基于無人機傾斜攝影三維實景建模技術的特大橋橋臺選址研究*

高 楊 李明智 漆小秋

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081; 2.廣西交通設計集團有限公司 南寧 530029)

在陡崖區域進行地形測量和地質調查，難度大風險高。陡崖高陡岸坡巖體受重力作用大，易于產生張性裂隙，進而導致巖體崩塌，甚至錯落。在深切峽谷區域修建特大橋，橋基岸坡穩定性評價至關重要[1]。通常陡崖前緣巖體穩定性一般較差，若橋梁墩臺等結構物選址過于靠近陡崖，其長期穩定性得不到保障，而墩臺選址過于遠離陡崖，則會導致橋梁跨徑、投資規模的增加和工期延長，因此，高山峽谷區橋梁岸坡的穩定性直接關系到橋梁位置的選擇,甚至影響道路選線[2]。

故安全合理的墩臺選址是控制橋梁跨徑和工程投資的關鍵因素。受到陡崖地形條件的限制，常規的斷面測量工作無法全面、直觀和真實地反映墩臺與陡崖的平面、空間位置關系，陡崖地區地形圖等高線基本重疊，誤差較大，這些給墩臺選址帶來了極大的不確定性。隨著測繪科技的發展，遙控無人飛機低空航空攝影測繪技術已日趨成熟[3-4]，地面遙控無人機低空飛行，攜帶數字彩色航攝相機等設備可快速獲取地表信息，獲取超高分辨率數字影像和高精度定位數據，拍攝影像清晰、分辨率高、現勢性好[5-6]。用于地形圖測繪和制作三維模型效果良好，且精度較高。應用無人機航拍地形建模技術可規避測量工作者在陡崖地形條件下進行測量工作的困難和危險，同時具有高精度、可視化等特點，可為深切峽谷區陡崖地形特大橋梁墩臺基礎岸坡穩定性評價、選址及優化等問題提供可靠的數據支撐。

1 工程概況

擬建某特大橋位于貴州省與四川省交界部位，為跨越“U”形峽谷而設，主跨為575.5 m的獨塔雙索面鋼主梁斜拉橋，橋型布設效果見圖1。該峽谷區地形、地質條件極為復雜。貴州岸橋臺(0號橋臺)前緣陡崖，陡崖高度40～60 m，陡崖近直立發育，陡崖前緣裂隙發育，0號橋臺橋基岸坡的穩定性與選址是橋梁方案布設的關鍵問題。布設共有2個方案：方案一，橋臺(樁號K0+047.0-K0+057.4)與陡崖崖口最小距離約為12.6 m，距離過小，建設風險高。方案二，橋臺(樁號K0+035.0-K0+045.4)距離崖口最小距離為19.8 m。

圖1 橋型布設效果圖

2 無人機傾斜攝影三維實景建模技術

無人機傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，它克服了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從5個(1個垂直、4個傾斜)等不同的角度采集影像，可將用戶引入符合人眼視覺的真實直觀世界。其工作流程如下。

1) 現場像控點制作。控制點直接影響測繪的精度，本次勘測采用實時動態(real-time kinernatic,RTK)載波相位差分技術，制作像控點，控制點均勻布置在場區范圍內，每個控制點間距300 m左右，整個場區控制點10個，并制作了5個點作為精度檢查點。

2) 影像采集。影像數據采集采用大疆精靈4pro系列無人機，相機像素2 000萬，關鍵采集參數為：旁向重疊度70%，航向重疊度80%，航高根據地形分塊設置，相對地面航高100 m，共獲取影像610張。

3) 實景模型建立。現階段主流建模軟件有：photoscan、pix4d、contextcapture、photomesh等，本次采用contextcapture進行傾斜攝影三維模型的重建，重建后的橋區三維實景模型見圖2。

圖2 橋區三維實景模型

4) 地形數據獲取。為進一步進行定量分析，通過實景模型采集現場地形數據，使用立體測量的方法，獲取現場地形，并通過檢查點獲取地形的誤差，得到5個檢查點最大誤差為平面8 cm，高程15 cm，能滿足設計精度要求。

3 貴州岸0號橋臺岸坡穩定性評價

在充分調研和綜合分析研究貴州岸陡崖地形、地質條件，以及巖體力學環境條件的基礎上，遵循地質定性分析與定量評價相結合的穩定性評價思路[7-8]，根據評價結論進行0號橋臺選址、優化。

3.1 工程地質條件

貴州岸0號橋臺與陡崖位置關系實景正視圖見圖3。通過建立貴州岸0號橋臺的三維實景模型，提取模型坐標數據，0號橋臺與陡崖平面位置關系見圖4。

圖3 貴州岸0號橋臺與陡崖位置關系實景正視圖

圖4 橋臺與陡崖平面位置關系

該處地層巖性為奧陶系下統湄潭組(O1m)灰巖，局部夾泥巖。未發育斷裂構造，地震動反應頻譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度為VI度。陡崖區域發育2組規律性節理面：J1:240°∠86°、J2:285°∠76°。J1、J2均為張性節理，結合程度差。卸荷裂隙是較硬/硬質巖地區常見的地質現象，對岸坡穩定性影響較大，通過槽探、物探及三維實景模型勘測，陡崖區域貫穿性裂隙發育情況見圖5。

圖5 貫穿性裂隙發育情況

3.2 潛在變形破壞模式

調查陡崖周邊巖體變形破壞形式并與其他工程類比，發現小規模崩塌、大規模傾倒破壞是其典型的破壞模式。

1) 崩塌。陡崖上部為灰巖，抗風化能力強，下部為粉砂質泥巖，吸水易軟化，失水易干裂，構成軟弱基座，抗風化能力弱，易風化剝落并形成“凹巖腔”，導致上部灰巖出現臨空，底部失去支撐，上部灰巖失去支撐后易在重力作用下拉裂，發生崩塌，陡崖巖體崩塌失穩照片見圖6，崩塌破壞發生于風化巖體，規模較小。

圖6 巖體崩塌

2) 傾倒。貫穿性裂隙切穿巖體與“凹巖腔”雙重作用下，巖體逐步向臨空方向發生位移，失去支撐，并向臨空方向傾倒破壞，脫離母巖，其規模較大，巖體傾倒破壞照片見圖7。這種破壞模式對橋基影響極大，墩臺選址應避開貫穿性裂隙。方案一、方案二橋臺均避開了貫穿性裂隙發育區，避免了發生大規模傾倒的可能。

圖7 巖體傾倒

3.3 橋基岸坡穩定性工程地質分析

通過三維實景模型提取的高精度地形數據，繪制了0號橋臺左12 m軸線、中軸線、右12 m軸線及橫橋向左45°橋臺橫斷面(與陡崖距離最小斷面)。選取巖體破裂角45°+φ/2=45°+52°×0.85×0.5=67°，繪制得方案一、方案二0號橋臺與巖體破裂角關系，見圖8。

圖8 方案一、二下0號橋臺與巖體的破裂角

由圖8可知，沿橋軸線方向，方案一、方案二0號橋臺均位于破裂角外。橫橋向，方案一0號橋臺位于破裂角影響范圍內，方案二0號橋臺位于破裂角影響范圍外。

3.4 離散元數值分析

巖體發生破壞往往沿巖體中的結構面發生，特別是沿巖體中張開的節理，張開的節理破壞了巖體的完整性與連續性，為降雨入滲提供了有利的通道，加速了巖體的風化。因此，從力學角度分析巖體張節理分布區域是十分必要的。

為模擬自重應力作用下陡崖區域巖體張節理分布情況，采用以巖石塊體、結構面為基本單元的離散元法，建立橋軸線左12 m、橫橋向離散元計算模型，其中橫橋向(左側45°夾角方向)橋臺與陡崖距離最小，計算模型見圖9。

圖9 離散元計算模型(橫橋向距離陡崖最小斷面)

結構面選取層面和規律結構面J1(陡崖面)，層面和規律結構面J1將計算模型切割為10 477個單元。巖石塊體、結構面均采用摩爾-庫侖本構模型，計算所采用的參數見表1。

表1 巖塊及結構面參數

張節理分布區巖體完整性和連續性差，易發生崩塌破壞，穩定性差。自重應力平衡后，縱橋向張節理分布圖見圖10，張節理分布區為陡崖前緣20 m，特別是10～15 m裂隙貫通率高。橫橋向(左側45°夾角方向)張節理分布圖見圖11，陡崖前緣15 m范圍內為張節理分布區且貫通率高。為保障橋臺長期穩定，縱橋向橋臺選址應滿足橋臺與陡崖距離大于20 m，且橫橋向橋臺與陡崖距離大于15 m。計算得到縱橋向方案一、方案二均滿足要求，但橫橋向方案一0號橋臺位于裂隙發育帶內，其長期穩定性得不到保障。

圖10 縱橋向張節理分布圖

圖11 橫橋向張節理分布圖(左側45°夾角方向)

3.5 橋臺岸坡穩定性有限元計算

采用有限元法可計算得巖體完整性主控下岸坡穩定性系數。以橫橋向(左側45°夾角方向)示意，計算模型見圖12，0號橋臺荷載豎向荷載N為102 560 kN，簡化為均布荷載后為407.5 kN/m2，巖土物理力學參數取值見表2。

自重工況采用自然狀態下巖土物理力學參數，暴雨工況采用飽和狀態下巖土物理力學參數，計算結果見表3、圖13。

由計算結果可見，方案一(距離陡崖最小斷面)橋梁荷載作用下橫橋向穩定性不滿足安全系數控制標準[7]。

圖12 方案一計算模型(左側45°夾角方向)

圖13 穩定性計算結果(橫橋向方案一、工況2，k=1.15)

表3 有限元計算穩定性系數一覽表

4 結論

1) 無人機傾斜攝影三維實景建模技術，可獲取現場實景三維模型與陡崖高精度地形測量結果，為陡崖岸坡穩定性評價、橋梁墩臺選址提供精確的地形數據，可視化效果好。

2) 方案一貴州岸0號橋臺距離陡崖最小距離僅12.6 m，橋臺位于巖體破裂角影響范圍內，0號橋臺長期穩定性差，不適宜墩臺建設。

3) 方案二貴州岸0號橋臺距離陡崖最小距離為19.8 m，橋臺在巖體破裂角影響范圍外，橋臺位置中風化基巖連續，長期穩定性好，適宜墩臺建設。

4) 綜合分析，貴州岸0號橋臺宜選址K0+035(方案二)，且已不具備前移空間，是安全、經濟的墩臺選址位置。