三維激光掃描技術在危巖體調查中的應用

李華東 鄧 輝 姜永玲

1 概述

隨著“西電東送”“南水北調”等重大工程的相繼實施,人類面臨的地質環境日益復雜。為了快速、準確的對工程建設中遇到的地質問題進行評價及防治,三維激光掃描技術已被廣泛的應用于地質災害調查之中。三維激光掃描技術可用于地形測量[1]、高陡邊坡地質調查[2]、地質體三維模型建立[3]、高精度DEM 獲取[4]等,同時,它還在汶川地震后都汶公路快速搶通[5]、堰塞湖地形測量[6]及四川漢源猴子巖崩滑堵江[7]等重大地質災害調查中起到了十分重要的作用。本文討論在高陡邊坡地質災害防治中應用三維激光掃描技術進行危巖體地質調查,主要探討了危巖體控制性結構面產狀的測量、地形剖面的獲取以及危巖體幾何尺寸的量測。

2 邊坡概況

某高速鐵路隧道進口邊坡全長630 m,該邊坡為一近南北走向的陡崖,北高南低,邊坡上部為三疊系上統須家河組(T3xj)灰白～淺灰色石英砂巖,下部為三疊系中統雷口坡組(T2l)灰～灰綠色泥質灰巖夾頁巖。邊坡下部軟巖風化形成凹腔后,上部被結構面切割成塊狀的巖塊掉落堆于坡腳形成巖堆,地貌上呈現出上陡下緩的特征,上部坡角 50°～ 70°,下部坡角 30°～ 50°。 砂巖陡壁上發育有大量危巖,可能威脅到隧道施工及鐵路線運營安全。

3 巖體結構特征

3.1 結構面及其組合特征

該邊坡巖體內結構面較發育,主要有以下幾類:1)層面,產狀較穩定,N35°～ 47°E/SE∠21°～ 33°;2)構造結構面,主要是巖體內發育的一組共軛剪節理,產狀 N30°～ 40°W/SW∠60°～ 70°,N60°～80°E/NW∠40°～50°,這組節理將巖體切割成塊體狀;3)風化卸荷裂隙,產狀變化較大,均較粗糙起伏。砂巖陡壁面也可看作一個卸荷結構面,產狀SN/W∠70°～80°。在層面及共軛 X節理的切割下,巖體被切割成塊體,因該邊坡上部厚層砂巖夾薄層泥巖,軟硬不均,故硬巖底部易形成凹腔,為其上部巖塊提供了臨空條件,而坡面方向與巖層傾向方向大致相反,且X節理與坡面均斜交,故凹腔上部被節理切割形成的獨立巖塊,易向陡崖外側傾倒。

3.2 風化卸荷特征

1)拉張節理。砂巖陡壁上傾坡外的拉張結構面較發育,該類結構面一般都起伏不平,表面十分粗糙,為臨空面附近的巖體向坡外卸荷形成,它們構成危巖體的后部邊界,其張開情況及貫通程度也直接決定了危巖體目前的穩定性狀況,附著于巖壁上的危巖體后部大多都被這類結構面所切割。2)剪節理張開。坡表巖體向臨空方向卸荷過程中,與坡向小角度相交的那條剪節理(N30°～ 40°W/SW∠60°～ 70°)逐漸張開,這類結構面的特點是較平直,張開較寬,一般10 cm左右,無充填或泥質半充填。3)凹腔發育。層狀的砂巖被層面及結構面切割成塊體,在坡表附近臨空條件較好的部位,下部巖塊沿層面與上部巖塊脫離,發生失穩后掉落坡下,因此,上部巖塊底部形成凹腔,處于臨空狀態,凹腔的發育對巖塊穩定性極為不利。4)巖體結構破碎。由于巖體風化卸荷強烈,節理裂隙密集,在構造節理的切割以及風化卸荷作用的改造下,坡表巖體十分破碎,局部甚至被切割成磚塊大小的塊體狀。

4 邊坡三維激光掃描

由于危巖體主要分布在砂巖陡壁上,難于接觸測量其尺寸及控制性結構面產狀,因此,我們采用ILRIS-3D激光掃描儀對進口邊坡進行了掃描。砂巖陡壁上發育有兩個規模巨大的危巖體,編號為W1和W2,這兩個危巖體位于隧道入口左上方,距坡腳相對高差較大,對鐵路線構成較大威脅。危巖體W1呈倒三角錐狀貼于砂巖陡壁上,后部結構面張開約20 cm,粗糙起伏且無充填。該塊體中間厚,兩側薄,頂部寬,底部窄,形狀極不規則。危巖體W2呈長條狀,沿山脊方向橫臥在坡頂,底部有凹腔發育(見圖 1)。

4.1 結構面產狀測量

危巖體W1主要受其后部陡傾坡外的卸荷結構面控制,危巖體W2主要受四組結構面控制,在這些結構面上各取三個不共線的點,創建五個平面Plane1～Plane5,再分別查看每個面的屬性,讀取每個面的三個法向量值,計算每個平面的產狀,具體見表1。

表1 結構面法向量及產狀

4.2 獲取地形剖面

利用IMInspect模塊中的Cross-Section選項,可在該邊坡任意位置作出地形剖面。現在W1,W2所在部位作出兩個縱剖面,將這兩個剖面輸出成DXf格式,在AutoCAD中進行調整及完善,量測危巖體的平均厚度及高度,用于估算其體積(見圖2)。

4.3 幾何尺寸量測

表2 危巖體幾何尺寸及體積

用Polyworks中的IM Inspect模塊打開點云數據,點擊Measure-Distance選項,選擇危巖體左右兩側的邊界點,即可量測其長度,高度可用兩點間的高差量測,長度數據直接選用量測值,高度數據根據剖面圖及量測數據綜合取值,厚度數據采用剖面圖中的量測值,危巖體的幾何尺寸見表2。

5 結語

本文在對邊坡區巖體結構特征進行詳細調查的基礎上,采用三維激光掃描技術對陡壁上兩個規模巨大、對鐵路線威脅嚴重的危巖體進行了掃描分析,測得了控制危巖體穩定性的結構面產狀,獲取了通過危巖體的縱剖面,得到了危巖體的幾何尺寸,節省了大量人力物力,同時也避免了接觸測量的風險,取得了很好的效果。

[1]史友峰,高西峰.三維激光掃描系統在地形測量中的應用[J].山西建筑,2007,33(4):347-348.

[2]董秀軍,黃潤秋.三維激光掃描技術在高陡邊坡地質調查中的應用[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S2):3629-3635.

[3]張 毅,閆 利.地面三維激光掃描技術在公路建模中的應用[J].測繪科學,2008(9):100-102.

[4]田 豐,秦 奮.LRIS-3D系統在高精度DEM建立中的應用[J].電子測量技術,2008(2):167-169.

[5]董秀軍,黃潤秋.三維激光掃描測量在汶川地震后都汶公路快速搶通中的應用[J].工程地質學報,2008(18):774-779.

[6]何秉順,趙進勇.三維激光掃描技術在堰塞湖地形快速測量中的應用[J].防災減災工程學報,2008(8):394-398.

[7]黃潤秋,王運生.2009年8·6四川漢源猴子巖崩滑的現場應急調查及危巖處理[J].工程地質學報,2009(8):445-448.