基于紅外熱像技術(shù)的上海基巖殘丘地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查

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（上海市巖土工程檢測(cè)中心，上海 200436）

上海松江地區(qū)部分山體由于坡度較陡，毗鄰人類活動(dòng)密集區(qū)域，周邊地區(qū)建筑工程活動(dòng)頻繁，且存在多處早年人工采石或開挖邊坡出現(xiàn)小型懸崖，如果遇到雨季汛期、臺(tái)風(fēng)、暴雨、地震或人為開挖、爆破等振動(dòng)時(shí)，可能發(fā)生落石或小范圍崩塌，2013年以來開展松江山體邊坡穩(wěn)定性調(diào)查和預(yù)防監(jiān)測(cè)工作，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

紅外熱像技術(shù)在中國(guó)發(fā)展了近30年，主要應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)熱像診斷、電力電纜熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)、建筑節(jié)能檢測(cè)等眾多方面。為配合松江山體邊坡調(diào)查與監(jiān)測(cè)的實(shí)施，首次將紅外熱像技術(shù)引入地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域，對(duì)松江地區(qū)裸露巖壁表面區(qū)域進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析研究。

1 工作簡(jiǎn)介

自2013年以來，上海市規(guī)劃和國(guó)土資源管理局一直開展松江山體邊坡穩(wěn)定性調(diào)查工作，結(jié)合國(guó)家主汛期間的工作部署，同時(shí)開展并加強(qiáng)上海西部地區(qū)非汛期地質(zhì)災(zāi)害防治工作和山體邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作。

在辰山植物園礦坑花園、世貿(mào)深坑酒店、橫山、天馬山等巖壁進(jìn)行地質(zhì)巡查，并采用三維激光掃描、紅外熱像檢測(cè)、無人機(jī)航空攝影等先進(jìn)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行地災(zāi)隱患調(diào)查。

2 調(diào)查背景

2.1 松江地區(qū)地質(zhì)環(huán)境

松江區(qū)大部分地勢(shì)平坦，平均高程2.80～3.50m（吳淞高程），佘山地區(qū)有數(shù)座孤立的基巖殘丘出露，海拔高程都不足百米，最高的是天馬山（98.2m），均為侏羅紀(jì)火山巖，呈北東—南西向串珠狀分布。山下地形平坦，河網(wǎng)密布。

2.2 裸露巖壁特性

松江山體裸露基巖以粗面流紋巖、流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r和流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r等火山巖為主，部分條帶狀侵入狀凝灰?guī)r，局部巖體裸露且呈90 傾角。因受火山巖漿冷卻、開采石料爆破及植被根系擠裂和雨水沖刷作用，巖體橫向、縱向及斜向節(jié)理發(fā)育且有風(fēng)化現(xiàn)象，局部呈現(xiàn)凹面狀且上部支撐能力減弱，一系列自然條件、人為活動(dòng)是造成落石、巖體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的主要成因。

圖1 松江區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Songjiang district

2.3 松江區(qū)“十三五”規(guī)劃

松江區(qū)“十三五”規(guī)劃中提到：西北片區(qū)，包括佘山、小昆山鎮(zhèn)，主要是發(fā)揮生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化自然和歷史風(fēng)貌保護(hù)，拓展休閑度假功能，彰顯人文底蘊(yùn)，提升城市魅力；以佘山國(guó)家旅游度假區(qū)為重點(diǎn)促進(jìn)旅游休閑產(chǎn)業(yè)發(fā)展；充分整合松江山水、生態(tài)、文化、城市風(fēng)貌等豐富資源，發(fā)揮浦南地區(qū)特色農(nóng)業(yè)和江南水鄉(xiāng)風(fēng)貌等優(yōu)勢(shì)，加快旅游休閑產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害對(duì)城市發(fā)展的影響

松江區(qū)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展多依托于佘山、辰山、天馬山等10余座山體，同時(shí)世貿(mào)深坑酒店施工區(qū)、辰山植物園采石坑景區(qū)（位于辰山境內(nèi)）、昆岡采石坑（位于小昆山境內(nèi)）、羅山采石坑、廟頭采石坑等7處采石坑（遺址）或正在旅游開發(fā)，或毗鄰居民區(qū)，近幾年時(shí)常發(fā)生山體落石、小范圍巖體崩塌，對(duì)周邊廠房、民居造成破壞，對(duì)附近工人、居民、游客造成人身傷害。

3 紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用

依托地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，為配合松江山體邊坡巡查與監(jiān)測(cè)的實(shí)施，首次將紅外熱像技術(shù)引入地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域，對(duì)松江地區(qū)裸露巖壁表面區(qū)域進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析研究。

3.1 裸露巖壁紅外熱像數(shù)據(jù)基本特征

（1）相對(duì)某一巖壁表面，正常情況下可認(rèn)為整個(gè)巖體表層（所有相似面）發(fā)生的紅外輻射應(yīng)是均勻一致的。反映在紅外圖像上，通過顏色的指示為：相應(yīng)區(qū)域顏色是單一均勻的，不存在明顯的色差，即無明顯溫度色差異常區(qū)。

（2）相對(duì)某一巖壁表面，如巖壁表面存在空殼、裂隙、嚴(yán)重風(fēng)化、脫空、滲水等隱患時(shí)，這些部位由于表面與巖體的熱導(dǎo)性發(fā)生了改變，因此會(huì)存在相對(duì)于正常部位的紅外輻射異常。這種情況下，紅外熱能圖片上反映顏色（溫度場(chǎng)）非單一均勻，不同熱輻射條件的表面對(duì)應(yīng)不同的顏色區(qū)（溫度異常）。

（3）處理紅外熱像圖片上的顏色（溫度場(chǎng)）異常區(qū)，通過與可見光照片的比較分析，可以直觀明了的看到異常區(qū)在實(shí)際巖體的位置，綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害巡查情況，可以對(duì)這些異常區(qū)域作出地質(zhì)災(zāi)害隱患判別與評(píng)價(jià)。

3.2 裸露巖壁紅外熱像數(shù)據(jù)分析

根據(jù)選取的裸露巖壁，結(jié)合巖壁的巖石脫空、裂隙發(fā)育、表面風(fēng)化、巖壁滲水等隱患現(xiàn)象，對(duì)不同現(xiàn)象的紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別研究，解譯出了相應(yīng)的紅外數(shù)據(jù)特性和特征，分析如下：

（1）巖壁脫空紅外數(shù)據(jù)特性

該巖壁位于松江天馬山某民居旁。如圖2(a)所示，圖中巖壁脫空隱患點(diǎn)a表面較光滑，下部巖石已掉落，形成脫空狀態(tài)。可見光照片顯示該處巖體附著黑色污漬，表面較平整。

溫差特性：圖2(b)中巖石脫空區(qū)域a處溫度異常區(qū)域較為集中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，脫空區(qū)域隱患點(diǎn)a附近溫度相對(duì)較高，為38.3℃，正常區(qū)域b點(diǎn)附近溫度為34.8℃，溫差約+3.5℃。隱患點(diǎn)表面無明顯裂隙，但紅外數(shù)據(jù)顯示該處為高溫異常，分析推斷該處巖石已形成脫空，脫空區(qū)域充滿空氣（空氣為熱的不良導(dǎo)體），形成紅外高溫異常，綜合判斷該處存在脫空區(qū)域，可能引起碎屑或脫空區(qū)域存在巖石掉落等地質(zhì)災(zāi)害隱患。

圖2 脫空巖石的可見光照片(a)與紅外熱像圖(b)Fig.2 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b) of the rock

（2）巖石裂隙發(fā)育的紅外數(shù)據(jù)特性

該巖壁位于松江辰山植物園礦坑花園內(nèi)。如圖3(a)所示，圖中巖壁有一條水平走向的裂隙，裂隙區(qū)域下方測(cè)量點(diǎn)a，無裂隙正常測(cè)量點(diǎn)為b。可見光照片反映出裂隙處巖體凹凸明顯，呈線狀分布。

溫差特性：圖3(b)中巖石裂隙發(fā)育區(qū)域a處溫度異常區(qū)域呈線性分布較為集中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，裂隙發(fā)育區(qū)域a點(diǎn)附近溫度相對(duì)較低，為27.5℃，正常區(qū)域b點(diǎn)附近溫度為28.3℃，溫差約-0.8℃。溫差較為接近。綜合判斷該處因由于人工開鑿爆破采石或巖壁長(zhǎng)期自然風(fēng)化，造成巖體表面形成不規(guī)則裂隙。

圖3 巖石裂隙發(fā)育的可見光照片(a)與紅外熱像圖(b)Fig.3 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b)of rock fracture development

（3）巖石風(fēng)化的紅外數(shù)據(jù)特性

該巖壁位于深坑酒店內(nèi)。如圖4(a)所示，圖中a點(diǎn)巖壁為斜坡，表面凹凸不平，b點(diǎn)巖壁表面光滑。可見光照片顯示a點(diǎn)下方存在一處碎石堆，疑似巖體風(fēng)化后堆積。

溫差特性：圖4(b)中巖石風(fēng)化區(qū)域a處溫度異常區(qū)域呈塊狀分布且較為集中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，風(fēng)化區(qū)域a點(diǎn)附近溫度相對(duì)較高，為42.4℃，正常區(qū)域b點(diǎn)附近溫度為38.2℃，溫差約4.2℃。溫差很明顯。綜合判斷該處可能為巖壁長(zhǎng)期自然風(fēng)化，造成巖體表面凹凸不平，形成松散堆積顆粒。

（4）巖壁滲水的紅外數(shù)據(jù)特性

該巖壁位于辰山植物園礦坑花園內(nèi)。如圖5(a)所示，A區(qū)域表面為干燥處，無明顯水跡；B區(qū)域表面為巖壁滲水處。

特性分析：圖5(b)的A區(qū)域紅外數(shù)據(jù)顯示該處為低溫異常，與B區(qū)域滲水處溫度相當(dāng)。結(jié)合可見光照片可知，A區(qū)域內(nèi)部滲水，巖壁存在空隙，如長(zhǎng)期在滲水水流的作用、烈日暴曬、結(jié)冰膨脹作用下，可能使現(xiàn)有巖石裂隙擴(kuò)大，可能引起碎屑脫落等地質(zhì)災(zāi)害隱患。

圖4 巖石風(fēng)化的可見光照片(a)與紅外熱像圖(b)Fig.4 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b)of rock weathering

圖5 巖壁滲水的可見光照片(a)與紅外熱像圖(b)Fig.5 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b)of seepage of rock wall

4 結(jié)語

通過紅外熱像技術(shù)在上海松江基巖殘丘的多年來多次試驗(yàn)，總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）松江佘山地區(qū)是上海唯一一個(gè)基巖集中出露的區(qū)，該區(qū)域主要發(fā)展旅游文化產(chǎn)業(yè)，部分山體時(shí)有零星落石或小范圍崩塌，對(duì)城市安全及產(chǎn)業(yè)布局帶來不利影響。

（2）本文首次將紅外熱成像法檢測(cè)應(yīng)用于地災(zāi)隱患點(diǎn)調(diào)查。該方法具有輕便、快速、直觀、非接觸、大面積、遠(yuǎn)距離探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

（3）對(duì)常見的4種隱患類型（脫空、裂隙發(fā)育、風(fēng)化、裂隙滲水）進(jìn)行典型數(shù)據(jù)分析，得出相應(yīng)的紅外數(shù)據(jù)特性，對(duì)地災(zāi)隱患調(diào)查具有一定的指導(dǎo)意義。

（4）紅外熱成像法在山體隱患調(diào)查的應(yīng)用即是紅外熱成像的創(chuàng)新應(yīng)用，也是為地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查與監(jiān)測(cè)提供了一種新型技術(shù)手段，同時(shí)也為地質(zhì)災(zāi)害隱患預(yù)防監(jiān)測(cè)提供了新思路。