時間：2023-06-21 09:12:05
引言：易發(fā)表網(wǎng)憑借豐富的文秘實(shí)踐，為您精心挑選了九篇水利工程博士論文范例。如需獲取更多原創(chuàng)內(nèi)容，可隨時聯(lián)系我們的客服老師。
歷史和現(xiàn)實(shí)啟示，必須加強(qiáng)水文生態(tài)的研究和人才培養(yǎng)。1992年，作者指導(dǎo)的博士生馮國章同志，以“水事活動對區(qū)域水文生態(tài)系統(tǒng)的影響”為博士論文選題開展研究，該論文2000年獲全國百篇優(yōu)秀博士論文獎，說明專家學(xué)者們對這方面研究的支持。作者積極建議開展干旱半干旱地區(qū)水文生態(tài)與水安全研究和人才培養(yǎng)，值得高興的是教育部和國務(wù)院外國專家局批準(zhǔn)了“111”引智計劃———“干旱半干旱地區(qū)水文生態(tài)與水安全學(xué)科創(chuàng)新引智基地”項(xiàng)目，經(jīng)過3年多的研究，作者對水文生態(tài)有了進(jìn)一步的認(rèn)識。
關(guān)于水文生態(tài)（學(xué)）的科學(xué)界定與學(xué)科內(nèi)涵
在馮國章教授的論文中，對水文生態(tài)作了這樣的界定：“所謂水文生態(tài)，實(shí)際上就是水文生態(tài)系統(tǒng)，它是由水文系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)復(fù)合而成的，集水文循環(huán)與生態(tài)進(jìn)化及其共同的自然環(huán)境、人工環(huán)境于一體的，具有耗散結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)離平衡態(tài)的、開放的、動態(tài)的、非線性的復(fù)雜巨系統(tǒng)”［2］。具體的水文系統(tǒng)是指由一定的地理空間內(nèi)的各種水體及其形成、運(yùn)移和賦存環(huán)境（自然的、人工的或復(fù)合的）所構(gòu)成的地理、地質(zhì)、生物（包括人類）等環(huán)境功能系統(tǒng)整體，是一個開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，同時又是一個動態(tài)的非線性系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的定義是人們比較熟知的，它是生物群落及其生存環(huán)境共同組成的動態(tài)平衡系統(tǒng)；具體的生態(tài)系統(tǒng)是在一定的地理空間和地質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)，生物和非生物成分通過物質(zhì)循環(huán)、能量傳輸和信息交換而相互作用，相互依存所形成的生態(tài)學(xué)功能單元。由于水是生命之源，是萬事萬物之本，是生態(tài)環(huán)境的基本要素，因此，生態(tài)要素中包括著水，水文系統(tǒng)必然影響生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)的變化———如退耕還林、修造梯田，也必然影響水文系統(tǒng)，2個系統(tǒng)相互影響，具有明顯的關(guān)聯(lián)性和協(xié)同性，應(yīng)當(dāng)是一個統(tǒng)一的水文生態(tài)功能整體，如圖1所示。因此，隨著自然的和人類認(rèn)識的發(fā)展以及生產(chǎn)實(shí)踐的需要，把水文系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體———水文生態(tài)系統(tǒng)而加以看待和研究是科學(xué)發(fā)展的必然，具有十分重大的理論意義和實(shí)用價值！在水文系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)都很脆弱敏感的干旱半干旱地區(qū)尤其如此。正因?yàn)檫@樣，我們把教育部和國務(wù)院外國專家局下達(dá)的項(xiàng)目“干旱半干旱地區(qū)水文生態(tài)與水安全學(xué)科創(chuàng)新引智基地建設(shè)”，看作一項(xiàng)時代的需求加以對待，通過向世界引智，向全國合作加以實(shí)現(xiàn)［3］。從圖1可以看出，水文生態(tài)系統(tǒng)有大有小，人們也可以把地球看成一個大的水文生態(tài)系統(tǒng)，一條大江大河也會構(gòu)成水文生態(tài)系統(tǒng)，而在其內(nèi)的小江小河和中、小河流域也可以構(gòu)成相應(yīng)的水文生態(tài)系統(tǒng)。因此，水文生態(tài)系統(tǒng)是具有層次性的。水文生態(tài)系統(tǒng)的組成因子可以概括為“水－土－光－熱－氣－植－動（物）和人類”。再具體一些可列成圖2。
水文生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)例舉示
水文生態(tài)系統(tǒng)可能是天然形成的，也可能是人工的，也可能是人工參與雕琢的。水文生態(tài)系統(tǒng)滿目皆是，這里舉示幾個最具代表性的水文生態(tài)系統(tǒng)———灌區(qū)、梯田和綠洲。
1灌區(qū)水文生態(tài)系統(tǒng)如圖3所示，所謂灌區(qū)水文系統(tǒng)是人為地修筑引、輸、配水渠（管）道系統(tǒng)，將河水或井水引至田間，澆灌農(nóng)田的灌溉工程。依靠灌溉工程保證作物、林果茁壯成長所需水分，配合光、熱、氣、土壤資源和生物資源的組合，形成具有良好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的新的生態(tài)系統(tǒng)———灌區(qū)水文生態(tài)系統(tǒng)。
2梯田水文生態(tài)系統(tǒng)梯田是在易于產(chǎn)生水土流失的坡地上，分段沿等高線建造的階梯式農(nóng)田。梯田是治理坡耕地，保持水土、蓄雨納滲的重要工程措施，梯田的最大作用是蓄積降水截流納滲，結(jié)合土壤改良和窯窖等工程措施，消除徑流，從而形成能夠保持水土、有利農(nóng)耕的水文生態(tài)系統(tǒng)，圖4顯示了這種系統(tǒng)及其功能。
3綠洲水文生態(tài)系統(tǒng)綠洲是指在荒漠地區(qū)比較平坦的地方，由于來自山區(qū)的地表水的滋潤或地下水的抬升岀溢，使當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)生長茂盛的生物群落，呈現(xiàn)較大面積的綠色景觀，如圖5所示。綠洲的出現(xiàn)充分體現(xiàn)了水的生態(tài)功能。綠洲的出現(xiàn)仰賴于水的滋潤，如果補(bǔ)給水源遭到截取，則綠洲陷入萎縮消亡。因此，要保護(hù)和恢復(fù)綠洲生態(tài)系統(tǒng)，就必須保護(hù)和復(fù)壯水文系統(tǒng)，要破解綠洲生態(tài)的興衰問題，其要害也在于抓住水文生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化。
關(guān)鍵詞：防滲帷幕 鉆孔壓水試驗(yàn) 巖溶 電磁波CT 大功率聲波CT 鉆孔全景錄像
中圖分類號：TV543 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0024-02
四川武都水庫位于四川省江油市境內(nèi)的涪江干流上，是綜合利用的大（I）型水利工程。前期勘探及壩基開挖顯示該工程處于強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，在壩址區(qū)左岸發(fā)育一個大的K108巖溶管道系統(tǒng)，在右岸壩基下面發(fā)育一個巨大的K111溶蝕大廳，壩基上游側(cè)發(fā)育1個較大的巖溶通道，壩基開挖及灌漿遇到較小的溶洞不低于20個。
該水庫防滲帷幕線長約1.1 km，其中左岸山體布置灌漿平洞3層，右岸山體布置灌漿廊道2層，右岸頂層帷幕采用地表灌漿。
1 檢測方法概述
1.1 復(fù)核及優(yōu)化帷幕灌漿底線
復(fù)核及優(yōu)化帷幕灌漿底線是我們在多年實(shí)際工作中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，是一個新概念。其方法即是綜合利用鉆孔壓水試驗(yàn)、鉆孔全景錄像及電磁波CT等手段進(jìn)行前期測試，達(dá)到三個目的：①對原設(shè)計防滲帷幕底線進(jìn)行復(fù)核，以保證防滲帷幕底線確定的可靠性；②對可能優(yōu)化部位，進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約工程造價和節(jié)省工期；③發(fā)現(xiàn)對工程不利的其他地質(zhì)因素，提出解決方案。本次工程即采用此方法，得到業(yè)主的大力支持，取得了良好效果。
1.1.1 鉆孔壓水試驗(yàn)
傳統(tǒng)的壓水試驗(yàn)分單塞和雙塞兩種方法，由于傳統(tǒng)的雙塞法在封堵上存在封堵不嚴(yán)或易造成卡孔事故，一般采用單塞的方法。單塞壓水試驗(yàn)是在鉆孔過程中，鉆到一定的深度后，用塞球封堵在某特定位置，利用鉆機(jī)的重量讓塞球變形達(dá)到封閉塞球與鉆孔底段的目的，從而利用相應(yīng)的壓力計、流量計進(jìn)行測試。為了減少對鉆孔施工的影響，本程中的壓水試驗(yàn)采用了改進(jìn)的雙塞壓水試驗(yàn)的方法，即鉆孔一次成形，利用油泵對特定長度的兩段塞子進(jìn)行加壓讓塞球變形達(dá)到封閉的目的，再利用壓力計和流量計對該段的滲透率進(jìn)行測試，該方法不依賴鉆機(jī)，也不對鉆孔施工造成影響，提高了測試效率與精度。
圖1為鉆孔壓水試驗(yàn)成果圖，根據(jù)規(guī)范要求解釋試驗(yàn)成果圖對巖體滲透性進(jìn)行分類。同時結(jié)合設(shè)計給出的防滲標(biāo)準(zhǔn)，對比設(shè)計底線發(fā)現(xiàn)小樁號端底部巖體屬于微透水區(qū)，該部位底線可抬升；而大樁號巖原底線下部巖體的透水率值大多在5Lu以上，遠(yuǎn)高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為保證工程質(zhì)量，則建議該部位的防滲帷幕底線下調(diào)（圖1）。
1.1.2 電磁波CT
（圖2）為電磁波CT解釋成果圖。對成果圖分析研判，初步辨別不良地質(zhì)構(gòu)造的分布情況，再結(jié)合鉆孔壓水試驗(yàn)成果和實(shí)際踏勘情況，對原防滲帷幕底線進(jìn)行復(fù)核及優(yōu)化。
1.1.3 大功率聲波CT
在0+30、0+54位置完成了預(yù)定深度的鉆孔，并進(jìn)行了鉆孔大功率聲波CT檢測。大功率聲波成果圖見圖3。
從大功率聲波成果圖上可以看出，鉆孔深度60 m以上，巖體波速較高，反映出巖體完整；鉆孔深度60～70 m間存在2000～2800 m/s的低波速區(qū)，解釋為砂層分布區(qū)，分布形態(tài)上看，小樁號端較厚，大樁號端較薄。
由于砂層埋深深、規(guī)模大，對工程影響大，屬不良地質(zhì)體，為保證工程質(zhì)量，最后確定的處理方案是先對砂層段進(jìn)行高噴處理、再進(jìn)行細(xì)磨細(xì)水泥灌漿、最后根據(jù)檢測情況確定是否進(jìn)行化學(xué)灌漿處理。
1.2 巖溶灌后檢測
施工方完成高噴灌漿后，我方利用鉆孔壓水、鉆孔全景錄像、大功率聲波CT對灌漿效果進(jìn)行檢測，得到如下結(jié)果：
（1）鉆孔壓水試驗(yàn)成果反映：經(jīng)高噴灌漿處理后，檢測鉆孔的透水率大多數(shù)小于1.0 Lu，說明采用高噴灌漿處理的效果良好的。
（2）大功率聲波CT成果參見圖4，通過成果圖可以看出砂層區(qū)域的波速大幅提高，高于3.4 km/s，低速范圍縮小，反映了高噴灌漿的效果良好。
（3）鉆孔全景錄像成果參看圖5，其中發(fā)現(xiàn)不良灌注孔，全部進(jìn)行處理，達(dá)到了控制施工質(zhì)量的目標(biāo)。
2 結(jié)語
通過此工程我們可以看到，對于防滲帷幕灌漿質(zhì)量檢測應(yīng)該分為前后兩步。灌前進(jìn)行帷幕線的復(fù)核和優(yōu)化工作，查清不良體發(fā)育范圍、規(guī)模，用以指導(dǎo)灌漿施工；灌后采用多種方法綜合判斷，提高防滲帷幕灌漿施工質(zhì)量的可靠性和準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱保糧，施建新.水工隧洞固結(jié)灌漿效果檢測和評價[J].海河水利，2000（5）.
關(guān)鍵詞:滑坡；穩(wěn)定性；分析評價
一、引言
坪頭水電站位于四川省涼山彝族自治州美姑、昭覺、雷波三縣交界處的美姑河上，距西昌市173km，距美姑縣城86km，距美姑河匯入金沙江的匯入口10km。坪頭滑坡位于主庫段左岸斜坡地帶。
二、工程地質(zhì)條件
地形地貌
美姑河在該庫段側(cè)蝕比較嚴(yán)重。坪頭滑坡體發(fā)育的左岸較陡，滑坡體前緣為一高度大于5m的陡坎，平均坡度32～37°，向上坡角逐漸增大至55°左右。微地貌上，滑坡于兩山梁間，一條深約10m的沖溝從滑坡體中間穿過。
地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性與地震
庫區(qū)附近發(fā)育的南北向普雄河斷裂帶、美姑河斷裂帶、剎水壩～馬頸子斷裂對滑坡體有一定的影響，該斷裂為南北向構(gòu)造，傾向西，斷層帶寬約20m，為壓扭性斷裂。該斷裂對坪頭滑坡體上游側(cè)巖層影響明顯，局部揉皺帶巖石破碎。坪頭滑坡體上、下游均有基巖出露，巖層產(chǎn)狀300o＜25o。巖性較單一，層厚30～80cm。
根據(jù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），坪頭滑坡附近地震動峰值加速度等于0.05g，影響至工程區(qū)的地震烈度大多不超過Ⅵ度。
水文氣象
庫區(qū)地處川西高原氣候區(qū)，形成了獨(dú)特的山區(qū)性氣候。庫區(qū)的多年平均年降水量在814.3mm，多暴雨，當(dāng)?shù)厮恼居^測的最大24h雨量為186.6mm。
三、滑坡基本特征
坪頭滑坡于美姑河左岸，滑坡體前緣高程1700m，后緣高程1920m，高差220m。滑坡體主要由塊石、碎石及粉質(zhì)粘土組成。塊石直徑為1~1.5m，碎石粒徑一般25~40cm；巖性主要為青灰色砂巖和少量粉砂質(zhì)泥巖。滑坡體順（沿）河長150m，橫河寬570m，上薄下厚，前緣最大厚度達(dá)35m，后緣堆積厚度在2~4m間。估算滑坡體體積為120×104m3。
從地形地貌上看，滑坡體中上部坡角為40~50o，坡體前緣受美姑河沖刷嚴(yán)重，坡體前緣臨空。崩坡積塊碎石、碎石間多存架空結(jié)構(gòu)，較松散。同時滑坡體中間發(fā)育一條泥石流溝，溝深7～10m，寬度10～20m。溝側(cè)的堆積松散，多處有拉裂縫。裂縫較寬較長，寬度5～10cm，拉裂縫延伸最長有15m。
公路外側(cè)擋墻因滑坡體變形及河流沖刷等原因發(fā)生強(qiáng)烈變形移位，多處產(chǎn)生滑移，錯距最大達(dá)3m左右。
四 滑坡穩(wěn)定性評價
（一）定性分析
滑坡體整體坡形較陡，中上部坡角為40~50o，坡體前緣受美姑河沖刷嚴(yán)重，坡體前緣臨空，滑坡體匯水面積大；堆積物多松散，存架空結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了多條張開裂縫，局部已出現(xiàn)松弛滑塌、蠕動滑移變形的跡象；公路外側(cè)擋墻發(fā)生強(qiáng)烈變形移位，向沖溝滑移，在坡腳發(fā)現(xiàn)有多處有水滲出的現(xiàn)象。
以上種種跡象表明，該滑坡存在失穩(wěn)的可能。
（二）穩(wěn)定性計算
根據(jù)各勘探剖面在滑坡中的位置及其代表性，本次穩(wěn)定性計算選取Ⅰ－Ⅰ主剖面作為計算剖面，如圖-2。
1 計算工況及荷載組合
據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL 5180―2003），對照水電站擬裝機(jī)容量180MW，電站工程等級為二級，工程規(guī)模為大（2）型，對應(yīng)的水工建筑物級別為2、3級，邊坡級別為2級。
2計算參數(shù)的確定
根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場大剪試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合確定滑坡的參數(shù)如表-1。表-2為坪頭滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)及安全評價簡表。
3 計算結(jié)果分析
1）天然狀況或施工狀況下，該滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)約為1，整體處于臨界狀態(tài)。其它工況情況下的穩(wěn)定性系數(shù)為在0.799～0.997，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
2）蓄水狀況下，該滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為0.712～0.91，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨情況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.842～0.876；若考慮地震影響，其穩(wěn)定性系數(shù)為0.712～0.733，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
結(jié)論
通過對現(xiàn)場的實(shí)地調(diào)查與試驗(yàn)，結(jié)合室內(nèi)分析研究，評價洛坪頭坡在目前狀況下已處于失穩(wěn)的邊緣，在水庫蓄水、暴雨等不利因素作用下將處于失穩(wěn)狀態(tài)。
滑坡體現(xiàn)狀天然狀態(tài)穩(wěn)定性差。有進(jìn)一步垮塌趨勢。滑坡體所處岸坡下覆基巖界面較陡，不利于滑坡整體穩(wěn)定。滑坡體的組成物質(zhì)塊、碎石土密實(shí)程度不高，局部架空，坡表滲水點(diǎn)較多，這也是不利于穩(wěn)定的重要因素。滑坡體中部有一定深度的沖溝使滑坡體部分解體，加劇了沖溝兩側(cè)滑坡體的局部變形。
穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，天然狀況下滑坡體處于極限平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為滑坡體前緣垮塌，以牽引式漸進(jìn)性破壞后退，整體處于穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀況，不能滿足水庫運(yùn)營的安全要求。若再考慮降雨、地震、蓄水等因素，滑坡體將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)
[1] 嚴(yán)福章，水庫滑坡復(fù)活機(jī)理及其發(fā)展趨勢預(yù)測研究[博士論文][D]，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，2004.
[2] 嚴(yán)春杰等，三峽庫區(qū)巴東新縣城巖層軟弱帶特性研究[J]，成都理工學(xué)院學(xué)報. 2001，28：45~48.
關(guān)鍵詞：防滲；高壓；噴射；帷幕；應(yīng)用
一、高壓噴射帷幕的工作原理
工程施工中防滲處理主要應(yīng)用是高壓噴射帷幕技術(shù)。高壓噴射的工作原理是把帶有噴嘴的鉆機(jī)注滿調(diào)配比例均勻的漿體，使用鉆管鉆進(jìn)土層預(yù)定的位置。高壓噴射設(shè)置為20mpa左右使防滲的混合漿液從噴嘴在壓強(qiáng)下噴射注入土體。由于壓強(qiáng)的作用漿液呈脈沖形態(tài)，以大能量高速度的方式噴射到施工土層，增強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和韌度的結(jié)構(gòu)變化過程中，土里從土體里分離出來。細(xì)小不能固化的土粒隨著漿體冒出施工表層，大部分土粒在高壓的噴射作用下受到?jīng)_擊力、壓力和離心力的推動隨著漿體的攪拌結(jié)合成新的混合物，按照新的排列比例產(chǎn)生固化。固化后的漿體分子質(zhì)量排列產(chǎn)生新的變化，在高壓的作用下形成穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了新的物質(zhì)韌性帶就是我們常說的防滲帷幕。
我國防滲高壓噴射帷幕施工中常用的旋噴（就是旋轉(zhuǎn)性噴射）漿體注入形式。施工方法是噴頭在噴射工作中以旋轉(zhuǎn)和提升為運(yùn)動方式，帷幕的形成方式是以圓柱體排列。旋噴法的優(yōu)點(diǎn)是加固土層的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、拉伸韌度，改變土壤密度小容易形變的特征。在施工層懸空表面在結(jié)構(gòu)荷載直接作用下依舊固化圓形，形成我們需要的閉合性帷幕。閉合性帷幕的作用可以截阻地下水流也可以治理流沙。
工程基礎(chǔ)高壓噴射帷幕通常不選用旋噴技術(shù)。因?yàn)榛A(chǔ)在下方不需要提升，高壓噴射帷幕制作噴射通常用定向噴射固化泥土漿體結(jié)構(gòu)的辦法進(jìn)行現(xiàn)場施工。在定向噴施的施工過程中，噴嘴插入土壤在噴射的過程中成平穩(wěn)提升狀態(tài)，噴射的方向不進(jìn)行改變。定向噴射帷幕的形狀多成壁裝。最實(shí)用與水利性質(zhì)穩(wěn)定的河堤邊坡，和深度工程防水基礎(chǔ)施工。
防滲高壓噴射被廣泛應(yīng)用的原因是主要通過壓強(qiáng)的作用，對原材料的選擇性價比很低，成本的低廉是廣泛應(yīng)用于礦山、電站、堤壩、水底工程、煤炭采集工程的主要原因。防滲噴射原材料漿液主要構(gòu)成是以水泥為主添加少量的化學(xué)制劑為輔助料進(jìn)行配比而成。施工中在沒有特殊圖紙規(guī)定、地質(zhì)斷層、土壤水份超標(biāo)的狀態(tài)下通常使用的是425號硅酸鹽水泥即可。在特殊的施工土層例如：土中含有高腐蝕性元素、土壤水份含量超過施工安全規(guī)范等固結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求過高的狀態(tài)下在噴射漿體里需要加入超速凝結(jié)劑和超早強(qiáng)固化劑等對應(yīng)的化學(xué)添加劑來達(dá)到工程需要的凝結(jié)時間和速度。得到耐腐蝕、耐寒、耐水浸的施工效果。為了環(huán)保和降低工程費(fèi)用防滲高壓噴射中可以摻加一定比例的粉煤灰，可以減少涂層的重量，煤灰中的碳化物還是最好的固化分子。碳的結(jié)構(gòu)分子式和鉆石的結(jié)晶分子式幾乎相同，分子的質(zhì)量和硬度都是建材的首選材料。只有合理的利用既可以做到環(huán)保也可以提高工程質(zhì)量，還可以減少注漿材料的成本價格。
二、防滲高壓噴射帷幕的應(yīng)用
由于土壤、土層變化多樣，沖積層、斷層、沙陷層等復(fù)雜的地質(zhì)地貌處理需要工程施工設(shè)計中高科技含量的施工方法，高壓噴注在軟土層和水下施工中應(yīng)用較為廣泛。這種施工方式可以增加地基強(qiáng)度、強(qiáng)化地基的承載能力、減弱地表下沉的速度。擴(kuò)散樁基的應(yīng)力層，增強(qiáng)樁基的韌度。
河堤、圍堰、井下、水下工程最為常用。由于工程的優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)土質(zhì)密度和強(qiáng)度地下工程建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛。在壓強(qiáng)的作用下增強(qiáng)基礎(chǔ)土層之間的摩擦力，可以不改變建筑物地表狀態(tài)的情況下對建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行維護(hù)和保修。是治理小面積塌方的最好辦法。應(yīng)用市政水利工程、污水治理工程等方面，可以固化滲水范圍、控制溢水指數(shù)、水庫壩基加固、防止沙土流動、整治路基翻漿、加固橋基水下部分、加固建筑物基礎(chǔ)。
高壓噴射帷幕由于其施工的隨意性 可以在工程施工之前、也可以在工程施工中期、只有工程需要隨時都可以進(jìn)行維護(hù)型施工、強(qiáng)化型防護(hù)工作。由于其優(yōu)點(diǎn)是不突出地層表面施工加固，不影響正常的工程進(jìn)度，不占有建筑物的正常施工面積。對于圖紙設(shè)計的要求不是很高，主要針對地質(zhì)狀況和突發(fā)性地質(zhì)問題，例如：滲水度、突發(fā)性潰堤等緊急狀態(tài)都可以隨意的應(yīng)用。不用等待圖紙的設(shè)計和制定，可以隨發(fā)、隨用。隨意性強(qiáng)、安全性強(qiáng)、對于大型的加固問題是最好的處理方案。
由于高壓噴射帷幕的施工地點(diǎn)主要面向地質(zhì)問題嚴(yán)重?zé)o法進(jìn)行正常施工的地段，成為水下隧道主要施工手段。水下隧道施工技術(shù)主要應(yīng)用了高壓噴射、高壓推進(jìn)等技術(shù)。
三、防滲高壓噴射帷幕的施工規(guī)范
防滲高壓噴射帷幕的施工方式根據(jù)不同的土壤性質(zhì)和施工環(huán)境可以更換噴管的根數(shù)對土壤進(jìn)行機(jī)構(gòu)固化。高壓噴射施工簡便，施工過程主要通過土層中鉆出直徑為50毫米或者300mm的小孔，通過小孔在土層中用高壓進(jìn)行漿體的固結(jié)體噴射。施工過程中環(huán)境污染的能力很小。由于是以空氣壓縮的方式進(jìn)行漿體推進(jìn)，對空氣的污染指數(shù)很低。由于施工地點(diǎn)對位于地下，工程噪音指數(shù)也不會超標(biāo)。
地表深度作業(yè)的頂部施工過程中由于土層組織脫落的頻率過高通常使用單管旋噴漿體噴射方法。為防止土層脫落用特殊的噴嘴，把注漿管從土層底部側(cè)面的方向置入土體，借助注漿管的的旋轉(zhuǎn)使土體凝固形成固態(tài)結(jié)晶，起到固化的作用。
水下施工中通常是用的是雙通道的二重注漿管和多管注漿技術(shù)。在注漿管鉆入預(yù)定的施工層之后打開噴射管底部的同軸噴嘴，高壓漿液同時噴射，壓強(qiáng)通常選擇20mpa的壓力值，并且同時用其它管口用0.7mpa的壓強(qiáng)把壓縮空氣同時推入土層。漿體在氣流的作用下產(chǎn)生推力，增加固體直徑面積，增強(qiáng)帷幕的面積和體積。起到大面積快速加固作用。
工程施工方式便捷，由于噴嘴和噴管可以根據(jù)噴射的方向隨時改變，噴嘴的壓力和流量都有著開關(guān)控制，在增減壓力更換噴嘴方向的狀態(tài)下可以直接改變結(jié)晶體的形狀、大小、體積。工程施工隨意性強(qiáng)，工程難度低。
為了保證工程質(zhì)量和施工安全隨時監(jiān)控高壓閥門的安全設(shè)置，壓強(qiáng)范圍。壓力必須嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍，保證閥門的開關(guān)的靈活性。由于漿體密度大，沉淀性能強(qiáng)和空氣的密度相差過于懸殊，所有不會造成由于堵孔產(chǎn)生的爆炸問題。工程施工可以安心的進(jìn)行。施工膠管規(guī)定直徑是19毫米的三層鋼絲高壓膠質(zhì)管材，很難損壞，只要定期做好機(jī)械設(shè)備的檢修和維護(hù)管理，質(zhì)量和安全都是很容易保證的。
結(jié)束語：
高壓噴射技術(shù)是針對地質(zhì)問題難度大的施工地點(diǎn)，進(jìn)行強(qiáng)度施工的一種施工技術(shù)。廣泛推廣高壓噴射防滲技術(shù)也是提高施工技術(shù)的主要標(biāo)志。
參考文獻(xiàn)：
[1] 鄭聯(lián)偉;羅雪峰;;軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[J];中國水運(yùn)(下半月);2010年01期
2008年初的一天下午，天氣非常寒冷。金曉麗下班后，坐公交車趕回位于武漢市尤李村的出租屋。男友胡旭峰因?yàn)樽珜懖┦空撐模B續(xù)熬夜，正在生病。
下了車，金曉麗急匆匆趕往租住屋。遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，只見那幢小樓濃煙滾滾，有人大聲喊：“不好了，著火了！”金曉麗心里咯噔一下，一邊急步奔跑一邊呼喊男友的名字，可人群里哪有他的身影？
“他正在發(fā)燒，人迷迷糊糊的，肯定沒跑出來。”金曉麗想沖進(jìn)去救人，可有人拉住她：“你瘋了，火這么大，沖進(jìn)去會燒死的。等一下，消防車馬上就到了！”“我男友還在里面，一秒鐘都不能等啊！”金曉麗從別人手里搶過一桶水，從自己頭頂澆下，然后一頭撲進(jìn)火海。
幾分鐘后，消防車趕到。很快，消防員抬著昏迷的金曉麗沖出來了，因?yàn)樗璧乖谛l(wèi)生間才幸免葬身火海，但屋里再無別人。
此時，一個年輕男子向人群走來，聽見旁人議論：“這女孩真傻，硬說她男友在里面，拼了命沖進(jìn)去救。”男子頓感不妙，丟下手中的購物袋沖到擔(dān)架前一看，不禁失聲大喊：“曉麗，你怎么了？”原來，這名男子正是胡旭峰，他下午退了燒，頭也不疼了，就去外面買菜，想給女友做頓好吃的，返回時卻看見人們正在救火……
昏迷不醒的金曉麗，被120急救車送往醫(yī)院。經(jīng)檢查，她的面部和身體均有燒傷，燒傷面積達(dá)30%，尤其是腹部，醫(yī)生鑒定為二級燒傷。經(jīng)過5個多小時的手術(shù)，燒燙壞死的肌肉組織全部清除，金曉麗脫離了生命危險。隔著重癥監(jiān)護(hù)室的玻璃窗，看著躺在病床上的女友，胡旭峰心痛地流下眼淚。
胡旭峰19歲時，考入南昌大學(xué)電子工程系。在校期間，他到老人院做義工，期間結(jié)識了大一中文系女生金曉麗，兩人成了一對情侶。2001年秋天，胡旭峰考取南昌大學(xué)研究生，2004年成為華中科技大學(xué)的博士生。金曉麗本科畢業(yè)后，隨男友一起來到武漢，在一家電器公司謀到一份文員的工作。
出事第二天，胡旭峰父母和金曉麗70歲高齡的爺爺趕到了武漢，兩家人湊了12萬元給金曉麗治病。幾天后，金曉麗轉(zhuǎn)到普通病房，她全身仍纏滿繃帶，只露出嘴巴和眼睛。見到胡旭峰時，她張開嘴，輕聲說：“你沒事，我就放心了。”胡旭峰的眼圈紅了。
兩周后，金曉麗全身的紗布拆了，左臉留下一塊巴掌大的疤痕，身上留下大面積疤痕。主治醫(yī)生告訴胡旭峰，因?yàn)榻饡喳惛共繜齻つw失去彈性，以后難以懷孕生子。聽到醫(yī)生的話，大家的心情異常沉重。
出院后，金曉麗辭了工作，每天躲在屋里不肯出門。盡管胡旭峰在女友出院前就把家里的鏡子全扔了，但金曉麗還是找到一只粉盒，從粉盒的鏡子里看到了臉上的燒痕，她歇斯底里地砸碎粉盒，抱頭痛哭。胡旭峰安撫女友：“醫(yī)生說，等過幾個月你臉上的疤痕長成熟，就可以做修復(fù)手術(shù)。”
不久，胡旭峰通過論文答辯，獲得博士學(xué)位。為了籌錢給女友進(jìn)行后續(xù)治療，他放棄在高校當(dāng)老師的機(jī)會，應(yīng)聘到漢陽一家水利工程公司做設(shè)計師，月收入7000多元。為了多掙錢，他每天忙到深夜。好幾次，金曉麗夜里醒來時，發(fā)現(xiàn)男友趴在桌上睡著了。凝視著男友疲憊的面容，她覺得自己成了他的累贅……
2007年春節(jié)，胡旭峰帶著金曉麗回老家過年。一天晚上，金曉麗無意中聽到胡旭峰的母親對兒子說：“她將來不能生孩子，胡家就你一個獨(dú)子，你總不想讓胡家絕后吧？”那一刻，金曉麗決定離開胡旭峰。
大年初二，兩個人一起回到金曉麗的老家鹽城。假期結(jié)束后，金曉麗說自己想再陪爺爺一段時間，讓胡旭峰先回武漢。返回武漢不久，胡旭峰便收到了金曉麗的信：“這一年多里，你為我吃了很多苦，這份情，我永生難忘。我不能為你生孩子，這是我最痛苦的事。我更不想看到，你身為博士，為了我過得那么辛苦。我去了一個偏遠(yuǎn)美麗的地方，你不用找我。如果你愛我，請忘了我，好好生活下去。”
胡旭峰馬上給金曉麗打電話，怎么也打不通，他簡直快急瘋了。周末，他匆匆趕到鹽城，詢問金曉麗的下落。金曉麗的爺爺被胡旭峰的誠意打動，說出了孫女的去向。原來，金曉麗參加了江蘇一個機(jī)構(gòu)組織的大學(xué)生支教團(tuán)，隨團(tuán)到貴州去了。
博士千里尋愛到深山
胡旭峰前往貴州尋找女友，他先坐火車到貴陽，又從貴陽坐長途汽車到從江，再徒步前往那個叫大塘的小山村。天下著雨，他深一腳淺一腳地走了好幾里山路。傍晚，他來到了大山深處的學(xué)校。
胡旭峰找到校長，自我介紹是來支教的志愿者。他打聽到金曉麗的住處，迫不及待地去找她。來到一個小木屋前，透過開著的窗子，胡旭峰終于見到了日思夜想的女友。她正坐在昏暗的屋子里做刺繡，神情落寞而寂寥。
胡旭峰鼻子一酸：“曉麗！”金曉麗轉(zhuǎn)過身，望著滿身泥濘的男友，眼淚奪眶而出：“你怎么來了？”
胡旭峰懇求道：“你跟我一起回去吧，我要掙錢為你整容，就算你不能生孩子，我也不在乎，你明白嗎？”金曉麗強(qiáng)忍住內(nèi)心的激動，冷冷地說：“你如果留在這里，我就走！”兩人僵持不下，最后，金曉麗妥協(xié)了：“你可以留下，但不要跟任何人提起我們的過去，否則我會馬上離開這里。”胡旭峰答應(yīng)了。
胡旭峰和支教老師們打成了一片，白天教孩子們學(xué)習(xí)，晚上聚在一起玩。金曉麗從不參加大家的活動，不上課時，她總是把自己關(guān)在小木屋里。
胡旭峰的到來，引起了一個女孩的關(guān)注。她叫謝曼，來自廣州，家庭條件很好。謝曼身材婀娜，長相甜美，追求者甚多，但心高氣傲的她一直沒有遇到心中的白馬王子。胡旭峰儒雅穩(wěn)重的氣質(zhì)，深深打動了謝曼。
金秋時節(jié)，一年一度的苗族慶祝活動開始了，老師們到寨子里和苗家人一起歡慶。苗家青年人穿上了節(jié)日的盛裝，載歌載舞，互相對歌，傾吐愛慕之情。謝曼加入了苗家女孩的隊(duì)列，唱起了情歌。有人打趣她是唱給胡旭峰聽的，便鼓動胡旭峰對唱。熱情的苗家小伙自告奮勇地教胡旭峰唱歌，胡旭峰只好硬著頭皮唱了幾句。謝曼的心里像喝了蜜一樣甜，等著胡旭峰向她表白……
周末，大家相約去山里野炊。胡旭峰想陪伴金曉麗，推說有事不去了。傍晚，大家返回學(xué)校時，看到胡旭峰和金曉麗坐在山坡上，胡旭峰摟著金曉麗的肩。大家不解：胡旭峰怎么會看上這個性格孤僻的丑姑娘呢？謝曼覺得顏面盡失，對金曉麗生出怨恨之心。
幾天后，謝曼去保管室領(lǐng)辦公用品，恰好碰見金曉麗，她沒好氣地說：“你憑什么跟我搶，你憑什么跟胡旭峰好，就憑你這張臉嗎？”金曉麗的臉漲得通紅，她扭頭沖出了保管室。
事后，胡旭峰去找金曉麗，想好好安慰她一番。金曉麗不在宿舍，桌上有一封信：“謝曼很愛你，你也對她有好感，你們倆很般配。我們的緣分，其實(shí)早該斷了。我走了，希望你好好愛她。”
胡旭峰急得寢食難安，向校領(lǐng)導(dǎo)遞交了辭呈。得知胡旭峰要走，謝曼再也顧不上自尊和矜持，對他說：“難道你還不明白我的心嗎？我愛你，我不放你走！”胡旭峰只好將自己與金曉麗的故事和盤托出。謝曼驚得目瞪口呆，她連聲說著“對不起”……
胡旭峰通過各種渠道，終于打聽到金曉麗的去向。原來，金曉麗有個遠(yuǎn)房親戚在上海寶山區(qū)一家工廠當(dāng)負(fù)責(zé)人，金曉麗去那里上班了。
30萬整容還你最美新娘
胡旭峰來到上海，見到金曉麗。金曉麗說：“我離開，是想成全你們，因?yàn)橹x曼很愛你。”謝曼也來到上海，她真誠地向金曉麗道歉，并且表示愿意幫助金曉麗整容。謝曼的肺腑之言打動了金曉麗，她接受了謝曼及其父母的資助，也接受了胡旭峰堅如磐石的愛情。
幾個月后，胡旭峰和謝曼陪金曉麗來到上海一家醫(yī)院。醫(yī)生說，金曉麗的面部容貌可以通過植皮得到修復(fù)，加上腹部疤痕修復(fù)的費(fèi)用，大約需要30萬元。
由于疤痕增生較明顯，須采用植皮術(shù)。根據(jù)金曉麗的創(chuàng)面情況看，從她自己身上取皮困難。胡旭峰決定為女友捐皮，最終，醫(yī)生取用了他的頭部皮膚為金曉麗植皮。胡旭峰忍著劇痛，在一個月時間里連續(xù)做了三次捐頭皮手術(shù)。
10天后，醫(yī)生高興地宣布：“移植到金曉麗身上的皮膚全部存活！等她腹部的新皮膚完全長出并穩(wěn)定成熟后，只要孕期控制胎兒體重，她完全可以順利生子。”
關(guān)鍵詞：激光遙感技術(shù)； 古建筑保護(hù)； 歷史街區(qū)保護(hù)； 三維重建
Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.
Key words：laser remote sensing； protection ancient architecture； historic district； 3D reconstruction
中圖分類號：O433.5+4
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1008-0422(2008)02-0121-04
城市古建筑及歷史街區(qū)延續(xù)了城市歷史文脈，是城市根源的具體體現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，必須采取積極的手段進(jìn)行保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū)。保護(hù)和利用過程需要對古建筑進(jìn)行維護(hù)、整理或修復(fù)，同時也需要保護(hù)或恢復(fù)歷史街區(qū)的空間格局與尺度。國家重大古建筑在大規(guī)模修復(fù)前要求進(jìn)行精確的測繪工作，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑規(guī)劃保護(hù)和修復(fù)提供第一手資料，同時也是研究中國古建筑史和建筑理論的重要資料[1]。因而對于保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū)，測繪和記錄兩者的完備資料是最為主要的。
1激光遙感技術(shù)的介入
傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結(jié)構(gòu)圖和由地面近景攝影測量方法測出的結(jié)構(gòu)圖都能夠表達(dá)建筑的關(guān)鍵部位和整體結(jié)構(gòu)，但由于技術(shù)手段的局限，難以對古建筑進(jìn)行快速測繪和對整體立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá)。據(jù)文物部門統(tǒng)計，我國目前被列入保護(hù)范圍的古建筑群有近30萬處，古建筑的保護(hù)、搶救及修復(fù)的工作量非常大，而傳統(tǒng)的建筑測繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足古建筑保護(hù)的實(shí)際需要。
新型傳感器――地面激光掃描儀和配套的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)融合了激光掃描及遙感等技術(shù)，可以同時獲取空間三維點(diǎn)云(Point cloud)和彩色數(shù)字圖像(Color imagery)兩種數(shù)據(jù)，掃描點(diǎn)空間定位精度達(dá)到5~10mm的掃描精度，使該項(xiàng)技術(shù)成為歐美等國在高效率空間數(shù)據(jù)獲取方面的研究熱點(diǎn)。近年歐美等地應(yīng)用涉及城市規(guī)劃、資源調(diào)查、災(zāi)害管理、工程設(shè)計及國防等方面，特別在城市三維景觀、古建重建、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真等方面。
激光掃描技術(shù)可以快速重構(gòu)整個建筑的全方位立體空間，完整描述建筑物的每一個關(guān)鍵要素，因此可以為古建筑保護(hù)與更新提供真實(shí)準(zhǔn)確的三維模型。保護(hù)方案依據(jù)真三維模型來制定，不僅提高工作效率，而且修復(fù)計劃的精細(xì)程度和表現(xiàn)效果大為提高。因此，利用地面激光掃描儀進(jìn)行古建筑和歷史街區(qū)的保護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義，也是一項(xiàng)高科技的文化工程。
2激光遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1三維激光影像掃描技術(shù)原理
本文所提的激光遙感技術(shù)特指三維激光影像掃描技術(shù)，三維激光影像掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù), 同時, 它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作(如: 測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)等) [2]。所有采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口格式轉(zhuǎn)換給各種工程軟件直接使用。
在三維激光影像掃描儀所獲數(shù)據(jù)組成的立體模型上可以非常精確地量測出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方式。三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)精度，一般可以達(dá)到毫米級，這對于古代建筑物的幾十米體量來說，精度已經(jīng)夠用，并且它建模以后的量測精度不比傳統(tǒng)測量方法差[2]。三維激光掃描最大的意義在于效率高，激光掃描內(nèi)外業(yè)所需時間往往只有傳統(tǒng)方法測量的1/20。另外傳統(tǒng)方法只測到了物體部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而激光掃描則測量到了物體的全部細(xì)節(jié)。
2.2激光遙感應(yīng)用現(xiàn)狀
激光遙感應(yīng)用范圍非常廣泛，主要包括對地形、建筑物以及其他對象進(jìn)行高精度測量。
2.2.1帶狀地形測圖數(shù)據(jù)采集
地面三維激光影像掃描儀可進(jìn)行野外局部帶狀地形區(qū)域分段掃描。在具有一定重復(fù)掃描區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖。通過少量的測量控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到國家或城市坐標(biāo)系中，用地形和地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立模型，生成帶狀地形圖。對于鐵路、公路、大江大渠兩岸的局部不規(guī)則帶狀地形圖測量，較常規(guī)測量速度快、精度高[3]。
2.2.2建立高精度的數(shù)字地面模型和城市模型
三維激光掃描影像數(shù)據(jù)作為GIS 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫更新的重要來源。采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接和合并后，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除粗差數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)濾波和分類算法獲得地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。地面高程數(shù)據(jù)用于建立高精度的數(shù)字地面模型，地物數(shù)據(jù)經(jīng)提取和目標(biāo)識別處理可實(shí)現(xiàn)城市三維模型的建立。
2.2.3古文物建筑物測量及逆向工程應(yīng)用
地面三維激光影像掃描技術(shù)可為三維數(shù)字化設(shè)計、三維測量及逆向工程、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)方面提供服務(wù)。能夠快速高精度地完成復(fù)雜的古建筑結(jié)構(gòu)測量，大型景觀(如建造大佛景觀)三維數(shù)字設(shè)計與模板制作。
1999年，來自斯坦福大學(xué)和華盛頓大學(xué)的一個30人小組使用三維激光掃描系統(tǒng)對意大利佛羅倫薩的米開朗基羅的大衛(wèi)雕像進(jìn)行了測量，近距離目標(biāo)點(diǎn)的測量精度達(dá)到了亞毫米級[4]。舉世聞名的中國山西大同云岡石窟，時下正由文物管理專家展開三維激光測繪，并繪制精確的“三維立面圖”，以便對五萬余尊千年古佛像進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。正在進(jìn)行的北京故宮修復(fù)工作中運(yùn)用了多項(xiàng)現(xiàn)代測繪技術(shù)，其中包括激光掃描，它具有快速、精確、多方位的特點(diǎn)，為古建筑測繪探索新的途徑。
2.2.4其它方面的應(yīng)用
此外，地面三維激光影像掃描儀可應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測量與建模、房屋建模與房產(chǎn)圖測量、工程建筑物變形監(jiān)測、災(zāi)害三維實(shí)時監(jiān)測、事故災(zāi)害評估、礦山及隧道測量和大型水利工程安全監(jiān)測與研究等方面[3]。
3基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護(hù)應(yīng)用
3.1古建筑量測
目前很多古代建筑缺少可用的CAD數(shù)據(jù)，即使建立低水平的細(xì)節(jié)CAD模型，也需要借助測量和其他方法，必須進(jìn)行大量耗時的，成本高昂的，而且非常困難的測量，更不用說制作正射影像了。數(shù)字正射影像是一種既具有像片影像特征同時又具有線劃地圖數(shù)學(xué)、幾何與制圖特征的圖種。由于其包含的信息豐富、直觀性強(qiáng)，具有可量測性，因而受到人們的廣泛關(guān)注[5]。
采用三維激光影像掃描技術(shù)，能在不損傷建筑物的條件下，快速采集古建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)。通過使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點(diǎn)云賦予相應(yīng)的彩色信息，再經(jīng)過加工便制作成正射影像，向用戶展示一個完全的實(shí)景彩色圖像。如圖1所示。相對于以往近景攝影來說，正射影像具有更為精確的可量測性，古建筑設(shè)計和保護(hù)人員可以精確對門、窗、柱、梁等構(gòu)件進(jìn)行測量，如圖2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD數(shù)據(jù)圖，如圖3所示。
3.2古建筑三維重建
古建筑三維重建的關(guān)鍵問題主要包括五個方面的因素，其中兩點(diǎn)直接影響到古建筑三維重建的真實(shí)性[6]：① CAD木構(gòu)件數(shù)本身存在的問題，CAD木構(gòu)件模型是早期利用AutoCAD軟件建立的線框圖，由于線框模型只有點(diǎn)和直線段，沒有給出模型的表面信息，因此無法得到有關(guān)表面屬性的拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔ⅲ瑹o法得到正確的幾何模型信息化成為古建筑三維重建的關(guān)鍵問題所在；② 紋理材質(zhì)的表現(xiàn)，紋理和材質(zhì)的映射除了能提供逼真的視覺感受以外，還能在一定程度上展現(xiàn)建筑物的風(fēng)格。古建筑除了其造型獨(dú)特之外，其色彩裝飾的運(yùn)用也是一大特色：古代匠師們根據(jù)色彩對人們生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的對比和冷暖色調(diào)調(diào)和的手法來營造各種不同的色彩環(huán)境。古建筑物這種復(fù)雜的色彩組合環(huán)境不可避免地帶來了三維模型重建過程中紋理和材質(zhì)映射的難度。
而基于激光數(shù)據(jù)的古建筑三維重構(gòu)就是以古建筑木構(gòu)架體系為知識體系，實(shí)現(xiàn)“古建筑的數(shù)字化”，在計算機(jī)環(huán)境下從原有的無規(guī)則點(diǎn)云數(shù)據(jù)中高精度提取古建筑的表面特征，利用規(guī)則的形狀實(shí)現(xiàn)模型的表面重建，再現(xiàn)實(shí)際古建筑的立體輪廓和真實(shí)紋理，完成復(fù)雜古建真三維的幾何表達(dá)，使得古建筑在三維表達(dá)上完全可以避免以上提到的兩個問題。所以圖4所示為基于三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的福州市孔廟三維模型。
另外從微觀上來看，古建筑還包含一些具有表面形態(tài)豐富多彩的藝術(shù)品，如石雕、磚雕、木雕、彩畫等，這部分的重建由于形態(tài)各異，在重建方面其對精確度和色彩真實(shí)性的要求更為嚴(yán)格，以往的三維重建技術(shù)手法根本難以滿足其要求，而利用三維激光影像掃描技術(shù)獲取到的激光數(shù)據(jù)無論在精確度還是在色彩真實(shí)性上都可以用于藝術(shù)品的精細(xì)重建。在著名的米開朗基羅項(xiàng)目中，激光掃描可以精確地得到雕像的每個細(xì)節(jié)，目標(biāo)點(diǎn)的距離測量精度實(shí)際達(dá)到了±0.25mm，另外還拍攝了7000幅的彩色數(shù)碼相片用于渲染貼圖，最終的大衛(wèi)雕像模型包含了20億個多邊形，其模型采用高密度的Mesh模型真實(shí)地表現(xiàn)建筑物中藝術(shù)品細(xì)膩的形態(tài)[4]。
3.3基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護(hù)應(yīng)用
通過對古建筑進(jìn)行量測和三維重構(gòu)，古建筑保護(hù)利用可以有以下幾個方面：
3.3.1對細(xì)部和裝飾殘缺的或已經(jīng)破壞的古建筑進(jìn)行復(fù)原
利用形狀匹配技術(shù)，通過三維激光設(shè)備將文物數(shù)字化，通過空間曲面輪廓線的提取，并根據(jù)輪廓線的匹配結(jié)果可實(shí)現(xiàn)殘損文物的拼接復(fù)原。主要由曲面模型的匹配拼接、三維曲面模型的融合和曲面的三維編輯，構(gòu)造自動拼接與手工調(diào)整相結(jié)合的文物復(fù)原過程模型，最后將三維計算機(jī)模型送入快速成型設(shè)備復(fù)原微縮建筑進(jìn)行實(shí)體檢查，為文物研究及文物保護(hù)提供準(zhǔn)確的科學(xué)數(shù)據(jù)。
3.3.2對典型建筑構(gòu)件、營造技術(shù)或法式進(jìn)行分析與剖視
對臺基、石雕、門窗、柱、柱礎(chǔ)、屋檐、斗拱、梁、檁、屋頂?shù)鹊湫徒ㄖ?gòu)件進(jìn)行分析、剖視、建模，及搭建過程的演示。
4基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建
基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建主要是對歷史街區(qū)進(jìn)行特征分析，屋頂、墻體、街道等要素的重建。
4.1三維重建必要性
歷史街區(qū)保護(hù)的原則之一：“原真性”與“可讀性”相結(jié)合。要保持或恢復(fù)街區(qū)的傳統(tǒng)風(fēng)貌，“原真性”是歷史街區(qū)保護(hù)與更新的一個首要原則。為使街區(qū)恢復(fù)“原汁原味”，三維激光影像掃描技術(shù)可以進(jìn)行充分地現(xiàn)場測繪，并可以獲取詳細(xì)的照片，然后按照“整舊如故，以存其真”的原則，依據(jù)每一幢建筑不同的建造年代、建筑風(fēng)貌及建筑質(zhì)量就可以進(jìn)行三維重建，從而達(dá)到保護(hù)和修繕的目的。另外基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建可以快速地表達(dá)一個完整而具有特色的空間形態(tài)，使“可讀性”成為可能。
4.2基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建
傳統(tǒng)的用于街區(qū)建筑物批量建模的方法有兩類：一類是采用商品化建模軟件進(jìn)行建模，另一類是根據(jù)采集得到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模[7]。即：① 采用商品化建模軟件的建模方法是利用一些專門用于建模的商品化軟件(如：AutoCAD，3Dmax，Maya，MultiGen等)，基于原有的CAD設(shè)計圖紙和數(shù)據(jù)，利用AutoCAD＋3DS軟件建模，最后通過函數(shù)接口讀入程序中，從而能夠真實(shí)表達(dá)建筑物內(nèi)部的細(xì)節(jié)特征。這些文件中已將模型剖分為空間三角網(wǎng)，我們只需將這組數(shù)據(jù)以一定的比例、角度在通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放在空間坐標(biāo)系中定位，同時到實(shí)地拍攝建筑物的影像，運(yùn)用圖像處理軟件制作出建筑物的表面紋理，貼附于模型之上，從而實(shí)現(xiàn)建筑物模型的重建。② 三維幾何自主建模這種建模方法是對建筑物進(jìn)行三維幾何表示，它可以看作是從實(shí)際三維物體到物體模型的映像，但是目前這些重建方法一是建模精確不高，二是建模的工作量大。
基于激光數(shù)據(jù)歷史街區(qū)的三維重建主要是利用現(xiàn)有的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速地提取矢量化的建筑群模型，是工作量和模型精準(zhǔn)度都優(yōu)于傳統(tǒng)的建模方法，目前國外很多學(xué)者在對基于激光的建筑物模型自動提取的研究做深入的研究，并取得一定成果，這為歷史街區(qū)三維重建提供了極大的便利。建筑物模型自動提取主要包括：①獲取建筑物的近似大小(長、寬、高)；②區(qū)分出平頂和尖頂房屋；③區(qū)分出建筑物是矩形、T、L、U 和十字形狀；④獲得主要的屋頂面的個數(shù)和形狀；⑤ 檢測并分離距離較近的建筑物；⑥ 清除屋頂面上的擾動或者噪音（包括天窗和煙筒）；⑦ 檢測出屋頂上的小建筑并將他們合為一體[8]。圖5是福州市三坊七巷歷史保護(hù)街區(qū)現(xiàn)場測繪的激光點(diǎn)云掃描后恢復(fù)的三維場景。
4.3歷史街區(qū)三維重建的應(yīng)用
4.3.1提高歷史街區(qū)保護(hù)與更新中的公眾參與程度
縱觀歷史街區(qū)保護(hù)與更新的理論和實(shí)踐的發(fā)展過程，可以看出，歷史街區(qū)的保護(hù)更新離不開生活在其中的公眾的參與和支持，歷史街區(qū)的改造和公眾的參與就像“魚和水”的關(guān)系一樣，是相互依賴、共同生長和發(fā)展的。當(dāng)今歷史街區(qū)保護(hù)更新的發(fā)展趨勢也漸漸向公眾參與的方向發(fā)展，小規(guī)模改造、“微循環(huán)”式的改造都離不開公眾全方位的參與和支持。三維重建后的虛擬歷史街區(qū)將繼續(xù)秉承虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢，增強(qiáng)公眾對改造后街區(qū)在感官上的認(rèn)識，從而提高歷史街區(qū)保護(hù)與更新中的公眾參與程度。
4.3.2 多種歷史建筑要素的比較以及綜合或?qū)ｍ?xiàng)評價
三維重建后，通過搜索出歷史建筑要素的邊界，求出輪廓線，然后將研究對象與建筑圖庫中不同歷史年代對應(yīng)元素進(jìn)行比較，便可作出評價和結(jié)論。
4.3.3對木構(gòu)做法、建筑格局進(jìn)行深度分析
建筑格局比較復(fù)雜，主要有庭院式布局(廊院式、合院式)；非庭院式布局(貫聯(lián)式布局、聯(lián)排式布局、散點(diǎn)式布局)。通過三維重建，搜索出所有建筑的邊界、中心、法線方向，最后由專家根據(jù)自然環(huán)境、風(fēng)水、民俗等進(jìn)行評價，并做出結(jié)論。
總之，通過對歷史街區(qū)的特征著手分析，如：①有序的魚骨狀街坊格局；②連綿起伏的屋脊，坡屋頂構(gòu)筑的天際輪廓線；③街巷口門拱門樓、粉墻灰瓦、朱門雨檐門斗、條石路面等獨(dú)特內(nèi)涵構(gòu)成的連續(xù)坊巷界面；④是組合多進(jìn)式、前堂后寢邊花廳式的平面布局；⑤是“觀音兜”式封火墻、夯土防火墻、飛檐翹角等墻式；⑥是以石、土、磚、木等的建筑材質(zhì)。這些特征，極大地優(yōu)化了所得的激光數(shù)據(jù)，為歷史街區(qū)三維重建及肌理分析打下了良好的基礎(chǔ)。
5前景及存在問題
5.1前景
5.1.1潛在用戶
國家建設(shè)部已經(jīng)正式批準(zhǔn)了100余座歷史文化名城，其中絕大部分都存在古建筑的保護(hù)與利用問題，如北京的故宮、福州的三坊七巷等。據(jù)文物部門統(tǒng)計，我國目前被列入保護(hù)范圍的古建筑群有近30萬處。利用激光掃描技術(shù)快速構(gòu)建古建筑三維模型的技術(shù)方法，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。各歷史文化名城的規(guī)劃建設(shè)部門和文物保護(hù)單位都將是該應(yīng)用的潛在用戶。
5.1.2市場前景
隨著激光掃描硬件軟件性價比的不斷提升，古建筑空間結(jié)構(gòu)的快速三維重構(gòu)技術(shù)將受到各類用戶的青睞。已修復(fù)完成的地區(qū)可以利用該技術(shù)建立歷史街區(qū)的完整三維虛擬模型，用于展示和推廣(包括網(wǎng)絡(luò)上的推廣)；尚未修復(fù)的地區(qū)在建立三維虛擬模型之后，可以利用三維設(shè)計CAD軟件對修復(fù)工作進(jìn)行方案設(shè)計，從而顯著提高工作效率。因此，該技術(shù)成果將具有良好的市場前景。
5.1.3 經(jīng)濟(jì)效益及社會作用
由于存在較大的潛在市場，成果將會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。由此帶來的城市歷史文脈的保留與延續(xù)，則有利于提升城市的品質(zhì)，激發(fā)城市居民的歸屬感和自豪感，從而產(chǎn)生積極的社會意義。
5.2存在的問題
激光遙感技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛地用于古建筑物的重建工作中，但是仍然存在很多的問題需要解決。各種普通的特征提取與處理算法直接應(yīng)用于古建筑物重建中還有一定距離，自動化程度較低是目前困擾實(shí)際應(yīng)用的一個重要難題，也是日后該應(yīng)用研究力求解決的重要問題。
5.2.1 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征檢測。由于建筑物年代久遠(yuǎn)、表面粗糙，給特征檢測中的閾值設(shè)定帶來了困難；另外，古建筑物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面形狀多變，難以用一種或幾種形狀表達(dá)。此外，在三維空間下的特征檢測本身就比較復(fù)雜。
5.2.2古建筑物模型重建。古建筑物重建過程中需要涉及到具有規(guī)則幾何形狀和任意形態(tài)的兩種類型的部件，如何界定并分離這兩種部件是比較困難的工作。由多個簡單幾何形體構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的識別與重建也是十分復(fù)雜，一方面幾何的復(fù)雜性增加了特征檢測的不可靠性，另一方面，幾何的復(fù)雜性也給結(jié)構(gòu)的重建和表達(dá)帶來了困難。
5.2.3古建筑物紋理的提取
紋理可以充分表現(xiàn)建筑物的光影信息，使結(jié)果更加真實(shí)。正常的紋理產(chǎn)生可以通過提取每一個部件的紋理，使用多站點(diǎn)下紋理數(shù)據(jù)的融合實(shí)現(xiàn)，但是融合過程中如何選擇最優(yōu)的規(guī)則是一個技術(shù)難點(diǎn)。另外，當(dāng)紋理缺失時，通過紋理的近似程度，從已有的數(shù)據(jù)中尋找近似紋理數(shù)據(jù)完成紋理缺失區(qū)域的補(bǔ)充是非常復(fù)雜的問題。
參考文獻(xiàn)：
[1] 余明，丁辰，劉，過靜. 北京故宮修復(fù)測繪研究[J]. 測繪通報，2004(4):11-13.
[2] 周克勤，許志剛，宇文仲. 三維激光影像掃描技術(shù)在古建測繪與保護(hù)中的應(yīng)用. 工程勘察，2004(5) :43-46.
[3] 鄭德華，雷偉剛. 地面三維激光影像掃描測量技術(shù)[J]. 鐵路航測，2003(2) :26-28.
[4] 張遠(yuǎn)智，胡廣洋，劉玉彤，王慶洲. 基于工程應(yīng)用的3維激光掃描系統(tǒng)[J]. 測繪通報，2002(1) :34-36.
[5] 萬霞，酈淑俊，王朝暉. 一種快速的正射影像制作方法[J]. 現(xiàn)代測繪，2006，29(2):34-35.
[6] 夏慧瓊，朱慶，張葉廷，龔俊，杜志強(qiáng). 基于CAD與GIS集成的仿唐古建筑景觀的三維重建方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2005，38(5):114-119.
