遙感技術在水利水電工程地質勘查中的應用分析

涂 昊

東莞市水利勘測設計院有限公司 廣東 東莞 523000

在水利水電工程的施工過程中，地質勘探是工程設計的一個先決條件，它的詳細和準確將直接關系到工程設計方案的可行性。比如，在工程地質勘探的過程中，如果發現施工區域中有斷裂破碎帶或溶洞等不利地質，那么在工程設計中，就必須對這些不利地質進行適當的處理，以確保水利工程的總體安全[1]。所以，將衛星影像技術運用于工程地質勘查，對于提高工程地質勘查工作，保證工程質量具有十分重要的意義。

1 遙感技術在工程地質勘查中的應用優勢

近年來，遙感技術在地籍調查、工程勘查和環境保護等方面，都取得了較大的進展。對于水利水電項目來說，將衛星遙感技術用于早期勘查具有三大優點：1)勘查范圍廣，信息處理快速。從理論上來講，一顆遙感衛星能夠精確地獲得3.34×105km2的范圍內的內陸物信息，與地面站一起，可以對遙測信息進行迅速的處理，最后將勘探成果以照片的方式呈現出來，一般只需要幾秒鐘就能完成；使勘探成果具有較強的實時性和實用性。2)獲取大量信息。在衛星影像資料中，除了能夠清晰地呈現人類眼睛所能看見的地形地勢之外，也能夠利用紅外線、紫外線及微波波段，提供人類眼睛所無法看見的數據，如：水體深度、巖層密度、含鹽量等[2]。例如，利用衛星遙感設備，可以獲得地下水的動態變化；為水利水電施工提供了一個很好的基礎。3)獲得的數據不容易被外部因素影響，具有較高的精確性。利用衛星遙感技術進行的工程地質勘探工作，其抗干擾性很高，基本不會受到雨、雪和大霧等惡劣氣候的影響，能夠全天候不間斷地獲得項目所在地的地質資料。通過這種方式，既可以獲得大量的工程地質數據，同時也保證了資料的完整、準確，使其更好的反映了工程地質勘查工作的實際價值[3]。

2 遙感技術在水利水電工程地質勘查中的實施

2.1 工程概況

以某座水庫的大壩為研究對象，其上游的主干河流為115km，其控制的流域為3881km2。該水電站為2號型，為一座長526m、寬3.3m、最大高60.5m的粘土斜心墻碾壓堆石壩，其庫容達3.83億m3。水庫內安裝了四座發電機，總計2050kW。本項目預計建設周期為240天，竣工后具有明顯的生態、社會和經濟效益。為了確保該項目的成功實施，將衛星遙感技術運用于前期工程地質勘察。

2.2 遙感技術在水利水電工程地質勘查中的具體應用

2.2.1 利用遙感技術勘查工程地區的構造穩定性

對于大型水利水電工程，由于大壩的重量很大，給大壩基礎帶來很大的荷載，所以需要確保大壩周圍的地質結構的穩定性；才能防止在工程施工過程中和投入使用后，由于壩基沉降而造成壩體滲漏。對工程地質構造進行的穩定性分析，主要是要確定是否存在顯著的斷裂，若存在，則要了解斷裂的大小和密度等有關的信息，以便為設計者在制定工程設計方案時，提供必要的基礎。將遙感技術用于工程地質勘探，能將項目所在地的地質結構清晰地反映出來。通過對兩條斷裂的研究，可以發現了兩條斷裂帶彼此平行，并在地表上被第四系的蓋層所覆蓋，這兩條斷裂具有很強的隱蔽性。傳統的地表探測方法難以探測到地層裂縫，而利用遙感技術不但可以探測到斷裂裂縫，還可以獲取裂縫走向和最大寬度等細節信息。設計師可以據此對地質構造的穩定性進行準確的評價，為水利水電工程設計與施工提供必要的支撐。

2.2.2 利用遙感技術分析工程泄漏的可能性

壩基滲漏是水利工程中普遍存在的一種質量問題，若不能及時有效地解決，將極大地提高大壩的潰壩風險。為此，在水利工程地質勘察工作中，必須對壩址區的地質情況進行評價，并對可能引起壩址區滲漏的危險因素進行分析；在此基礎上，提出了相應的施工對策，以防止后期水壩投用后發生滲漏。在工程地質方面，古河道，地下暗河，溶洞，斷層，破碎帶，強風化巖等是導致大壩或壩基發生滲漏的主要原因。通過衛星技術獲取的工程現場的衛星圖就能清晰地反映出埋于地下的古河流、斷裂斷裂帶以及喀斯特溶洞。在此次施工過程中，利用遙感手段對該地區進行分析，結果表明該地區存在斷層、破裂帶，并沒有發現其它可能引起該地區地下水滲漏的因素，如古河道、巖溶洞穴等。在此基礎上，施工單位在制定施工方案時，采用帷幕灌漿施工技術封堵、加固斷裂破碎帶，對于防止壩基滲漏，提高壩基承載力，具有積極的作用。

2.2.3 利用遙感技術及時發現工程周邊不良地質現象

在水利建設中，除了地表的巖層風化和斷層破裂帶等不良地質環境以外，地表的各種不利地質條件還會對水利工程產生不利影響。滑坡，泥石流，堤岸沖刷是較為普遍的災害。尤其是像滑坡、泥石流這樣的自然災害，它的發生是突然的，而且是非常嚴重的，如果不能事先做好地質調查，及時作出相應的預防和處理方法，不僅會影響工程進度和工程質量，而且還會危及到工地工人的人身安全。利用衛星遙感技術，可以對項目周圍的環境及研究區起伏度空間進行實時監控（圖1），并對項目周圍環境進行科學的評價。該項目發生于2021年4月至12月期間，項目所處區域屬于亞熱帶季風氣候，夏天降水比較密集，降雨較多。同時采用衛星影像技術，在雨季期間，對工程區內的邊坡進行嚴密的監控，一旦發現邊坡發生了顯著的變形，就能夠對其進行早期預警，并對其進行相應的加固；在此基礎上，提出了一種新型的防滑型防滑體設計方法。同時，當項目周圍發生了泥石流時，還可以利用衛星圖像技術，明確崩塌區，堆積區，中間涌流區等區域，并針對這些區域做出相應的反應，確保項目建設的正常進行。

圖1 研究區起伏度空間分布

2.2.4 利用遙感技術為天然建筑材料的開發利用提供指導

在水利水電工程施工過程中，需要大量的建材。若采用自行式自卸車遠距離運輸，則很難確保穩定、連續的建材供給，且會提高建設費用。若項目周圍有豐富的自然建材（如土、石等），項目可實現就近取材，在節約成本的同時，提高施工效率。利用遙感技術進行的工程地質勘查，能夠在周邊的特定地區，找到可用的、可開采的自然建材。另外，利用衛星影像資料，可以制定出交通路徑，并尋找出最優交通路徑；使材料的運輸費用降低。該項目利用遙感技術，在工程區東側6.8km的地方，找到了一片質量較好的砂質粘粒，為筑壩提供了方便。

3 水利水電工程地質勘查中遙感技術的創新應用

3.1 “3S”技術的融合應用

最近幾年，在我國的水利工程建設中，對勘察工作的重視程度越來越高，并積極采用新技術、新設備。盡管遙感技術已顯示出其在工程地質勘探領域的許多優點，但其在實踐中仍有許多缺陷，如：定位精度低，后續資料處理能力弱等。要解決上述問題，就需要大力推動“3 S (RS、 GPS和 GIS)”技術在衛星導航系統中的綜合運用。將衛星遙感與 GPS相結合，實現對工程區的精確定位，進而實現對工程區地質情況的精確測量。例如把遙感技術和 GIS （GIS）結合起來，可以把遙感衛星獲得的大量地物信息，通過 GIS軟件對其進行加工，進而輸出對水利水電工程建設有利的信息。當前， GIS系統已實現了基于衛星遙感數據的工程地質三維建模，為建設單位更好的了解工程地質情況奠定了基礎。

3.2 無人機遙感技術的應用

從目前國內外對此問題的研究現狀來看，大部分的研究工作都是基于從衛星上獲得的圖像進行的。同時，在實踐中還面臨著勘探工作成本高，信息獲取的靈活性差等問題。此外，目前衛星圖像的空間分辨率一般僅為1m，不能適應新時代對高精度的工程地質勘探和設計的需求。隨著我國航空航天領域的不斷發展，航空航天領域也在不斷發展壯大。將小型遙感裝置與無人駕駛飛機相結合，能夠根據人工計劃好的路線進行航空測量，從而提高了遙感圖像的準確率，并且易于操控，費用也更低。另外，無人機也能在同一地區進行多次飛行。地面工作人員可以隨時觀看無人機的航測畫面，如果畫面清晰程度不夠，或者某些重點區域沒有被拍到，還可以操作無人機再次對其進行多次拍照；直至獲得清楚或完整的消息[4]。

3.3 在構造穩定性勘查中的應用

施工人員在進行施工作業之前，應進行結構的穩定分析，以防止外界環境因素對結構造成的破壞，從而延長項目的服務年限。有些地區的地表地質具有穩定的特點，但是其內部結構卻有裂縫，當地表地質結構改變時，其穩定就不能得到保障。因此可以采用衛星遙感技術，既可以保證項目的安全，又可以全面了解項目的地質結構，獲取更為精確的分析資料。利用衛星遙感技術，可以提高地質勘探的準確性，并通過對斷裂的活性進行分析，對監控的內容進行綜合分析；在工程開始之前，對斷裂的活動程度進行判定，并將資料以報告的方式進行總結和轉換。更為關鍵的是，通過遙感技術可以反映出特定的地質狀況，并與局部的地形要素相聯系，判斷存在溶洞、地上河等的可能性，并對可能發生的不利的自然狀況進行預報，以便及早采取相應的對策，保證水利水電工程的成功進行。邊坡部位施工極易誘發泥石流、滑坡等災害，對整個邊坡的穩定構成嚴重威脅。為保證該項目的平穩運營，可依托于衛星遙感技術，對該項目的地質情況進行綜合分析；結合現場勘察等作業手段，對影響河岸穩定的各種因素進行識別，以防止對河岸穩定造成危害[5]。

3.4 在水利水電工程泄露問題勘查中的應用

在水利工程中，由于存在著大量的滲漏現象，這些現象不僅會嚴重地降低其服役壽命，而且還會對整個項目的安全構成嚴重的威脅。所以，在施工過程中，有關工作人員應注意防止大壩泄漏事故的發生。泄漏事故發生的原因，是因為地下溶洞和斷層帶中存在大量的巖體，從而引起了巖體的風化。在進行之前，施工人員要對大壩漏水問題的產生原因進行精確的判定，依托于遙感技術來對項目現場的地質狀況進行認識，并將注意力集中在地質分布上；進一步確定巖溶地區的主要地質構成，特別是發生了滲流問題的部位，并對其進行了詳細的勘察，并提出了相應的對策；加強主體結構防滲加固[6]。

3.5 可視化技術的應用

可視化的遙感技術對地質勘探具有重要的意義。其中，利用三維地形模擬技術，主要有3類：①分形地形模擬；該方法以幾何特征為基礎，采用遞推方法獲取有關數據。但這種模式所獲得的資料很少，而且其運算過程也很繁瑣，不能很好地反映出地形地貌的特征，因此，其應用范圍不夠廣泛[7]。②地形模擬模型的表面擬合。它可以表現出相鄰面斜率的連續特性，但很難對方程的參數進行控制。③建立以真實條件為基礎的地形資料仿真模型。該模型基于實際地形數據，對多邊形進行仿真，主要是通過對實際地形的踩點，構造出對應的集合，來仿真地表形態。運用此模式，可對有關的地形進行全面的認識，其使用的優越性比較顯著。盡管這種仿真模式可以表現出顯著的線型特征，并且可以與繪制模式融合，但是隨著地形數據量的不斷增大，相應的多邊形數也會隨之增大；對最后的實時繪制工作產生影響。針對這一問題，本項目提出了一種新的方法，該項目采用三維地形的可視化技術，在清晰地形圖特征的基礎上，通過對地形圖特征的描述，實現地形圖特征的動態分析，進一步體現出可視化技術的優越性[8]。

4 結語

在水利水電工程建設中，地質勘探是最基本的一個步驟，以勘探得到的信息為依據，進行工程設計和施工，有利于防止壩基滲漏、壩體沉降等質量問題。所以，在進行工程地質勘探時，應盡量全面準確地獲得項目所在地的地質情況。遙感技術不但能夠利用直接攝影的方法，獲取地面的物理、地質數據，還能夠利用紅外線、微波等方法，獲取人類眼睛看不到的地下水分布、巖層含鹽量的變化等信息，為水利工程設計提供了重要的參考數據。