三維激光掃描技術(shù)在危巖體調(diào)查中的應(yīng)用

李華東 鄧 輝 姜永玲

1 概述

隨著“西電東送”“南水北調(diào)”等重大工程的相繼實(shí)施,人類面臨的地質(zhì)環(huán)境日益復(fù)雜。為了快速、準(zhǔn)確的對工程建設(shè)中遇到的地質(zhì)問題進(jìn)行評價(jià)及防治,三維激光掃描技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查之中。三維激光掃描技術(shù)可用于地形測量[1]、高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查[2]、地質(zhì)體三維模型建立[3]、高精度DEM 獲取[4]等,同時(shí),它還在汶川地震后都汶公路快速搶通[5]、堰塞湖地形測量[6]及四川漢源猴子巖崩滑堵江[7]等重大地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中起到了十分重要的作用。本文討論在高陡邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行危巖體地質(zhì)調(diào)查,主要探討了危巖體控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量、地形剖面的獲取以及危巖體幾何尺寸的量測。

2 邊坡概況

某高速鐵路隧道進(jìn)口邊坡全長630 m,該邊坡為一近南北走向的陡崖,北高南低,邊坡上部為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)灰白～淺灰色石英砂巖,下部為三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)灰～灰綠色泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖。邊坡下部軟巖風(fēng)化形成凹腔后,上部被結(jié)構(gòu)面切割成塊狀的巖塊掉落堆于坡腳形成巖堆,地貌上呈現(xiàn)出上陡下緩的特征,上部坡角 50°～ 70°,下部坡角 30°～ 50°。 砂巖陡壁上發(fā)育有大量危巖,可能威脅到隧道施工及鐵路線運(yùn)營安全。

3 巖體結(jié)構(gòu)特征

3.1 結(jié)構(gòu)面及其組合特征

該邊坡巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,主要有以下幾類:1)層面,產(chǎn)狀較穩(wěn)定,N35°～ 47°E/SE∠21°～ 33°;2)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,主要是巖體內(nèi)發(fā)育的一組共軛剪節(jié)理,產(chǎn)狀 N30°～ 40°W/SW∠60°～ 70°,N60°～80°E/NW∠40°～50°,這組節(jié)理將巖體切割成塊體狀;3)風(fēng)化卸荷裂隙,產(chǎn)狀變化較大,均較粗糙起伏。砂巖陡壁面也可看作一個(gè)卸荷結(jié)構(gòu)面,產(chǎn)狀SN/W∠70°～80°。在層面及共軛 X節(jié)理的切割下,巖體被切割成塊體,因該邊坡上部厚層砂巖夾薄層泥巖,軟硬不均,故硬巖底部易形成凹腔,為其上部巖塊提供了臨空條件,而坡面方向與巖層傾向方向大致相反,且X節(jié)理與坡面均斜交,故凹腔上部被節(jié)理切割形成的獨(dú)立巖塊,易向陡崖外側(cè)傾倒。

3.2 風(fēng)化卸荷特征

1)拉張節(jié)理。砂巖陡壁上傾坡外的拉張結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,該類結(jié)構(gòu)面一般都起伏不平,表面十分粗糙,為臨空面附近的巖體向坡外卸荷形成,它們構(gòu)成危巖體的后部邊界,其張開情況及貫通程度也直接決定了危巖體目前的穩(wěn)定性狀況,附著于巖壁上的危巖體后部大多都被這類結(jié)構(gòu)面所切割。2)剪節(jié)理張開。坡表巖體向臨空方向卸荷過程中,與坡向小角度相交的那條剪節(jié)理(N30°～ 40°W/SW∠60°～ 70°)逐漸張開,這類結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)是較平直,張開較寬,一般10 cm左右,無充填或泥質(zhì)半充填。3)凹腔發(fā)育。層狀的砂巖被層面及結(jié)構(gòu)面切割成塊體,在坡表附近臨空條件較好的部位,下部巖塊沿層面與上部巖塊脫離,發(fā)生失穩(wěn)后掉落坡下,因此,上部巖塊底部形成凹腔,處于臨空狀態(tài),凹腔的發(fā)育對巖塊穩(wěn)定性極為不利。4)巖體結(jié)構(gòu)破碎。由于巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈,節(jié)理裂隙密集,在構(gòu)造節(jié)理的切割以及風(fēng)化卸荷作用的改造下,坡表巖體十分破碎,局部甚至被切割成磚塊大小的塊體狀。

4 邊坡三維激光掃描

由于危巖體主要分布在砂巖陡壁上,難于接觸測量其尺寸及控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,因此,我們采用ILRIS-3D激光掃描儀對進(jìn)口邊坡進(jìn)行了掃描。砂巖陡壁上發(fā)育有兩個(gè)規(guī)模巨大的危巖體,編號為W1和W2,這兩個(gè)危巖體位于隧道入口左上方,距坡腳相對高差較大,對鐵路線構(gòu)成較大威脅。危巖體W1呈倒三角錐狀貼于砂巖陡壁上,后部結(jié)構(gòu)面張開約20 cm,粗糙起伏且無充填。該塊體中間厚,兩側(cè)薄,頂部寬,底部窄,形狀極不規(guī)則。危巖體W2呈長條狀,沿山脊方向橫臥在坡頂,底部有凹腔發(fā)育(見圖 1)。

4.1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量

危巖體W1主要受其后部陡傾坡外的卸荷結(jié)構(gòu)面控制,危巖體W2主要受四組結(jié)構(gòu)面控制,在這些結(jié)構(gòu)面上各取三個(gè)不共線的點(diǎn),創(chuàng)建五個(gè)平面Plane1～Plane5,再分別查看每個(gè)面的屬性,讀取每個(gè)面的三個(gè)法向量值,計(jì)算每個(gè)平面的產(chǎn)狀,具體見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面法向量及產(chǎn)狀

4.2 獲取地形剖面

利用IMInspect模塊中的Cross-Section選項(xiàng),可在該邊坡任意位置作出地形剖面?，F(xiàn)在W1,W2所在部位作出兩個(gè)縱剖面,將這兩個(gè)剖面輸出成DXf格式,在AutoCAD中進(jìn)行調(diào)整及完善,量測危巖體的平均厚度及高度,用于估算其體積(見圖2)。

4.3 幾何尺寸量測

表2 危巖體幾何尺寸及體積

用Polyworks中的IM Inspect模塊打開點(diǎn)云數(shù)據(jù),點(diǎn)擊Measure-Distance選項(xiàng),選擇危巖體左右兩側(cè)的邊界點(diǎn),即可量測其長度,高度可用兩點(diǎn)間的高差量測,長度數(shù)據(jù)直接選用量測值,高度數(shù)據(jù)根據(jù)剖面圖及量測數(shù)據(jù)綜合取值,厚度數(shù)據(jù)采用剖面圖中的量測值,危巖體的幾何尺寸見表2。

5 結(jié)語

本文在對邊坡區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,采用三維激光掃描技術(shù)對陡壁上兩個(gè)規(guī)模巨大、對鐵路線威脅嚴(yán)重的危巖體進(jìn)行了掃描分析,測得了控制危巖體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,獲取了通過危巖體的縱剖面,得到了危巖體的幾何尺寸,節(jié)省了大量人力物力,同時(shí)也避免了接觸測量的風(fēng)險(xiǎn),取得了很好的效果。

[1]史友峰,高西峰.三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,33(4):347-348.

[2]董秀軍,黃潤秋.三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(S2):3629-3635.

[3]張 毅,閆 利.地面三維激光掃描技術(shù)在公路建模中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2008(9):100-102.

[4]田 豐,秦 奮.LRIS-3D系統(tǒng)在高精度DEM建立中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù),2008(2):167-169.

[5]董秀軍,黃潤秋.三維激光掃描測量在汶川地震后都汶公路快速搶通中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008(18):774-779.

[6]何秉順,趙進(jìn)勇.三維激光掃描技術(shù)在堰塞湖地形快速測量中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2008(8):394-398.

[7]黃潤秋,王運(yùn)生.2009年8·6四川漢源猴子巖崩滑的現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查及危巖處理[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2009(8):445-448.