基于3DE平臺的危巖體結構面識別及塊體分析

雷世兵 徐俊 張必勇 謝禮明

摘要：為解決高陡危巖體穩定性評價難度大的問題，以湖北省十堰市房縣抽水蓄能電站下水庫危巖體邊坡為研究對象，將三維激光掃描技術、傾斜攝影技術及工程地質分析相結合，對危巖體穩定性進行分析評價。結果表明：將危巖體三維激光掃描點云及傾斜攝影模型導入達索3DExperience（3DE）平臺，采用自主創建的結構面模板準確識別結構面信息，進而利用結構面空間模型互相切割形成定位三維塊體，可確定塊體的空間位置及規模，并進行塊體形態分析、塊體體積測量與計算等應用。該危巖體結構面識別及塊體分析方法可為其他工程危巖體分析提供參考。

關鍵詞：危巖體結構面識別； 塊體分析； 3DE； 三維激光掃描； 傾斜攝影； 湖北省十堰市

中圖法分類號：TV221.2;TP391.9

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.006

文章編號：1006-0081（2023）S2-0021-03

0 引 言

三維激光掃描技術利用非接觸式高速激光測量，以點云的形式獲取地形或物體表面復雜幾何圖形的三維數據，與傳統的單點測量方法相比，具有采集密度高、速度快、精度高、逼近原形、掃描距離遠的特點［1］。傾斜攝影技術是由攝影技術和測量技術發展起來的一項技術，通過在無人機等飛行平臺上搭載多個攝影機位，能夠同時從5個角度采集高分辨率、高重疊度影像，結合飛行平臺搭載的GPS/IMU系統獲取的POS數據和地面外業測量獲取的像片控制點數據，經過專業的自動化建模軟件，進行多視影像的幾何校正、聯合平差和多視影像密集匹配等處理流程，運算生成基于影像的超高密度點云，由點云構建不規則三角網模型（TIN），并以此生成基于影像紋理的高分辨率數字攝影測量成果，可以大范圍、高精度、高清晰地全面感知復雜場景，直觀地反映地物的外觀、位置、高度等屬性［2］。

完整、可靠的巖體結構面信息是巖體穩定性評價的基礎。國內外許多專家學者對巖體結構面幾何信息的獲取方法進行了探索。Slob等［3］用激光掃描儀掃描了巖體邊坡，得到了巖體表面三維激光點云數據。Hammah等［4］研究了利用模糊群聚方法實現結構面自動識別。施星波［5］通過手工選取掃描數據點，再根據數據點擬合平面，實現巖體結構面半自動識別。以上利用三維激光掃描技術進行巖體結構面識別的方法大多基于各類算法，過程復雜。三維激光點云精細度可達到毫米級，傾斜攝影模型精細度可達到厘米級，但三維激光點云可視化程度不及傾斜攝影模型，因此，將三維激光點云與傾斜攝影模型相結合，既能提高模型可視化效果，又能滿足模型精細度要求。

本文利用三維激光掃描技術、傾斜攝影技術及工程地質分析相結合的研究手段，將三維激光掃描模型、傾斜攝影模型導入達索3DExperience（以下簡稱“3DE”）平臺，在平臺內采用自主創建的結構面模板，準確識別結構面信息，進而利用結構面空間模型互相切割形成定位三維塊體，為危巖體結構面識別、塊體定位及分析提供新方法。

1 巖體結構面信息識別模板創建

巖體結構面產狀信息包含3個要素，即走向、傾向和傾角。在3DE平臺中，利用巖體結構面上不在同一直線的三個點即可確定結構面的空間位置，再通過其中的任意一點，做一個水平面與結構面相交，交線即為結構面走向線（如圖1中①號線條所示），在結構面上做一條與走向線垂直并沿結構面向下的直線，即結構面傾斜線（如圖1中②號線條所示），將傾斜線投影在水平面上（如圖1中③號線條所示），在水平面上做一條與縱軸重合的直線，即正北線（如圖1中④號線條所示），藍色線條與青色線條的夾角即結構面傾向，傾斜線和投影線之間的夾角即結構面傾角。將上述識別結構面產狀信息過程在3DE平臺內封裝起來，即可創建巖體結構面信息識別模板，準確識別結構面信息，如圖2所示，輸入結構面上3個點即可計算結構面產狀。

2 應用實例湖北省十堰市房縣抽水蓄能電站裝機容量1 200 MW，屬日調節抽水蓄能電站，連續滿發小時數為6 h，設計年發電量13.26億kW·h。

工程區屬于鄂西武當山脈低中山區，為侵蝕構造類型的尖脊峽谷地貌，河溝蜿蜒曲折。兩岸巖質岸坡高陡，一般坡度30°～50°，局部形成陡崖，出露元古界武當群石英片巖、變粒巖、云母片巖等。區內北北東、北東、近東西、北西和北北西向等組斷裂發育，以北東—北北東向和近東西向、北西向斷層規模較大。工程區未見泥石流、大型崩塌體等不良地質分布，主要不良物理地質現象表現為巖體卸荷、覆蓋層小滑坡。

工程區分上水庫、下水庫，其中下水庫主要分布6處危巖體，其特征見表1。WY1危巖體位于肖家溝大壩上游左岸約30 m處，可以通過一條小路在危巖體底部進行觀測，其他5處危巖體均位于陡崖，常人難以到達，因此采用三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影技術分別對該6處危巖體進行了地表測量。

WY1～WY3危巖體傾斜攝影整體模型如圖3所示，3處危巖體自然邊坡均位于下水庫壩軸線至下水庫進（出）水口段，邊坡長800 m，高程范圍270～490 m；WY4～WY6危巖體傾斜攝影整體模型如圖4所示，3處危巖體自然邊坡均位于下水庫開關站至攔沙壩段，邊坡長600 m，高程范圍350～470 m。

以WY1危巖體為例作進一步分析。WY1危巖體前緣高程272 m，后緣高程330 m，其三維激光點云及高分辨率傾斜攝影模型如圖5所示。可見，將三維激光點云及傾斜攝影模型結合起來既能提高模型可視化效果，又能滿足模型精細度要求。將WY1危巖體三維激光點云及高分辨率傾斜攝影模型同時導入3DE平臺，進行結構面識別及塊體定位，WY1危巖體結構面識別如圖6所示，巖層產狀20°∠19°，通過傾斜攝影模型能夠識別其有4組地表結構面，通過危巖體裂縫進入危巖體內部調查，發現一組傾向坡外、傾角80°左右的結構面。將這5組結構面延伸切割后，形成定位塊體，并可計算出塊體體積為2 919 m3。綜上可以判斷，該危巖體整體基本穩定，局部崩塌失穩。

3 結 語

目前三維激光掃描技術及傾斜攝影技術自帶處理軟件僅限于查看、簡單標注及算量等功能，由于缺乏建模功能，無法進行結構面精確識別及塊體定位。危巖體三維激光掃描點云精細度高于傾斜攝影模型，但可視化程度不及傾斜攝影模型。本文將危巖體三維激光掃描點云與傾斜攝影模型相結合，根據塊體理論將危巖體結構面假定為平面且貫穿整個區域，采用“幾何法”，在快速、精確識別危巖體結構面的基礎上，利用達索3DE平臺強大的建模功能，將結構面延伸后進行相互切割形成定位三維塊體，從而確定了塊體的空間位置及規模。此方法可應用于塊體形態分析、塊體體積測量與計算等，可為危巖體分析評價提供參考。

參考文獻：

［1］ 徐俊，謝禮明，劉宇，等.基于三維激光掃描的巖體結構面識別與塊體分析［J］.人民長江，2021，52（增1）：309-312.

［2］ 景貴飛，曹紅杰，蘇愛斌，等.傾斜攝影技術在智慧高速建設中的應用［J］.中國交通信息化，2023，279（2）：153-156.

［3］ SLOB S，KNAPEN B V，HACK R，et al.Method for automated discontinuity analysis of rock slopes with three-dimensional laser scanning［J］.Transportation Research Record，2005，19（13）：187-194.

［4］ HAMMAH R E，CURRAN J H.On distance measures for the fuzzy K-means algorithm for joint data［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1999，32（1）：1-27.

［5］ 施星波.基于三維激光掃描數據的巖體結構面產狀識別方法研究［D］.北京：中國地質大學（北京），2010.