三維激光掃描技術(shù)在危巖體勘查中的應(yīng)用

張新磊

1 危巖體定義

危巖體(dangerous rock mass)作為地質(zhì)災(zāi)害的主要類型，同時也是一類重要的邊坡工程問題。陳洪凱認(rèn)為“危巖體是由多組巖體結(jié)構(gòu)面組合而構(gòu)成，在重力、地震、水體等誘發(fā)因素作用下處于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體。”[1]趙允輝認(rèn)為“危巖體崩塌是單個或群體巖塊在重力及其他外力作用突然從陡峻巖石山坡上分離，并以自由落體、滑移、彈跳、滾動或其他的某種組合方式順坡向下猛烈運(yùn)動，最后散集于坡腳的一種常見地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。”[2]通俗地講，狹義上的危巖體即破壞形式為崩塌的邊坡巖土體，在范圍上要比潛在崩塌體更廣一些，包括了部分潛在滑落體。

2 研究區(qū)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)特征

青石巖雙線特大橋邊坡總體上坡度較小，約40°，邊坡巖性組合在空間上差異較大，主要為泥砂互層型邊坡，高差約140 m。其中，第一級邊坡(即為研究區(qū))上部為硬質(zhì)砂巖，底部為軟質(zhì)泥巖，總體表現(xiàn)呈陡坎狀邊坡，高差10 m～25 m，巖體風(fēng)化較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)面均較松弛，見圖1。

圖1 邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖

3 邊坡點(diǎn)云的獲取及處理

三維激光掃描儀所獲取的邊坡點(diǎn)云，可以在RISCAN_PRO軟件中進(jìn)行顯示(見圖2)。

圖2 青石巖雙線特大橋利川段第一級邊坡三維激光掃描3D影像

邊坡的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過剔除冗余數(shù)據(jù)、噪聲去除、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)平滑，最后建立邊坡的數(shù)字模型(見圖3)。

4 邊坡等高線及地形剖面圖

在RISCAN_PRO軟件中進(jìn)行等高線的生成，等高線間距設(shè)置為3 m，采樣間距0.2 m，從賦上等高線的實(shí)體模型可以看出這個邊坡的地貌形態(tài)。我們可以清楚的看出等高線較密的地方就是第一級邊坡所在的位置(見圖4)。

圖3 邊坡三維模型圖

圖4 邊坡等高線圖

地形剖面分析是判斷該地區(qū)是否有危巖體存在的一個重要手段。為了準(zhǔn)確、快捷得出陡崖、凹巖腔等坡段的形態(tài)特征和巖體結(jié)構(gòu)特征，將三維數(shù)字模型按間距5 m，從而獲得邊坡的精細(xì)測量剖面，可進(jìn)行邊坡危巖體剖面法搜索。第一級邊坡的剖面線見圖5。

圖5 第一級邊坡的剖面線圖

5 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀獲取及危巖體體積量算

在Polyworks9.0處理軟件中，提供了多種量測工具包括量測距離(水平、垂向、兩點(diǎn)間、任意方向、點(diǎn)到線)、角度(水平、垂向、任意)、半徑及方位角等，利用眾多的量測工具能夠滿足一般工程需要。

通過現(xiàn)場三維激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行方位校正后，在Polyworks9.0中用三個點(diǎn)生成擬合平面功能，通過多次嘗試確定一個相對理想的平面完成對危巖體結(jié)構(gòu)面的擬合，生成一個平面(即模擬的結(jié)構(gòu)面)，應(yīng)用計算平面方程參數(shù)的方法，得到危巖體W4的兩組節(jié)理面產(chǎn)狀和一組層面產(chǎn)狀。同時利用體積量算功能，計算危巖體的體積大小，見圖6。

圖6 危巖體W4

危巖體W4位于高程約618.0 m處，巖體在巖層面及兩組互成一定夾角的縱向結(jié)構(gòu)面切割下成楔形巖塊，其結(jié)構(gòu)面的組合不利巖體的穩(wěn)定。其中，plane13層面產(chǎn)狀為:N85°E/NW∠10°，層面厚度為3.74 m;plane15結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為:N77°W/SW∠73°，這組結(jié)構(gòu)面的間距約5.68 m;plane8結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為:N7°W/NE∠75°，這組結(jié)構(gòu)面的間距約4.79 m。危巖體的方量約15.46 m3。

6 結(jié)語

本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到鐵路線危巖體勘查，只是這項(xiàng)技術(shù)的一種應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)具有先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢，將其應(yīng)用到工程地質(zhì)領(lǐng)域的其他方面有著巨大的潛力。比如，在地形變化監(jiān)測中，通過比較不同時段模型數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)變化來提取變形信息，這較其他技術(shù)手段(如全站儀、精密水準(zhǔn)儀、GPS和近景攝影等)在數(shù)據(jù)采集的效率、模型的數(shù)據(jù)精度、監(jiān)測工作的難易程度、數(shù)據(jù)處理的速度和數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢。

[1]陳洪凱，王 蓉，唐虹梅.危巖研究現(xiàn)狀及趨勢綜述[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2003(8):32-33.

[2]趙允輝.危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價與防治[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004(6):80-81.

[3]鐵道第二勘察設(shè)計院，成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.渝利線重點(diǎn)邊坡危巖體勘察報告(初步報告)[R].2009.