山区高速公路边坡防护工程面积测量技术研究

程海潜 李王康 张 健

(1.湖北交通职业技术学院，湖北 武汉 430079； 2.崇阳县交通运输局，湖北 崇阳 437500； 3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700)



·测量·

山区高速公路边坡防护工程面积测量技术研究

程海潜1，2李王康2张 健3

(1.湖北交通职业技术学院，湖北 武汉 430079； 2.崇阳县交通运输局，湖北 崇阳 437500； 3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700)

以湖北麻城至武穴高速公路为依托，分别采用皮尺、全站仪、GPS-RTK三种方法测量了试验边坡面积，并从准确性、可操作性、可验证性、经济性、安全性等方面，对比分析了各种方法的优缺点，最终推荐在全线边坡防护工程面积测量中采用皮尺法。

边坡防护工程，面积测量，皮尺，全站仪，GPS-RTK

0 引言

路基土石方施工是公路工程的一项重要内容，无论是填方路基形成的路堤边坡还是挖方路基形成的路堑边坡，都需要对边坡进行加固或绿化防护，以达到行车安全或生态环境保护的目的。在地形起伏不大的平原微丘地带，公路的填挖工程量小，且路基坡面规则，这种地形条件下的边坡防护面积测量工作易于开展。但在地形起伏较大的山岭重丘区，竣工边坡的实际情况与施工图设计差异较大。差异主要表现在起讫桩号、坡面面积、防护形式等方面，一般需进行设计变更。对于山区高速公路，路基防护工程线长面广，需专业单位完成现场测量工程，为设计单位变更提供数据；同时，业主需要客观准确的测量数据作为与施工单位进行工程结算的依据。因此，边坡防护工程面积测量工作日益受到高速公路参建各方的重视。测量方法如果选择不当，会出现较大的误差，造成争议。本文以湖北麻城至武穴高速公路边坡防护工程测量项目为依托，分别使用皮尺、全站仪和GPS-RTK等三种相对成熟的方法对同一边坡施测，并对测量过程和成果进行对比分析，找到各方认可的推荐测量方案。

1 三种测量方法在边坡面积测量中的应用

本次测量选取了蕲春段的一处四级路堑边坡作为研究对象，设计桩号K104+769～K105+019，现场照片见图1。该段边坡除有客土喷播植物防护外，还设有锚杆框架梁工程防护，具有广泛代表性。其对面斜向有一处三级路堑边坡，坡顶能架设测量仪器，便于本次试验研究。

1.1 皮尺丈量

皮尺是最常见也最便于携带的一种长度测量工具，边坡测量工作中需多人配合。具体的做法和步骤是：首先参考设计图纸、根据现场情况确定特征点。坡面线形变化点、不同防护类型坡面的分界点均可设为特征点，在第一级边坡坡底测量定好起讫桩号。然后，测量人员分工协作由下往上逐级测量坡面的斜面高度。一人持尺头站在第一级坡的坡底，另一人持尺站在上一级坡底平台，两人同向行走，在特征点处测量报读该处坡高值。第三个人负责观察纠正前两人的站位，并在原始记录表上绘出草图，记录测点位置和坡高等测量数据。各级坡面照此方法进行测量。若采用多级坡同时丈量的方法，则需要更多测量人员。当地形起伏较大或者两点距离较远时，需用花杆进行直线定线，确保跑点人员的测线垂直。

外业完成后，整理测量数据，绘制边坡立面示意图见图2，根据图2中记录的数据计算该边坡防护工程的面积。由图2可见，该边坡通过平台分界由下往上划分为一级边坡、二级边坡、三级边坡、四级边坡。其中一级边坡、二级边坡因中段有锚杆框架梁，故分三块进行了统计。各级坡面可以按梯形、矩形和三角形分块；第四级边坡的边坡点比较多，需将其进一步细分。将各个部分面积求和得到各级边坡的面积，最终的计算成果汇总在表1中。经与施工单位之前皮尺丈量的测算结果比对，总面积相差率为1.4%，有很高的可信度。

表1 皮尺测量方法边坡面积数据

坡级起讫桩号坡面面积m2施工单位数据m2差异率%一级边坡K104+769～K104+810305.05342.881.2一级边坡K104+810～K104+9631484.101486.770.2一级边坡K104+963～K105+019500.50511.012.1二级边坡K104+793～K104+81725.5024.28-4.8二级边坡K104+810～K104+9631258.951304.273.6二级边坡K104+963～K104+996136.95134.07-2.1三级边坡K104+817～K104+9631087.701072.47-1.4四级边坡K104+833～K104+904255.45249.064-2.5合计5054.25124.82-1.4

1.2 全站仪测量

本次试验利用全站仪进行边坡面积测量时，采用了免棱镜法采集坡面特征点的三维坐标，具体步骤是：首先确定一级边坡的特征点，按顺时针方向排列编号，放置支架，贴上反光片。在对面的三级路堑边坡顶面架立全站仪，假定该测站坐标已知，先测出某一个点的坐标作为后视定向点；进入全站仪的测量菜单，将全站仪的望远镜依次瞄准各个边坡点处的反光片，从而测得各个边坡点相对于测站的坐标。其他坡级的测量依次进行。为减小工作量，一级、二级坡面没有分块测量。最后将测得的各点坐标通过数据线传输到计算机，用数据后处理软件完成面积计算。

1.3 GPS-RTK测量

GPS-RTK具体的观测步骤和观测方法是：首先将基准站架设于公路空旷无遮挡处，开机并将仪器设置为基准站工作模式。然后将另一台接收机用手薄设置为移动站工作模式，并新建一个工程项目以便于保存测量数目，最后测量人员手持移动站的对中杆立于已经标定好的边坡点处，点击测量或记录命令，获取各个边坡点的三维坐标。这些点的坐标以.dat格式存储在手薄中，测量完成后可以利用蓝牙或者是数据线从手薄中传输到计算机中。最后在计算机上打开CASS软件，将野外获取的边坡点的坐标展到CASS软件中，利用CASS的面积计算菜单完成边坡面积的计算工作。因CASS软件计算出的面积是水平面积，采用设计坡率换算出坡面面积。

由于所选边坡地形起伏不大、边界及坡度规整，所以皮尺所测得的结果精度较高。以皮尺测量数据为参照，三种测量方法所测边坡数据汇总见表2。

表2 各测量方法边坡面积及差异率数据汇总表

2 三种测量方法的优缺点分析

我们设定准确性、可操作性、可验证性、经济性和安全性等指标对三种测量方法进行分析。

2.1 准确性

由于坡面边界是人为确定的，所以准确性并不等同于测量工具仪器本身的精度。排除人为疏漏原因，皮尺测量的长度误差一般约几厘米，准确性很高。从表2数据看出，相对于皮尺法，全站仪法所得面积有大有小、数据离散，但总体差异不大，准确性尚可。误差可能是由于部分反光片被附近植被遮挡或干扰所产生。GPS-RTK法所得面积普遍偏大，总体差异在5%左右。该法需根据设计坡率折算得边坡面积，而试验段实际坡度比设计更陡，因而产生了系统误差。要消除系统误差，需额外测量各测区边坡实际坡率。

2.2 可操作性

边坡测量任务一般分为外业测量和内业计算及绘图两阶段。皮尺法外业可操作性较高，非测量专业人员也可在较短时间培训后进行熟练掌握，但易受环境因素影响，在坡度大、局部垮塌、植被茂密的工程现场存在拉尺困难。全站仪运用免棱镜法更加便利，但要求仪器架设在对面坡面，且要高于待测坡面，否则上级坡脚受平台遮挡无法测到。内业方面，皮尺法的面积计算简单直接，但需人工处理。全站仪和GPS-RTK自动化程度高，但对操作人员的技能水平要求更高。

2.3 可验证性

采用皮尺方式采集的是长度数据，可以在某坡面测量完成时直观的看到标有所测数据草图，内业手工计算，全过程可追溯。如果出现面积数据争议，可以通过检查区分计算错误和测量错误，只有出现长度值争议时，才需要返回现场进行有针对性的验证测量。全站仪与GPS-RTK法测到极坐标、直角坐标数据，通过仪器软件转换计算面积，不能很直观的与边坡实体相对应，一旦面积出现差错，不易找出问题原因。即使是个别数据错误导致面积出现争议，也必须返回现场对整个坡面重新进行测量，测量验证代价极高。

2.4 经济性

外业测量工作成本占很大比重。因人工费逐年上涨，要降低测量费用，应尽可能减少外业用工量。皮尺虽价格低廉，但边坡测量方式过于繁琐，速度较慢，多级坡面测量过程中一般需4人～6人配合，且极易受到如防护植被障碍、天气等因素影响测量的进度，人力成本很高。全站仪和GPS-RTK仪器虽价格高，但操作速度快，任何坡面1人～3人就能完成外业测量工作。从整条高速公路边坡测量任务来看，皮尺法外业用工量约5倍于全站仪和GPS-RTK法。

就内业工作而言，皮尺方式全过程手工计算为主，最费工时。全站仪法自行计算结果，其内业处理最为简单。而GPS-RTK法的内业计算过程相当于半自动，其效率相对全站仪稍低一些。

2.5 安全性

测量人员的安全威胁主要源自交通和高处坠落。前者对各种测量方法同等存在，但后者发生的概率与在坡面作业的人数和时间相关。皮尺法在每级边坡测量中需要上下两人拉长皮尺在边坡上行走、测量，地势陡峻、植被阻挡以及天雨地滑等因素均易导致滑倒。而全站仪法只需将贴上反光片的支架放置在待测点处，人员在坡面工作时间最短。而使用GPS-RTK法时，测量人员需手持移动站的对中杆立于已经标定好的特征点处，点击测量或记录命令，较皮尺测量相对安全。对比分析情况汇总见表3。

表3 三种测量方法的适用情况汇总表

用不同的指标衡量，三种测量方法各有优劣，在全线测量中更适宜采用何种方法一时难以决定。可根据委托方的侧重选择测量方法。

本例中全站仪与GPS-RTK的综合评价相对较低，并不说明技术本身落后，而是因为现阶段的应用水平较低，在建设各方非常重视的准确性及可验证性方面没有优势。相信随着研究的深入，全站仪与GPS-RTK技术将形成完整系统的边坡面积测量方法，逐渐获得认可。

3 结语

本文就边坡面积测量技术展开研究，以实际坡面应用三种测量方法测得数据，通过准确性、可操作性、可验证性、经济性和安全性等指标衡量优缺点，结果表明，以现有的应用水平，皮尺法为最优方案，推荐在全线边坡防护工程面积测量中采用。

测量技术日新月异，除全站仪与GPS-RTK技术外，三维激光扫描实景复制、无人机航测等技术也越来越多地应用于公路工程实践中。但是无论何种测量方法都有其自身的优缺点和适用条件，要根据工程实际合理设计测量方案，解决应用中出现的问题，才能充分发挥先进技术的精度和效率优势。

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[3] 王 晓,高 伟,张 帅.GPS-RTK测量精度的影响因素研究与实验分析[J].全球定位系统，2010(4)：30-34.

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Study on the area measurement of the expressway slope protection works in mountainous area

Cheng Haiqian1,2Li Wangkang2Zhang Jian3

(1.HubeiCommunicationTechnicalCollege，Wuhan430079，China； 2.ChongyangTransportDepartment,Chongyang437500,China； 3.DanjiangkouTransportDepartment，Danjiangkou442700，China)

Taking the Hubei Macheng to Wuxue highway as the basis, this paper respectively used tape, total station, GPS-RTK three methods to measure the test slope area, and from the accuracy, maneuverability, testability, economy, safety and other aspects, compared and analyzed the advantages and disadvantages of various methods, finally recommended using tape method in total line slope protection area measurement.

slope protection engineering, area measurement, tape, total station, GPS-RTK

1009-6825(2016)28-0196-03

2016-07-27

程海潜(1974- )，男，副教授，高级工程师

TU198

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