水利工程中工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測(cè)方法研究

黃會(huì)妙

(溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 溫州 325000)

0 引 言

水利工程中的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測(cè)是確保工程安全和可行性的重要環(huán)節(jié),盡管目前勘測(cè)手段繁多,但仍面臨一些挑戰(zhàn)和不足[1]。首先是勘測(cè)所涉及的區(qū)域廣大、復(fù)雜,有時(shí)難以獲得全面且具有代表性的數(shù)據(jù)。同時(shí),勘測(cè)設(shè)備和技術(shù)在某些特殊地質(zhì)條件下的應(yīng)用仍有局限性,可能導(dǎo)致勘測(cè)結(jié)果的誤差和不確定性[2-3]。其次是工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測(cè)需要大量的人力、物力和財(cái)力投入,導(dǎo)致在一些地區(qū)和項(xiàng)目中,由于資源有限,勘測(cè)工作的質(zhì)量和范圍可能受到限制。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展,其在地理信息系統(tǒng)以及工程和水文地質(zhì)勘探領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著成效。在工程地質(zhì)勘探中,遙感技術(shù)可以為設(shè)計(jì)者提供關(guān)于地表?xiàng)l件、地質(zhì)構(gòu)造、地下水分布等詳細(xì)信息,有助于優(yōu)化工程方案。在水文地質(zhì)勘探領(lǐng)域,利用遙感技術(shù)可更準(zhǔn)確地分析地表水、地下水資源,并制定合理的水資源管理策略[4-5]。

為此,本文設(shè)計(jì)一種基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)(GIS),以期能為水利工程中的地質(zhì)勘探提供新的思路。研究創(chuàng)新點(diǎn)是結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)一個(gè)用于水利地質(zhì)勘測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)進(jìn)行壩基巖性識(shí)別時(shí),通過(guò)充分利用Landsat系列衛(wèi)星的多波段特性,組合分析不同波段的光譜響應(yīng),提高巖石類型的識(shí)別精度。利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格數(shù)據(jù)后,生成數(shù)字地面模型(DEM),對(duì)DEM進(jìn)行多角度的分析,如剖面分析、坡度和曲率計(jì)算、等高線生成等,以實(shí)現(xiàn)對(duì)壩基地形的全面、深入評(píng)估。

1 水利工程地質(zhì)分析及水文地質(zhì)勘測(cè)

1.1 水利工程中工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘探分析

1.1.1 水利工程建設(shè)

工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的勘探與分析是確保水利工程建設(shè)順利進(jìn)行的重要部分。工程地質(zhì)包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)環(huán)境、地形地貌等,而水文地質(zhì)則包括區(qū)域內(nèi)的水文特征、水質(zhì)條件及運(yùn)動(dòng)、水資源評(píng)價(jià)等。主要工作則涉及地質(zhì)測(cè)繪、壩基工程分析、邊坡工程分析、地下工程分析、軟土基坑分析等。在進(jìn)行水利工程建設(shè)時(shí),首先需要對(duì)整個(gè)工程的地質(zhì)進(jìn)行測(cè)繪。測(cè)繪需聯(lián)系實(shí)際的地理信息,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。而遙感技術(shù)在地質(zhì)地形圖和專題圖的繪制上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),利用測(cè)繪遙感技術(shù)對(duì)衛(wèi)星拍攝的影像資料進(jìn)行分析和解讀,可以得到區(qū)域地質(zhì)的三維地形信息。對(duì)地形信息進(jìn)一步處理,排除干擾因素,可得到精度較高的區(qū)域地形圖。如果把不同波段的遙感數(shù)據(jù)影像當(dāng)作載體,并進(jìn)行不用地段的信息分析,則可以確定區(qū)域地段的地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境等[6]。

1.1.2 壩基工程

壩基工程是指用于建設(shè)大型水壩的地基工程。地質(zhì)勘探的目的是了解壩基的地質(zhì)情況,包括地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)層位、地質(zhì)穩(wěn)定性等,以評(píng)估壩基的承載能力和穩(wěn)定性等。對(duì)于壩基工程的勘探:①可以通過(guò)遙感獲取地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等信息,結(jié)合GIS進(jìn)行空間分析,評(píng)估潛在壩址的可行性和適宜性。②可以利用遙感影像和地質(zhì)圖等數(shù)據(jù),結(jié)合GIS進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造分析、崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為工程勘探提供地質(zhì)背景信息。③可以利用遙感影像和地形數(shù)據(jù),結(jié)合GIS平臺(tái)進(jìn)行三維可視化分析,對(duì)壩基工程勘探區(qū)域進(jìn)行立體展示,幫助設(shè)計(jì)人員更好地理解和分析地形地貌特征[7]。

1.1.3 邊坡工程

邊坡工程是指對(duì)山坡、河堤和土坡等地質(zhì)體進(jìn)行穩(wěn)定分析和設(shè)計(jì),以確保其在各種力和環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。對(duì)于邊坡工程的勘探:①可以通過(guò)遙感技術(shù)獲取區(qū)域地形數(shù)據(jù)、植被覆蓋情況、土地利用和變化等信息。②可以通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)邊坡的地形進(jìn)行測(cè)量和分析,確定邊坡的坡度、坡高、坡角等參數(shù),評(píng)估邊坡穩(wěn)定性,并選擇合適的邊坡保護(hù)和加固措施。③可以利用地理信息系統(tǒng)對(duì)邊坡工程的空間數(shù)據(jù)管理和分析,整合出不同數(shù)據(jù)源的地理信息如遙感數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)等,進(jìn)行地理數(shù)據(jù)的集成、存儲(chǔ)和查詢[8]。

1.1.4 地下工程

地下工程分析在工程與水文地質(zhì)勘探中占有重要位置。地下工程涉及挖掘和建造設(shè)施在地下,如隧道、橋梁基礎(chǔ)、地下停車場(chǎng)、礦井,以及地下供水、排水和石油管道系統(tǒng)等。對(duì)于地下工程的勘探:①可以通過(guò)遙感技術(shù)識(shí)別土壤類型、植被覆蓋度、地下水埋深、含水層條件等,GIS技術(shù)將這些數(shù)據(jù)整合成土壤圖、植被圖或水文地圖。②可以通過(guò)遙感技術(shù)獲取地表特征和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息,如巖層、斷層、構(gòu)造帶等,GIS則可以將這些地質(zhì)數(shù)據(jù)整合成地質(zhì)圖以供分析。③可以通過(guò)遙感技術(shù)和GIS可用于識(shí)別并分析地下工程場(chǎng)地周邊的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),如地震危險(xiǎn)性、洪水泛濫區(qū)、污染源、滑坡危險(xiǎn)區(qū)等[9-11]。為了進(jìn)一步精確地對(duì)水利工程中工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進(jìn)行勘測(cè),需融合遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)對(duì)地理信息系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 基于遙感技術(shù)的水利工程水文地質(zhì)勘測(cè)方法

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了全面精確地對(duì)水利工程中工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進(jìn)行有效勘測(cè),結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)主要由信息采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等5個(gè)模塊組成。其技術(shù)架構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)與結(jié)構(gòu)

1.2.2 水利工程地質(zhì)勘測(cè)方法設(shè)計(jì)

以壩基工程為例,使用研究設(shè)計(jì)的勘測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行勘測(cè)時(shí),首先采用衛(wèi)星和航空拍攝等遙感手段獲取高分辨率的遙感影像,并對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行預(yù)處理,去除云和陰影、改進(jìn)圖像清晰度等,以獲得較準(zhǔn)確的地表信息。具體見圖2。

圖2 采集水利工程地表信息

進(jìn)行壩基巖石類型識(shí)別時(shí),因不同巖石類型具有不同的光譜特征,研究所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)Landsat系列衛(wèi)星不同波段的遙感影像和特征參數(shù)進(jìn)行巖性識(shí)別[14]。利用TM5波段對(duì)壩基的巖性進(jìn)行識(shí)別,TM5波段在中紅外光譜范圍內(nèi),對(duì)不同類型的巖石具有很好的區(qū)分能力,能準(zhǔn)確識(shí)別出巖石的類型。在TM5波段中,大小不同、成分差異的巖石,如花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖等,都有其獨(dú)特的反射率,各自的光譜特征都表現(xiàn)出明顯的差異。因此,通過(guò)仔細(xì)分析TM5波段的光譜特征,能準(zhǔn)確識(shí)別和區(qū)分出這些巖石類型。另外,利用TM2波段對(duì)壩基上植被進(jìn)行識(shí)別。植被在TM2波段具有較高的反射率,而巖石和土壤的反射率較低。對(duì)于水體的識(shí)別,則采用TM1波段。因?yàn)樗w在該波段下的反射率較低,與其周圍的巖石和植被有很大的反差。因此,通過(guò)觀察和分析TM1波段的光譜特征,可以成功地區(qū)分水體、巖石和植被,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的精確識(shí)別和提取。

進(jìn)行壩基地形分析時(shí),使用系統(tǒng)中的激光雷達(dá)對(duì)壩基地區(qū)進(jìn)行掃描,獲取工程的地表信息,然后對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪等預(yù)處理。將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云形式,即由大量離散的三維坐標(biāo)點(diǎn)組成的數(shù)據(jù)集。每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)激光雷達(dá)掃描過(guò)程中測(cè)量到的地表位置坐標(biāo),由于點(diǎn)云中還包含建筑物、植被等非地面物體的點(diǎn),需要采用地面提取算法,將地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分和篩選。將地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格數(shù)據(jù),將離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),以便后續(xù)分析與可視化。基于網(wǎng)格化的地面數(shù)據(jù),生成數(shù)字地面模型(DEM)。

DEM是由壩基地區(qū)地表高程值構(gòu)成的二維柵格數(shù)據(jù),可以反映地表的高程、起伏和形態(tài)等情況。利用生成的DEM進(jìn)行地形分析,通過(guò)對(duì)DEM進(jìn)行視覺(jué)化、剖面分析、坡度和曲率計(jì)算、等高線生成等操作,對(duì)壩基工程進(jìn)行評(píng)估。剖面分析是在視覺(jué)化的基礎(chǔ)上,對(duì)地形的垂直剖面進(jìn)行分析,展現(xiàn)從一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)到另一坐標(biāo)點(diǎn)的地形變化[15]。需選擇所需的剖面軌跡,然后在DEM上提取參考線,生成高度概要信息。坡度可以用來(lái)表示地面的傾斜程度,曲率表示地面的彎曲程度。較大的坡度或者曲率值較大,則表示地形變化劇烈,會(huì)對(duì)壩基的穩(wěn)定性造成威脅。在GIS software或程序語(yǔ)言中,基于DEM數(shù)據(jù)使用插值算法生成等高線。通過(guò)觀察等高線圖,可以對(duì)壩基地形的平緩性、均勻性進(jìn)行初步判斷。

2 水利工程水文勘測(cè)結(jié)果分析

某省計(jì)劃在A縣城周邊修建一項(xiàng)水利工程,該工程建成后,預(yù)計(jì)向A縣城及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水約3 000×104m3,解決A縣城15.36萬(wàn)人、3.89×104頭牲畜的飲水問(wèn)題,同時(shí)為周圍地區(qū)0.575 3×104hm2耕地農(nóng)田提供灌溉,每年的供水量預(yù)計(jì)2 36 7×104m3。此外,在該工程附近還建有水電站,水電站總裝機(jī)規(guī)模為3.0×104kW。

為了對(duì)工程建設(shè)的設(shè)計(jì)以及方案編制提供相應(yīng)的依據(jù)和參考,現(xiàn)對(duì)工程中壩基工程的巖體類型進(jìn)行勘測(cè)。首先對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的地質(zhì)圖繪制的并發(fā)性進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見圖3。

圖3 地質(zhì)靜動(dòng)態(tài)地圖并發(fā)性測(cè)試結(jié)果

由圖3可知,繪制靜態(tài)工程和水文地圖時(shí),只有傳統(tǒng)單一的GIS系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間增加,其他3種系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間幾乎不變,并且研究所構(gòu)建系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最少,在靜態(tài)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)中分別用時(shí)約9.9和5.1s。而在動(dòng)態(tài)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)中,隨著工程地質(zhì)中動(dòng)態(tài)地圖繪制圖片數(shù)目的增加,4個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間均增加。但是研究系統(tǒng)的增長(zhǎng)相對(duì)緩慢,繪制10幅動(dòng)態(tài)工程地質(zhì)圖約53.6s,而傳統(tǒng)單一的GIS系統(tǒng)增長(zhǎng)最快,繪制10幅動(dòng)態(tài)工程地質(zhì)圖需約136.4s。文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]中的系統(tǒng)分別用時(shí)約92.3和104.6s。由圖3(b)可知,仍是研究系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最少,繪制10個(gè)動(dòng)態(tài)水文地質(zhì)圖約49.6s。文獻(xiàn)[15]、文獻(xiàn)[16]以及傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)繪制10個(gè)動(dòng)態(tài)水文地質(zhì)圖分別用時(shí)60.5、82.6、124.5s,表明系統(tǒng)的并行性較好,可以同時(shí)繪制多幅地形圖。

然后分兩次采集,對(duì)水庫(kù)工程地區(qū)的頻譜進(jìn)行分析,結(jié)果見圖4。

圖4 頻率波段采集結(jié)果

由圖4可知,兩次采集僅有細(xì)微差別,這是因?yàn)閴位刭|(zhì)環(huán)境會(huì)時(shí)刻變化,且受云層厚度影響等因素導(dǎo)致的。由圖4(a)可知,該工程壩基區(qū)域的亮度范圍約為0～0.8,頻率范圍約為0.6～8.6Hz。而純水區(qū)域的亮度范圍約為0.4～1.4,頻率范圍約為0.2～17.3Hz。測(cè)試結(jié)果的曲線幾乎與標(biāo)準(zhǔn)值一致,表明該水利工程在壩基區(qū)域的亮度和頻率特征基本符合預(yù)期,沒(méi)有明顯異常。

再對(duì)該水庫(kù)工程的地質(zhì)巖層進(jìn)行勘測(cè),結(jié)果見圖5。

圖5 A縣城水庫(kù)周圍地形巖層勘測(cè)結(jié)果

由圖5可知,在該地區(qū)的巖石層中,包括花崗巖、石灰?guī)r、砂頁(yè)巖、礫巖以及沉積物等。該地區(qū)水庫(kù)周圍主要以砂頁(yè)巖和礫巖為主,可以用于水利工程中水力發(fā)電廠和堰壩的建設(shè)。而且在工程施工中,可以通過(guò)挖掘和爆破進(jìn)行開采,并能夠提供良好的地質(zhì)穩(wěn)定性,確保水利工程的安全運(yùn)行。花崗巖分布在水庫(kù)較近的位置,可以提供可靠的基礎(chǔ)支持和抵抗水流沖刷的能力。石灰?guī)r分布位置距離水庫(kù)相對(duì)較近,可以作為水利工程中的透水層,使地下水能夠自然流動(dòng)并補(bǔ)充地表水資源。沉積物主要處于河流下游,可以用于填筑土地、修筑河道和水庫(kù),以增加水利設(shè)施的容量和穩(wěn)定性。其間還分布有較多的斷層,工程修建需避開這些區(qū)域。通過(guò)研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)工程地質(zhì)進(jìn)行勘探,得到不同類型的巖石分布,以此為基礎(chǔ)可建設(shè)出更安全、可靠、高效的水利工程。

最后對(duì)水庫(kù)工程的壩基進(jìn)行地形分析,結(jié)果見圖6。圖6中,A位置等高線相對(duì)稀疏,等高線范圍在560～740m,可為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù),降低風(fēng)險(xiǎn),確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。由圖6可知,該工程位置相對(duì)平坦,平坦的地形通常意味著更穩(wěn)定的地基,減少了滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn),有助于降低土方挖填量,減少項(xiàng)目的工程成本。地勢(shì)起伏小,對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工程進(jìn)度的影響較小,可提高施工效率。結(jié)合前文的巖層分析,該處土壤以砂頁(yè)巖和礫巖為主,適合水利工程項(xiàng)目建設(shè)。此外,根據(jù)水文勘測(cè),該處遠(yuǎn)離水文勘測(cè),適合A縣城水利工程項(xiàng)目的建設(shè)。

圖6 工程位置地質(zhì)分析

3 結(jié) 論

本文分析了工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘探的主要工作,闡述了遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)在勘探中的作用和方法,設(shè)計(jì)了基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng),并以A縣水利工程項(xiàng)目為例進(jìn)行了應(yīng)用分析。結(jié)果顯示,研究方法繪制2 500個(gè)動(dòng)態(tài)工程和水文地質(zhì)要素分別用時(shí)約3.8和3.2s,繪制速率較快;測(cè)得壩基區(qū)域的亮度范圍約為0～0.8,頻率范圍約為0.6～8.6Hz。針對(duì)該勘測(cè)巖層類型,測(cè)得該地以砂頁(yè)巖和礫巖為主,并且所處位置等高線范圍在560～740m,相對(duì)稀疏,地勢(shì)平坦穩(wěn)定,利于項(xiàng)目順利建設(shè)。