吉牛水電站庫區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查新技術(shù)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(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

水電站庫區(qū)兩岸邊坡在受到降雨和庫水位相互作用的持續(xù)影響、人類工程活動不斷加劇、極端天氣頻繁出現(xiàn)等造成的地質(zhì)災害高發(fā)、頻發(fā)。例如四川耿達龍?zhí)端娬疽蛏嫌文嗍鞅l(fā)，洪水漫壩，造成下游居民緊急轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了負面的社會影響。因此，水電站庫區(qū)地質(zhì)災害隱患點排查識別成了電站管理不可缺少的重要內(nèi)容。如何將水電站庫區(qū)的地質(zhì)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(zhì)災害的隱患排查和防治投入，提出要科學高效地建立地質(zhì)災害防御體系，將微波遙感、三維激光掃描等新技術(shù)引入到地質(zhì)災害調(diào)查中。隨著計算機、通訊技術(shù)的發(fā)展，相比傳統(tǒng)的人工調(diào)查，新興技術(shù)在“即時性、客觀性、準確性、全面性”等方面具有巨大的優(yōu)勢，是科學、高效的地質(zhì)災害早期識別不可或缺的必要手段。例如無人機航拍技術(shù)可以從不同角度獲取飛行信息數(shù)據(jù)，從多種方向進行成像，構(gòu)建三維影像模型[1]。無人機機載Lidar檢測技術(shù)能夠“穿透”地表植被，獲取真實地表數(shù)字高程模型(DEM)，計算出地質(zhì)災害的關鍵特征參數(shù)[2]。

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

1 應用技術(shù)

1.1 無人機傾斜攝影測量檢測技術(shù)

無人機數(shù)字攝影測量技術(shù)(UAV photography)是以無人機為平臺，采用數(shù)字攝影測量為手段的測繪技術(shù)，隨著技術(shù)演化發(fā)展又分為傳統(tǒng)垂直航空攝影測量和傾斜攝影測量。傳統(tǒng)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(shù)字影像，經(jīng)過空間三維解算利用立體相對三維成像繪制測區(qū)地形圖(DLG)，并可得到測區(qū)正射影像圖(DOM)；傾斜攝影測量技術(shù)是測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，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(shù)，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(zhì)災害全信息再現(xiàn)，傾斜攝影技術(shù)是今后地質(zhì)災害三維建模的一個重要發(fā)展方向[3]。

1.2 無人機載Lidar檢測技術(shù)

無人機載LiDAR技術(shù)是一種安裝在無人機上的激光測距系統(tǒng)，可以測量地面物體的三維坐標，具有自動化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高、能穿透植被等特點，是衛(wèi)星光學遙感和無人機低空攝影測量技術(shù)的有益補充。該技術(shù)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(shù)優(yōu)勢是激光雷達主動發(fā)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(shù)據(jù)綜合分析，可以實現(xiàn)對隱蔽性災害的識別與信息提取。

圖1 機載LiDAR技術(shù)獲取地面真實地形特征原理

2 應用成果

2.1 地質(zhì)災害調(diào)查環(huán)境及調(diào)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(qū)，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(nèi)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(tǒng)、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(diào)節(jié)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(fā)電工程，無灌溉、防洪等要求，并兼顧下游環(huán)境景觀用水要求。閘址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)面的不利組合及卸荷影響，形成局部不穩(wěn)定巖塊，偶有崩塌、掉塊現(xiàn)象，崩塌物主要堆積于兩岸谷坡坡腳部位。

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

2.2 技術(shù)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(tǒng)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(jiān)測風力變化[4]。

成果精度主要從數(shù)據(jù)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(shù)字化、實時波形處理及多波束收發(fā)處理技術(shù)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(shù)據(jù)植被穿透情況

圖3 點云拼接精度情況

2.2.2 數(shù)據(jù)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(xiàn)場對 POS 數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的PPK作業(yè)模式。

LiDAR 數(shù)據(jù)獲取方式采用精準地形跟隨飛行的作業(yè)模式。在確保作業(yè)安全的情況下，根據(jù)現(xiàn)場情況統(tǒng)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(shù)據(jù)采集按照1∶500～1∶2000比例尺進行。為了進一步分析 LiDAR 技術(shù)的植被“穿透”能力，提取了研究區(qū)部分區(qū)域的 LiDAR 點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)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(tǒng)檢校、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解算及處理等，工作流程見圖4。

圖4 工作流程

2.3 新技術(shù)普查成果

通過調(diào)查，吉牛水電站庫區(qū)的潛在地質(zhì)災害隱患點主要有6個，分別為庫區(qū)泄洪處邊坡、5號堆渣體不穩(wěn)定斜坡、6號堆渣體不穩(wěn)定斜坡、8號堆渣體不穩(wěn)定斜坡、蝶閥室滑坡和廠房泄洪處邊坡地質(zhì)災害點分布見圖5和表1。調(diào)查區(qū)的巖性可以概括為變質(zhì)砂巖、板巖、灰?guī)r、頁巖、白云巖、玄武巖六類。將災害點與巖性圖層進行統(tǒng)計分析，可見區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災害在各類巖層中均較發(fā)育，實際調(diào)查表明，侵入巖體的硬質(zhì)巖容易形成崩塌地質(zhì)災害，陡峭斜坡上發(fā)育危巖體的數(shù)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(shù)量也較多；而巖性相對較軟的巖石，容易形成不穩(wěn)定斜坡和局部垮塌等地質(zhì)災害。

圖5 吉牛水電站庫區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查點分布圖

表1 庫區(qū)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(xiāng)甲居村區(qū)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(cè)、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(tài)，下部支撐力不足，具備下滑的空間。坡面及坡腳形態(tài)完好，未見開裂、鼓包等現(xiàn)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(xiàn)為框格梁及擋墻的錯位，滑坡體所處區(qū)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(tài)及發(fā)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(xiàn)為陡緩交界；左右邊界均以基巖為界；前緣至北側(cè)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(jié) 語

應用無人機傾斜攝影和機載lidar技術(shù)對吉牛水電站庫區(qū)岸坡的地質(zhì)災害隱患點進行調(diào)查，明確了6個災害隱患點的范圍、大小、發(fā)展形態(tài)等，為水電站庫區(qū)管理提供了一定的數(shù)據(jù)支撐，也為地質(zhì)災害管控提高了針對性。無人機傾斜攝影和機載lidar技術(shù)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(zhì)災害核查工作，減少人力的投入，規(guī)避人工作業(yè)風險，是地質(zhì)災害防災減災工作一種重要途徑。