式进行改进，以开挖面上测点到设计基准面的距离均方差作为二维粗糙度评价指标，表达式为：式中，n为开挖面上所有有效测量点的数量，Δzi是实测开挖面上第i个测量点到设计基准面垂直距离，A,B,C,D为基准面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0的系数；三维粗糙度指标首先通过三维激光扫描仪对开挖面进行扫描，得到开挖面表面的空间点云数据，利用数据筛分得到基准面控制点范围以内的点云；编写三角网络模型算法基于点云数据生成开挖面整体三角网格模型，并计算网格模型中各三角形面积之和，与基准面面积进行比较：上部为实际开挖面，下部为基准面，对开挖面三角网格模型中任意三角形ABC，其顶点坐标分别为(xa,ya,za)(xb,yb,zb)(xc,yc,zc)，依据公式l为三角形周长，a,b,c分别为三角形的三边周长，求得三角形面积为SABC，令ABC在设计开挖面上的投影为A'B'C'，其面积为SA'B'C'，则三维粗糙度表示为：对于整个开挖面来说，其整体粗糙度可以表示为：其中，n为三角网格模型中三角形的个数，Si为三角网模型中第i个三角形的面积，St为设计开挖面面积；由上式分析可知，Rr∈[1,∞)，Rr越接近1，开挖面越光滑，开挖质量越好，反之质量越差；由定义可知，三维粗糙度指标能够覆盖整个开挖面，可弥补由于点缺失引起的指标不完整的情况； 6)偏移度距离标准差满足测量到分布结果的两个性质，非负性和单位相同性；根据该性质选择利用距离标准差计算边坡开挖质量的偏移度，计算数学模型如下：其中，m为检测的点云数量，Δzk为第k个点云的超欠挖数值，u为超欠挖均值。 2.根据权利要求1所述的边坡开挖数字化施工与质量控制方法，其特征在于，3)粗糙度中， Δzi应有正有负，正表示测点在设计平面之上，为欠挖值，负则为超挖值；都能够测点数量足够度且分布均匀时，上式能整体对开挖面的质量指标进行评价；根据超欠挖控制标准及Δzi的值分别建立超挖集{Cj}、欠挖集{Qk}、合格集{Hm}(其中j+k+m＝n)，依据Δzi值分别存入相应的集合中，可计算开挖质量分布，合格率等指标；将{Cj}、{Qk}、{Hm}中值分别代入式即得开挖面的超挖粗糙度Rc、欠挖粗糙度Rq及合格粗糙度Rh三个子指标。 3.根据权利要求2所述的边坡开挖数字化施工与质量控制方法，其特征在于，3)粗糙度中，通过二维指标的计算和分析，可以得到开挖平面的质量评价量化结果，其值越小，即实际开挖面上的测点与基准面越靠近，开挖质量越好。 4.根据权利要求3所述的边坡开挖数字化施工与质量控制方法，其特征在于，2)粗糙度中，采用二维粗糙度对开挖质量进行评价分析时，若测点数量过少甚至缺失或分布不均的部位，其质量结果的可靠性难以保证，此时，需结合三维粗糙度指标进行评价。
所属类别：	发明专利