吉牛水電站庫區地質災害調查新技術應用

巨 淑 君， 高 志 良， 高 強， 彭 濤， 劉 恒

(國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

水電站庫區兩岸邊坡在受到降雨和庫水位相互作用的持續影響、人類工程活動不斷加劇、極端天氣頻繁出現等造成的地質災害高發、頻發。例如四川耿達龍潭水電站因上游泥石流爆發，洪水漫壩，造成下游居民緊急轉移，產生了負面的社會影響。因此，水電站庫區地質災害隱患點排查識別成了電站管理不可缺少的重要內容。如何將水電站庫區的地質災害隱患點快速、精準地排查識別出來成了水電站安全管理的一大難題。近年來，政府部門也加大了對地質災害的隱患排查和防治投入，提出要科學高效地建立地質災害防御體系，將微波遙感、三維激光掃描等新技術引入到地質災害調查中。隨著計算機、通訊技術的發展，相比傳統的人工調查，新興技術在“即時性、客觀性、準確性、全面性”等方面具有巨大的優勢，是科學、高效的地質災害早期識別不可或缺的必要手段。例如無人機航拍技術可以從不同角度獲取飛行信息數據，從多種方向進行成像，構建三維影像模型[1]。無人機機載Lidar檢測技術能夠“穿透”地表植被，獲取真實地表數字高程模型(DEM)，計算出地質災害的關鍵特征參數[2]。

采用機載激光掃描(LiDAR)和無人機航拍技術對吉牛水電站樞紐區及庫區進行地質災害隱患調查，獲得隱患點信息，明確庫岸邊坡的管控方向。這兩項技術的應用不僅積極響應了國家政策，也符合大渡河流域地質災害防治需求，同時也能夠為其他水電站地質災害防治提供理論實踐和技術參考，并有望取得較大的經濟和社會效益。

1 應用技術

1.1 無人機傾斜攝影測量檢測技術

無人機數字攝影測量技術(UAV photography)是以無人機為平臺，采用數字攝影測量為手段的測繪技術，隨著技術演化發展又分為傳統垂直航空攝影測量和傾斜攝影測量。傳統的航空攝影測量主要用于地形圖測繪工作，是將航拍設備垂直對地獲取數字影像，經過空間三維解算利用立體相對三維成像繪制測區地形圖(DLG)，并可得到測區正射影像圖(DOM)；傾斜攝影測量技術是測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術，通過垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取物體更為完整準確的信息。不僅真實地反應地物情況，而且可通過先進的定位技術，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息，這種以“全要素、全紋理”的方式來表達空間物體，直觀立體的三維模型使地質災害全信息再現，傾斜攝影技術是今后地質災害三維建模的一個重要發展方向[3]。

1.2 無人機載Lidar檢測技術

無人機載LiDAR技術是一種安裝在無人機上的激光測距系統，可以測量地面物體的三維坐標，具有自動化程度高、數據生產周期短、精度高、能穿透植被等特點，是衛星光學遙感和無人機低空攝影測量技術的有益補充。該技術快速獲取高精度地面三維空間信息，和高分辨率光學影像，其最大的技術優勢是激光雷達主動發射多回波激光束，能一定程度的“穿透”地表植被，獲取地面真實地形特征(見圖1)，通過二維影像、三維空間數據綜合分析，可以實現對隱蔽性災害的識別與信息提取。

圖1 機載LiDAR技術獲取地面真實地形特征原理

2 應用成果

2.1 地質災害調查環境及調查要求

吉牛水電站位于革什扎河干流上，上閘址位于獨狼溝匯口下游約600 m，集水面積2 252 km2，廠房位于大渡河干流(大金川)與革什扎河匯口以上約200 m。革什扎河是大渡河上游右岸一級支流，位于四川省西部，屬岷山、邛崍山高山區，流域北與太陽河、俄日河分水，東與大渡河為臨，西與雅礱江支流鮮水河為界，南與東谷河相望，域內群山屹立，河谷深切，嶺谷相對高差達1 000～2 500 m。

吉牛水電站為低閘引水式電站，由首部樞紐、引水系統、廠房樞紐組成。水庫正常蓄水位2 378.00 m，總庫容197.5萬m3，具有日調節性能。引水隧洞全長22.377 km，額定引用流量60.28 m3/s。電站裝機2臺，總裝機容量240 MW，為單一發電工程，無灌溉、防洪等要求，并兼顧下游環境景觀用水要求。閘址區物理地質現象主要表現為巖體風化、卸荷及岸坡崩塌。兩岸谷坡特別是陡立基巖，岸坡巖體受結構面的不利組合及卸荷影響，形成局部不穩定巖塊，偶有崩塌、掉塊現象，崩塌物主要堆積于兩岸谷坡坡腳部位。

調查區域主要為丹巴縣的革什扎河干流庫區沿岸及大渡河干流(大金川)與革什扎河匯口附近，調查區域總面積約26 km2。調查路線沿革什扎河獨狼溝，然后經由大渡河干流(大金川)與革什扎河匯口。調查內容主要包括沿線主要地質災害點分布、災害點性質、大小、對庫區和大壩的危害性、災害的影響范圍、可能造成的生命財產損失等。

2.2 技術要求及工程流程

2.2.1 精度要求

無人機傾斜攝影選用國家統一坐標系進行地面控制測量，控制點指標應滿足測圖需求。航攝實施階段應滿足航空管制要求，制定詳細的飛行計劃并制定應急預案，必要時應準備多處備降場地。在具體實施過程中應注意監測風力變化[4]。

成果精度主要從數據處理，如點云植被穿透力，點云間整體重疊度來評判。由于滑坡體表面植被較多，對三維激光掃描儀的穿透力要求較高，為保證滑坡體全覆蓋精確掃描，選用rigel vz2000i型號三維激光掃描儀，該型號掃描儀擁有多目標識別功能，基于回波數字化、實時波形處理及多波束收發處理技術進行精準測量，從而具備了高透射能力的基礎。植被穿透情況見圖2，點云拼接精度為4 mm，詳見圖3。

圖2 點云數據植被穿透情況

圖3 點云拼接精度情況

2.2.2 數據獲取

無人機切斜攝影航線設計地面分辨率為0.2 m，航高為80～150 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。航攝完成后在現場對 POS 數據和航攝影像進行檢查和整理，確保 POS 信息無遺漏，影像清晰，共獲得有效原始影像68 984張。無人機航攝中采用連接 CORS網絡的PPK作業模式。

LiDAR 數據獲取方式采用精準地形跟隨飛行的作業模式。在確保作業安全的情況下，根據現場情況統一航線對地表保持固定飛行高度80～150 m，確保激光對植被的穿透能力及均勻的地面分辨率，數據采集按照1∶500～1∶2000比例尺進行。為了進一步分析 LiDAR 技術的植被“穿透”能力，提取了研究區部分區域的 LiDAR 點云數據，并對點云數據提取剖面圖[5]。

2.2.3 工作流程

整個工作流程分為收集資料、制定航攝方案、系統檢校、數據獲取、數據解算及處理等，工作流程見圖4。

圖4 工作流程

2.3 新技術普查成果

通過調查，吉牛水電站庫區的潛在地質災害隱患點主要有6個，分別為庫區泄洪處邊坡、5號堆渣體不穩定斜坡、6號堆渣體不穩定斜坡、8號堆渣體不穩定斜坡、蝶閥室滑坡和廠房泄洪處邊坡地質災害點分布見圖5和表1。調查區的巖性可以概括為變質砂巖、板巖、灰巖、頁巖、白云巖、玄武巖六類。將災害點與巖性圖層進行統計分析，可見區域內的地質災害在各類巖層中均較發育，實際調查表明，侵入巖體的硬質巖容易形成崩塌地質災害，陡峭斜坡上發育危巖體的數量較多，在受到強風化作用后被剝蝕為小顆粒而形成溜砂坡的數量也較多；而巖性相對較軟的巖石，容易形成不穩定斜坡和局部垮塌等地質災害。

圖5 吉牛水電站庫區地質災害調查點分布圖

表1 庫區災害點傾斜攝影精度

下面著重論述蝶閥室滑坡。

蝶閥室滑坡位于革什扎河口上游約0.5 km的聶呷鄉甲居村區域邊坡中上部高程位置、蝶閥室交通洞洞口上部，邊坡附近無人員居住。中上部變形強烈的基巖邊坡地形陡峻，自然坡度40°～50°，局部達55°，而下游側、下部邊坡坡度較緩，地形相對較低，導致基巖邊坡在地形上相對較凸起，形成頭重腳輕的形態，下部支撐力不足，具備下滑的空間。坡面及坡腳形態完好，未見開裂、鼓包等現象，位于15號路高程2187～2270m間，存在一定程度的變形跡象，具體表現為框格梁及擋墻的錯位，滑坡體所處區域坡體有蠕滑跡象，滑移控制面(帶)可能為沿基覆界線或一定深度的全、強風化巖體順層滑移，需實時掌握邊坡變形狀態及發展趨勢，滑坡全貌見圖6。

圖6 蝶閥室滑坡全貌圖

滑坡體有明顯2處裂隙，東西方向分布。①號寬度約25～50 cm，長12～16 m；后緣基巖出露，坡度較陡，后緣以基巖出露為界，地形上表現為陡緩交界；左右邊界均以基巖為界；前緣至北側大渡河河谷，滑坡影像解譯見圖7。

圖7 蝶閥室滑坡影像解譯圖

3 結 語

應用無人機傾斜攝影和機載lidar技術對吉牛水電站庫區岸坡的地質災害隱患點進行調查，明確了6個災害隱患點的范圍、大小、發展形態等，為水電站庫區管理提供了一定的數據支撐，也為地質災害管控提高了針對性。無人機傾斜攝影和機載lidar技術不僅能夠快速提供高分辨率、高精度的地形地貌影像和實景三維模型，還能夠取代人工開展一定的地質災害核查工作，減少人力的投入，規避人工作業風險，是地質災害防災減災工作一種重要途徑。