基于傾斜攝影技術的高位崩塌調查與數值模擬分析
——以柴埠溪峽谷口崩塌為例

陳夢源, 李慧娟*, 李 喜, 劉 暢, 潘 峰, 丁旭峰, 余 杰, 張文廣

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 3.華中科技大學 土木與水利工程學院,湖北 武漢 430034)

高位崩塌是一種隱患部位具有隱蔽性,失穩(wěn)破壞具有突發(fā)性,致災后果具有災難性的地質災害,嚴重威脅著山區(qū)群眾的生命財產安全。受高位地形條件限制,傳統(tǒng)接觸式、單點式的實地調查難以開展,同時由于落石運動軌跡復雜,分析預測和防治難度大。

近年來,無人機傾斜攝影技術不斷發(fā)展,不僅降低了生產成本,而且還大幅提高了工作效率[1-2],憑借非接觸、靈活性強、精度高等特點[3],在地質災害相關領域廣泛應用。Piras et al.[4]、朱磊[5]將傾斜攝影技術運用于傳統(tǒng)調查中,取得了良好的效果;鄭史芳等[6]、鐘昊楠等[7]借助該技術提升了監(jiān)測預警的精度和效率;趙博等[8]、管建軍等[9]、賈虎軍等[10]利用獲取的DOM、三維模型數據提高了調查評價精度和隱患識別水平。

崩塌調查一般包括現狀調查和危害分析兩方面。通過傾斜攝影技術呈現的高清晰度、高精度三維實景模型[11],可實現崩塌及危巖體結構特征的調查[12-14];數值模擬則是崩塌危害分析的有效手段,其中二維模擬運用最為廣泛[15-17],但不能還原崩塌周邊環(huán)境條件,無法比擬三維模擬對影響范圍、優(yōu)勢路徑和到達概率的真實預測。因此,本文基于傾斜攝影技術,對柴埠溪峽谷口崩塌(1)陳夢源，李慧娟，馬嵐等，漁洋河流域地質災害詳細調查成果報告，2021。,開展精細調查,并進行落石運動軌跡的三維數值模擬分析。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)遙感地質圖

研究區(qū)斜坡相對高差320～440 m,坡度40°～60°,局部近直立。由于柴埠溪峽谷口崩塌為高位崩塌,兩側山體陡峻,調查人員難以安全實現全坡面的地質調查,且無法實地開展崩塌及危巖體的結構面信息采集;同時,崩塌下方谷底公路為柴埠溪峽谷唯一進出通道,對景區(qū)游客及柴埠溪村居民出入安全造成極大的威脅。因此,查清崩塌及潛在危巖體部位,確定其影響范圍,能夠為研究區(qū)防災減災提供可靠的地質依據。

2 無人機高精度三維建模

2.1 傾斜攝影數據采集

研究區(qū)地形條件復雜,山體陡峭且高程落差較大。在無人機仿地飛行中,崖壁部位易受航攝盲區(qū)影響,造成死角或者匹配點位不足,導致模型出現空洞和扭曲,而這些區(qū)域往往是崩塌調查的重點區(qū)域。故研究采用無人機手遙垂直分層、貼近攝影的方式,對裸露的陡崖、陡壁進行補攝,并與仿地飛行影像進行合并建模。

航攝采集影像分辨率越高,覆蓋面越全,生成的三維模型空洞、扭曲等缺陷就越少,模型清晰度越高。同時,由于提取高差、體積、結構面產狀等定量信息時,進行的是相對幾何計算,具有更高的清晰度,也更利于巖體紋理及節(jié)理裂隙等細部特征的辨認和測量。因此,可以有效提升崩塌信息采集的準確性。

2.2 影像處理關鍵技術

內業(yè)影像處理采用Context Capture圖形軟件完成,關鍵技術包括空三加密、影像匹配、紋理映射、模型生成等。通過自動選取最佳像對模型(圖2),構建三維密集點云,轉化為不規(guī)則三維TIN網(圖3),計算空間幾何關系,實現TIN模型的平滑和優(yōu)化,匹配最佳視角影像完成紋理映射(圖4),最終形成紋理準確清晰、數學精度合適的研究區(qū)實景三維模型(圖5)。

圖2 建立立體相對

圖3 三維TIN網

圖4 紋理映射

圖5 研究區(qū)三維模型

3 崩塌及危巖體調查分析

3.1 模型特征提取方法

研究采用圖新地球(LocaSpace Viewer)(圖6)及成都理工大學學生團隊開發(fā)的無人機傾斜攝影產狀測量軟件(圖7)開展崩塌特征提取及危巖體辨識分析。圖新地球平臺可測量絕對高程、相對高差、平面距離、面積、坡度、坡向等,產狀測量軟件可獲取地層產狀、裂隙產狀等,二者結合能夠較為全面地實現三維模型地質信息提取。

圖6 圖新地球高差坡度測量

圖7 產狀測量軟件結構面測量

產狀測量是利用結構面不在同一條直線上的多個特征點(不少于3個)進行三維坐標計算得出。特征點的選取應盡量構成較大范圍,可有效降低傾向和傾角的誤差。其原理如下:

根據采集的特征點的三維坐標信息建立坐標方程:

(1)

通過最小二乘算法進行計算,得到結構面擬合平面的方程式:

Z=AX+BY+C

(2)

其中,A、B、C為平面方程參數,A、B不能同時為0,平面法向量為{A,B,1}。根據平面方程參數可以計算結構面傾角α與傾向β,得到結構面產狀α∠β,具體公式如下:

(3)

(4)

(5)

當A>0時,β=β0+π

(6)

3.2 崩塌調查分析

柴埠溪峽谷口崩塌始發(fā)于2020年7月,主崩方向為10°,初步估算崩塌源相對地面高差超過300 m,屬高位崩塌。由于現場已采取應急處置,僅斜坡坡腳可見少量塊石土堆積(照片1),塊石直徑多為20～40 cm,公路外側最大崩落塊石體積為1.5×2.1×1.5 m3(照片2)。受落石影響,谷底公路可見多處砸坑,最大直徑達1 m,深度約5 cm。

通過三維模型呈現的影像色彩和紋理結構,對柴埠溪峽谷口崩塌特征進行解譯分析。首先可以明顯識別出崩塌源位置,巖體破壞失穩(wěn)后,出露的褐色含泥質裂隙面與附近青灰色巖層表面具有明顯差異(圖8)。利用圖新地球測量可知,崩塌源位于柴埠溪大峽谷景區(qū)谷底公路上方330 m處,海拔高度為615 m。該處斜坡上陡下緩,上部陡崖呈60°～80°近直立狀,下部為陡坡地形,坡度在30°～45°。崩塌巖腔附近的巖面光滑平整,整體呈規(guī)則立方體型,底面較平緩,順坡向呈15°左右,后壁及側壁近垂直與底面相切,分析判斷該處巖體受到三組結構面控制,其中一組緩傾向坡外,與另兩組近直立正交。根據崩塌源邊界條件,測得崩落體規(guī)模為長3.5 m、厚2.8 m、高7.6 m,計算得到本次塌落方量為74.5 m3。崩落體在墜落、彈跳、滾動過程中,不斷解體破碎,同時強大的沖擊力帶動斜坡下部表層土體發(fā)生短距離的滑動破壞,形成一條十分明顯的落石軌跡,總體呈直線型,長約430 m,寬70～100 m(圖9)。

照片1 坡腳崩落塊石堆積體

照片2 路邊崩落孤石

圖8 崩塌源位置三維模型

圖9 柴埠溪峽谷口崩塌三維模型

綜合區(qū)域地質環(huán)境條件和上述調查結果,認為該崩塌形成有以下原因:①早期由于坡體中構造裂隙持續(xù)的擴展延伸,以及卸荷裂隙的不斷發(fā)育,巖體受結構面切割形成危巖體;②在持續(xù)強降雨影響下,巖體自重增大,且雨水入滲到后壁垂向裂隙中,靜水壓力不斷增高,導致裂隙結構面進一步張開,與底部緩傾結構面形成貫通,最終失穩(wěn)發(fā)生傾倒破壞。

3.3 危巖體識別分析

為充分查清柴埠溪峽谷口崩塌的危險性,進一步對研究區(qū)內危巖體進行識別。柴埠溪峽谷口北側斜坡距崩塌源直線距離約300 m,斜坡平均坡度為55°,整體上陡下緩,上部陡崖坡度為70°～80°,下部陡坡坡度為40°～45°,坡向為186°,巖性為巨厚層狀灰質白云巖,強—中風化。通過產狀測量軟件提取巖體結構面信息,并繪制密度圖及玫瑰花圖(圖10-圖11),共獲取4組結構面:①裂隙組L1:整體產狀為127°∠66°,多呈閉合狀,局部張開,有泥質充填,間距為3～25 m/條不等,最大可見長123 m(圖12-a);②裂隙組L2:整體產狀為300°∠73°,多呈閉合狀,間距為3～12 m/條不等,最大可見長21 m(圖12-b);③裂隙組L3:整體產狀為267°∠87°,多呈張開狀,裂隙多不充填,間距一般為5～8 m/條(圖12-c);④層面D:巖層整體產狀為165°∠16°,層厚1.7～6.4 m,為巨厚層狀(圖12-d)。結構面的發(fā)育及組合關系對危巖體的形成起著至關重要的作用,分析可知,L1與L2正交,L3與L1、L2互切,導致斜坡巖體結構較破碎,形成楔形或其他形狀的危巖體。

圖10 北側斜坡裂隙密度圖

圖11 北側斜坡裂隙玫瑰花圖

圖12 北側斜坡結構面解譯

根據三維模型解譯分析,結合現場調查,北側斜坡共識別危巖體3處,分布在斜坡上部470～600 m范圍,均呈近長方體狀,從高到低依次劃分為危巖體W1、W2和W3(圖13),主要特征見表1,3處危巖體總方量約0.33×104m3,主崩方向為200°,主要威脅柴埠溪大峽谷風景區(qū)谷底公路。

表1 危巖體特征一覽表

圖13 北側斜坡三維模型

研究表明,危巖體穩(wěn)定性主要受結構面切割關系控制。因此,根據裂隙組(L1、L2、L3)產狀、層面(D)產狀以及斜坡坡向、坡面(P)坡度繪制赤平投影(圖14),可初步分析危巖體穩(wěn)定性。由于L1與L2、L3的交點均位于P的外側,說明其組合交棱線傾向與坡向一致,且傾角小于坡角,為不穩(wěn)定切割關系;同理,L1、L2、L3與D均為不穩(wěn)定切割關系;由于L2與L3組合交棱線傾向和與坡向相反,其切割關系相對穩(wěn)定。初步判斷,W2危巖體現狀基本穩(wěn)定,而W1、W3危巖體目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在降雨、凍融和風化作用下,更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖14 北側斜坡赤平投影

4 崩塌運動模擬分析

4.1 崩塌反演模擬

本次研究采用RAMMS_ROCKFALL數值模擬軟件,RAMMS采用剛體力學模型,其主要優(yōu)勢是可以定義任意三維多面體的巖石形狀,地表材質模擬同時引入森林阻力的概念,加強了落石模型和真實環(huán)境的構建,可以更接近于模擬巖石墜落時的運動學特征。

落石模擬分析時,DEM精度、崩塌源的確定以及地表材質的設置對模擬結果的準確性影響較大。本次模擬采用傾斜攝影獲取的DSM經濾波、自然鄰域插值、卷積重采樣后最終得到DEM數據,柵格精度為1 m×1 m,滿足實際應用需求[18]。崩塌源位置根據三維模型分析結合現場調查確定。地表材質采用反演模擬的方法確定,先根據現場調查確定環(huán)境條件分區(qū),然后進行材質試算模擬(圖15),當模擬結果與現場調查情況吻合時,認為該模擬環(huán)境條件與實際情況相符。

圖15 模擬環(huán)境條件

結合本次崩塌調查結果,以谷底公路外側1.5×2.1×1.5 m3落石(照片2)為樣本,進行材質反演模擬,將陡崖區(qū)域環(huán)境參數設置為“Extra Hard”、斜坡下部陡坡取“Medium Hard”并添加“Medium Forest”森林阻力、河漫灘裸地環(huán)境參數取“Soft”。崩塌運動軌跡模擬結果如圖16所示,落石部分穿過公路落在河漫灘上,部分停止在谷底公路上,而落石模擬路徑的分布范圍與正射影像中崩塌落石軌跡十分吻合。從崩塌運動軌跡模擬剖面圖(圖17)可以看出,落石在斜坡上部陡崖以跳躍為主,進入下部陡坡后轉為滾動,這與現場調查發(fā)現斜坡下部植被發(fā)生傾覆的情況一致。綜上分析認為,本次模擬的環(huán)境參數與研究區(qū)實際情況相符,可以作為危巖體墜落模擬的環(huán)境條件。

圖16 崩塌運動軌跡模擬動能圖

圖17 崩塌運動軌跡模擬剖面圖

4.2 危巖體墜落模擬及分析

柴埠溪河谷內崩落塊石尺寸一般為3～5 m3,故選取3 m3、5 m3兩種落石規(guī)模,以北側斜坡3處危巖體位置為崩塌源,進行落石運動軌跡三維數值模擬。落石模擬環(huán)境條件如上節(jié)所示,為全面反映不同形狀落石可能的運動過程,分別設置近立方體狀、扁平狀和長柱狀3種形狀的虛擬落石各10塊,運動軌跡模擬如圖18-圖19所示。

圖18 落石運動軌跡模擬動能圖

圖19 落石運動軌跡模擬剖面圖

不難看出,落石在墜落的過程中,隨著不斷與坡面碰撞,勢能與動能交替轉化,最終因內能、熱能和聲能等形式的耗散而靜止,3 m3落石與5 m3落石模擬結果對比詳見表2。

表2 落石模擬結果對比表

從落石能量變化來看,動能總體的變化趨勢基本一致,先增大后減小,動能峰值出現在斜坡中上部,5 m3落石的最大動能是3 m3落石的1.94倍,但速度接近。從落石運動軌跡來看,均呈現出斜坡上部和中下部彈跳高度較大的特點,且最大彈跳高度僅差0.95 m,說明彈跳高度主要受地形影響。從落石空間分布來看,少量3 m3落石穿過谷底公路,最大水平位移為249 m,而5 m3落石有更多穿過谷底公路,但受對側斜坡阻擋回落,最大水平位移為258 m,說明落石規(guī)模越大影響距離越遠。

由于高位崩塌主動治理措施受地形條件限制,實施難度較大,故常采用主被動相結合的綜合治理手段。考慮最危險的5 m3落石情況,共計有32個落石穿過或到達谷底公路外側,威脅公路全長約130 m,動能和彈跳高度統(tǒng)計如圖20-圖21所示,此時落石最大動能為2 261.82 kJ,最大彈跳高度為1.83 m。落石動能、彈跳高度以及影響范圍可以作為被動防治工程設計的重要參數依據。

圖20 公路外側動能統(tǒng)計

圖21 公路外側彈跳高度統(tǒng)計

5 結論

(1) 柴埠溪峽谷口崩塌本次塌落方量為74.5 m3,其形成的主要原因是巖體受構造裂隙及卸荷裂隙切割,在持續(xù)強降雨影響下,巖體自重增大,后壁垂向裂隙受靜水壓力作用,與底部緩傾結構面形成貫通,導致失穩(wěn)破壞。

(2) 研究區(qū)北側斜坡識別3處危巖體,總方量約3 300 m3,通過ROCKFALL數值模擬分析可知,5 m3落石威脅谷底公路總長約130 m,落石到達公路外側的最大動能為2 261.82 kJ,最大彈跳高度為1.83 m。

(3) 基于無人機傾斜攝影技術的高位崩塌調查及數值模擬分析方法切實可行,具備準確、高效、安全的特點,可為地質災害防治提供較科學的數據支持,具有一定的推廣應用價值。