三維激光掃描技術在邊坡地質編錄中的應用

王梓龍 裴向軍 董秀軍 張碩 王雙 魏小佳

摘要：西南地區地形條件復雜，高陡邊坡發育普遍，其顯著特點是地形起伏大，山體險峻。傳統的地質編錄方法是通過羅盤十皮尺進行現場地質測繪，不僅工作量大、成果精度低，而且存在人身安全隱患。以某水電站邊坡為例，闡述了三維激光掃描技術在地質編錄中的應用方法。其借助非接觸式測量，能夠快速高精度獲取邊坡實體密集點云數據，通過點云數據就能夠解譯邊坡長大結構面和節理裂隙發育規律及空間展布特征，包括各級結構面分布、優勢產狀、延伸長度、間距等地質要素信息，從而研究結構面組合關系及其破壞模式，克服了傳統地質編錄的局限性。其地質要素的解譯成果具有信息量豐富、準確度高的特點，將復雜的野外工作轉化為內業數據進行處理，大大提高了工作效率，顛覆了傳統的調查方法，具有一定創新性和先進性。

關鍵詞：三維激光掃描；水電邊坡；結構面編錄；結構面解譯

中圖分類號：TV72 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.024

我國西南地區受青藏高原數百萬年來持續隆升的影響，在其周邊和云貴高原、四川盆地等過渡地帶，地形從西向東急劇驟降，形成了巨大的大陸地形坡降帶。發育于青藏高原的長江及其主要支流深切成谷，從而在這個地形坡降帶上形成了以高山峽谷為主要特征的高邊坡地質景觀[1]，其顯著特點是岸坡高陡險峻、地形起伏變化大。而我國主要的大中型水電站多建于此類地帶，因此前期地質調查十分困難。

這類高邊坡的巖體結構地質編錄是水電勘察的重要內容，也是邊坡破壞模式分析與穩定性評價的基礎[2-3]。傳統的編錄方法是利用皮尺和羅盤進行現場地質測繪，確定各級結構面的相對位置、組合關系、延伸長度、厚度、間距、產狀等地質要素信息，并現場勾繪結構面出露跡線。然而高邊坡地形條件復雜，導致傳統方法往往受限于地形，現場工作難度大，不僅耗時費力，而且影響人身安全，是影響我國水電工程建設進度的首要因素。

針對這一問題，國內外部分學者對高邊坡地質編錄方法進行了探索，如采用數字攝影測量、數碼相片解譯、VR全景技術等，將實測照片處理為3D圖像，測量結構面方位、間距、跡長和面積等[4-5]。但這些方法很難準確測定結構面的坐標、高程、產狀等，工程實用性不強，很難在實際工程中運用推廣。

相比之下，借助三維激光掃描技術進行邊坡巖體結構的地質編錄具有獨特的優勢，它能夠完整并快速地獲取邊坡實體點云影像數據，高精度重現實物的空間三維形態，其點云中的每個點具有真實三維坐標值，具有高分辨率、精度高、地質信息豐富等優點[6-8]。這種非接觸式測量的方法實際上是將復雜繁瑣的野外調查工作變成了三維影像的室內地質化解譯和計算機輔助矢量化圖，不僅克服了高陡邊坡地形障礙難點，而且高效，通過高精度的點云數據實現了全面、系統的地質編錄工作[9-10]。

筆者以某大型水電站壩址邊坡為例，借助三維激光掃描技術提出邊坡結構面編錄的新方法，闡述該技術在高邊坡地質編錄中的應用特點及效果。

1 研究區工程地質條件及數據采集

1.1 工程地質條件

研究區壩址邊坡位于雅礱江上游河段，河流整體較為順直，雅礱江以S15°W方向流經壩址區，枯水期水位2400m，正常蓄水位相應谷寬220～250m。河谷為典型的V形峽谷，兩岸山體雄厚，屬于斜順向坡。基巖裸露良好，為三疊系上統侏倭組變質砂巖，巖層總體產狀N40°～60°E/NW∠40°～65°，坡高700～800m，坡度40°～50°，局部為陡崖斷臂，呈溝梁相間的臺階狀，且坡表結構面縱橫發育，因此地質調查相當困難。

1.2 點云影像獲取

針對壩址邊坡特殊的地質條件，該次掃描在河對岸等高處，選用奧地利產RIEGL-VZ4000激光掃描儀，其采樣速率為22萬點/s，采樣間距1mm，掃描有效距離為4km，測量誤差<15mm，再加上多站點耦合矯正，從而保證誤差處于亞厘米級。邊坡陡巖斷壁發育，各級結構面出露明顯，結合已有破壞跡象初步判斷，邊坡存在整體滑移一剪切破壞及塊體滑移破壞兩種失穩模式，為了驗證現場判斷和研究結構面空間分布規律及發育特征，需對各級結構面進行精細測量（掃描），以此研究結構面組合關系、發育密度、連續特征、結構面之間接觸關系等。

2 結構面解譯原理

傳統的結構面野外編錄是利用羅盤直接在“面”進行產狀測定，用皮尺量測跡長、間距、開度等地質要素。三維激光掃描技術獲取邊坡三維點云數據后，直接在計算機上通過一定方法識別結構面，測量結構面，獲取地質要素信息，最終對整個邊坡結構面進行編錄、統計、分析。

2.1 結構面識別方法

三維激光掃描所能獲取的數據是邊坡表面高密度點云，只反映結構面的空間狀態，故結構面的識別需要與現場調查結合，總結出在點云數據中的結構面識別方法。

（1）直接判識法。這種方法主要適合坡表出露明顯的結構面，其特點是產狀穩定、結構面部分張開、分布較廣，肉眼可見結構面在掃描影像上直接就能識別，代表結構面有卸荷裂隙、層面、破裂面等，見圖1中A類結構面。

（2）類比判識法。這類方法適合出露特征不明顯、規模較小、多閉合、產狀有一定變化的結構面。因其地表基本未出露或出露面較小，故這類結構面的識別往往是依據其成組平行出現的特征，找到出露明顯易于識別的同組結構面來類比判識，見圖1中B類結構面。

（3）推理判識法。這類結構面往往指中大型斷層等Ⅱ級結構面，因其在地表出露較復雜，延伸彎曲變化大，有一定寬度且多遮擋覆蓋物，故在掃描影像上不易判別，主要依據現場調查資料來判識推測。

2.2 結構面提取理論

識別結構面的目的是提取結構面方位等地質信息。需要提取由密集點云構成的結構面，使其變成可操作的對象。根據3個不共線的點組成一個平面，那么在三維掃描數據中可以選取適當數量的點生成平面β，β就代表目標結構面，由此提出采用多點擬合和三點擬合法來提取結構面（多點擬合結構面見圖2）。

大多數地表出露的結構面因卸荷松弛及風化剝蝕等而凹凸不平，這類結構面可以利用三維點云數據中結構面出露面上的所有點或者大部分點來擬合生成一個β平面，該平面緊貼目標結構面α。這種方法的顯著特點是克服了實際測量中結構面多起伏粗糙或懸空的難點，避免了地質羅盤單點測產狀存在的不足，其效果十分理想。

三點擬合法提取的結構面主要是出露較少、特征不明顯、閉合度較高的結構面，這類結構面表現為只有跡線出露，多緊閉呈線狀延展分布，傳統手段往往無法直接調查，都是間接測量周圍同組出露結構面。三點擬合法則是在結構面上找到3個具有代表性的不在同一條直線上的點，由這3個點生成一個平面，用這個平面來擬合該結構面（見圖3）。這種方法特別適合結構面在地表只有跡線出露或地形上轉折的情況。

三點擬合法只使用結構面上的3個點生成平面，受結構面的起伏和地形影響，偶爾產生傾向偏轉的情況，但總體效果良好。

2.3 結構面產狀計算原理

在三維影像數據中確定結構面后計算其產狀，基本數學模型如下：已知一個平面，如果能夠確定該平面上3個不在同一直線上的點的坐標（x，y，z），就能夠獲得一個平面方程：

Ax+By+Cz+D=0式中：A、B、C、D為方程參數，A、B、C不同時為零，且為該平面法向坐標n=（A，B，C）[11-12]。

平面方程的4個系數能確定平面在三維空間中的姿態方位，其方位代表了結構產狀。由于三維掃描數據都經過大地坐標轉換，其每個點云坐標都與實際真實大地坐標一致，因此只要獲取結構面上點，擬合出相應平面，即可計算出平面方程，解算出方程參數[13-15]。根據平面方程參數間的關系，可以推導出結構面產狀參數的計算公式。

當A、B、C三個參數都不為0時，有：

只要確定了結構面，就能通過自編程序計算出結構面產狀。

2.4 跡線及結構面間距

三維激光掃描得到邊坡點云數據具有真實的三維坐標，因此可以直接在影像上獲取點來表征線，線長即跡長，求得點間距即得到距離，從而確定跡長和結構面間距。

3 地質編錄分析

3.1 長大結構面解譯

長大結構面是控制邊坡破壞的邊界條件，其組合關系影響破壞模式及穩定性，因此這類結構面的編錄主要是研究其空間分布規律，包括地表延伸、間距、組合關系等。因此，在三維點云數據中直接點出結構面出露跡線的特征點（能夠指示延伸方向的點），每個點相當于“實測”數據，反映結構面在坡表的行跡，最后將點串聯成線代表結構面（見圖4）。其比傳統方法能更加真實地反映長大結構面在地表發育的行跡。傳統方法根據實測點通過作圖法畫出行跡，而對那些產狀變化比較大、微地形復雜的結構面無法做到如實反映。

將所有長大結構面以線形式全部矢量化后，根據點云圖就能對結構面的發育間距、發育密度以及延伸長度等地質要素進行全面統計，其準確性是傳統調查無法比擬的。然后所有跡線全部以水平方向投影得到結構面的展布分布圖，進而真實高精度地反映長大結構面的空間分布規律。

根據圖4邊坡點云數據解譯，得到整個邊坡的長大結構面發育特征，部分結構面特征統計見表1。

通過對壩址左岸邊坡264個長大結構面的解譯，發現絕大多數以硬性結構面為主，斷層不發育，根據結構面展布優勢方位及特點，總結以下6組。

（1）NE/NNE向陡傾角結構面。產狀一般為N35°～55°E/NW（SE）∠70°～85°，發育密度相對較大，主要發育于上游側，一般較順直，一般延伸50m以上，少數可延伸200m以上，多形成陡坎，可構成邊坡變形破壞的側向割裂面及向沖溝破壞的后緣拉裂面。

（2）NE/NNE向中緩傾角結構面。產狀一般為N40°～60°E/NW∠25°～50°，在低高程附近發育較集中，出露結構面平直，延伸較長大；可構成邊坡向上游側發生平面滑移拉裂破壞塊體的潛在控制性滑移面。

（3）NW/NWW向陡傾角結構面。產狀一般為N30°～50°W/SW（NE）∠70°～80°，發育較少，僅局部斷層體現，一般較粗糙，出露不明顯，可構成邊坡變形破壞側向割裂面及沿沖溝破壞后緣拉裂面。

（4）NW向中緩傾角結構面。產狀一般為N30°～50°W/NE∠10°～30°，主要發育在邊坡靠下游兩河交匯處，較平直光滑，點云較清晰，可構成邊坡向上游側發生平面滑移剪切破壞塊體的潛在控制性剪切面。

（5）NEE向陡傾角斷層。產狀一般為N70°～80°E/NW（SE）∠65°～85°，在壩址區左右岸均有發育，影像反映多為斷層，一般較順直，且延伸較長大。可構成邊坡變形破壞的側向割裂面及向沖溝破壞的后緣拉裂面。

（6）NEE向中緩傾角斷層。產狀一般為N70°～80°E/NW∠10°～45°，主要發育在壩址區左岸，右岸局部區域發育，延伸較長大；該組斷層在左岸邊坡構成邊坡破壞的潛在控制性結構面，是左岸邊坡向上游側發生滑移剪切破壞的主要控制性剪切面。

通過對長大結構面空間展布關系的解譯，可以進一步分析其組合關系（見表2），從而確定邊坡破壞模式。

根據統計結果分析，邊坡變形破壞主要為塊體的滑移破壞、塊體向下游方向的墜落式破壞及滑移一剪切破壞三種破壞模式。

（1）塊體滑移破壞。主要為三組結構面切割形成的塊體發生滑移，破壞模式見圖5（a）。以第③組中陡傾坡內結構面作為后緣拉裂面，第①組結構面構成側裂面，沿第②組中傾坡外層面形成滑移破壞。此種破壞塊體規模較大，邊坡現有的階梯狀地貌就是該破壞形成的。

（2）塊體向下游方向的墜落式破壞。向下游方向的墜落掉塊破壞為邊坡坡表最普遍發育的破壞模式，在底高程靠近河谷段可見。主要受三組結構面控制：以第④組緩面作為后緣分割面，第③組結構面構成側分面，沿第①組結構面形成滑移掉塊，此種破壞模式常常形成崩塌。

（3）滑移一剪切破壞。滑移一剪切破壞為邊坡最不利的破壞模式，主要受四組結構面控制：以第③組中陡傾坡內結構面作為后緣拉裂面，第①組結構面構成側裂面，沿第②組中傾坡外層面及第④組緩傾結構面形成滑移一剪切破壞，其影響邊坡整體穩定性（見圖5（b））。

根據長大結構面的解譯，能夠分析長大結構面所切割組合的不穩定巖體的穩定性，從而針對潛在不穩定塊體采取相應的錨固、防護措施。

3.2 節理裂隙解譯

節理裂隙的調查是一項繁瑣的工作，傳統的現場工作通常僅調查典型節理裂隙發育特點，不夠細致全面。而三維激光掃描技術能夠在三維點云數據中對邊坡地表出露節理裂隙進行系統、精確、全面的統計，從宏觀上對壩址區巖體結構進行準確判斷，反映裂隙分布的規律。

通過三維點云影像，獲取緩傾角裂隙173條、中傾角裂隙334條、陡傾角裂隙942條，中、陡傾角裂隙約占總裂隙的88%，緩傾角裂隙僅占12%。壩址區邊坡裂隙等密圖見圖6。

邊坡的節理裂隙發育程度從大到小優勢方向有下列3組：①35°～59°∠75°～88°、210°～2400∠75°～88°；②310°～320°∠35°～50°；③105°～155°∠40°～70°。緩傾角裂隙坡表發育程度相對較弱，以340°～355°∠13°～20°、40°～80°∠15°～25°為主，斷續延伸，具體見表3。

根據解譯的統計結果研究表明，節理裂隙發育具有以下特點：

（1）受多次構造活動的影響，壩址區裂隙發育程度高，裂隙的組數較多，恰以①、②、③三組裂隙最為發育，緩傾裂隙不發育。

（2）裂隙的延伸長度較大，一般可見延伸達數十米，其中①、②、③最大延伸可達上百米。

（3）裂隙組數規律性強。走向北西的裂隙普遍發育，形成左岸的順坡和反坡裂隙，順坡裂隙組發育程度明顯比反坡裂隙組高；層面裂隙組穩定且發育程度略高。

（4）不同巖性層中優勢裂隙及發育程度有一定差異。發育差異主要表現為厚度較大、均質的巖性層中裂隙規模較大，方向相對穩定，頻度低；巖性軟弱、均質性差、厚度較小的巖性層，裂隙多短小，方向性相對較差，頻度相對較高。

（5）淺表部裂隙大多張開顯現，尤其是順坡向裂隙局部呈板裂狀，張開顯現，至深部則裂隙發育程度相對減弱，并多閉合。在有斷層出露的地方，受其影響，裂隙率和裂隙頻率相對較高。

4 結論

以某水電站壩址邊坡為例，闡述了三維激光掃描技術在高陡邊坡巖體結構地質編錄中的應用方法和效果，得出如下結論：

（1）三維激光掃描技術突破傳統邊坡地質編錄手段，將大量野外工作轉換到室內完成，克服了羅盤+皮尺獲取巖體結構特征信息不準確、不全面的局限性，避免了高陡邊坡調查的危險，大大提高了工作效率，節約了大量的時間和資源。該技術方法在水電工程中具有良好的實用性，其編錄方法在國內處于先進水平。

（2）通過邊坡點云數據解譯，能夠獲取結構面產狀、間距、跡長、空間分布等大量地質要素信息，其成果具有精度高、可靠性強的特點。

（3）基于長大結構面和節理裂隙發育規律的解譯成果，數據量豐富，能夠為邊坡破壞模式的分析提供準確的原始數據，這一點是傳統手段無法比擬的。

目前，該技術方法已經在多個水電站項目中試點運行，具有良好的效果。但是該技術暫時不能完全代替傳統的現場地質調查，如結構面的粗糙或光滑程度、結構面填充物質組成等不能明確判斷，需要復核調查。但其工作量已經大幅降低，相信在將來可實現巖體結構的計算機全自動化編錄。

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