高精度影像掃描儀在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

楊茂偉

(1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014;2. 山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

礦產(chǎn)開采形成的尾礦庫和料場等極易發(fā)生滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。為了確保人民的美好生活環(huán)境和生產(chǎn)安全，對礦山的設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營和治理必須是準(zhǔn)確、有規(guī)劃和可持續(xù)的，這就要求測繪提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。然而礦山測量種類繁多，地質(zhì)地形情況復(fù)雜，采用全站儀和GPS等傳統(tǒng)的測量手段進(jìn)行高精度測繪往往費(fèi)時費(fèi)力[1]。

三維激光掃描技術(shù)為解決以上問題提供了新的技術(shù)手段[2]。本文結(jié)合工程實例介紹了采用高精度影像掃描儀獲取礦山渣石堆的三維激光點云數(shù)據(jù)[3]，并輔助邊坡穩(wěn)定性分析的全過程，充分顯示了該技術(shù)的優(yōu)越性。

1 項目概況

1.1 項目綜述

濟(jì)南市章丘區(qū)市政工程處瀝青攪拌站位于章丘區(qū)南約8 km的文祖鎮(zhèn)甘泉村。本次評價的渣石堆為瀝青混凝土攪拌站開挖基槽存放的渣石，堆放在溝谷兩側(cè)，共分兩個區(qū)域，其中二區(qū)分為2-1區(qū)和2-2區(qū)兩個分區(qū)，如圖1所示。渣石作為瀝青混凝土攪拌原材料，計劃兩年內(nèi)消耗完畢。本次是對其消耗完畢前的邊坡穩(wěn)定性和泥石流形成情況進(jìn)行分析和評價。

1.2 邊坡特點

本項目渣石堆邊坡的主要特點為：①渣石堆邊坡高度達(dá)22 m，最大綜合邊坡角達(dá)31°～51°，為人工自然傾倒形成；②由于為自然傾倒形成，未經(jīng)碾壓，為松散狀態(tài)；③沿溝谷傾倒，未考慮泄洪要求；④渣石堆上游迎水面積較大；⑤根據(jù)渣石堆現(xiàn)狀及存放時間，其邊坡確定為一級臨時邊坡。

1.3 測繪技術(shù)要求與難度

技術(shù)要求：①要求提供準(zhǔn)確的渣石堆面積、體積和分布形態(tài)，作為邊坡穩(wěn)定性分析參數(shù)；②需要提供區(qū)域匯水面積和排水量計算所需的參數(shù)。

技術(shù)難度：①地形復(fù)雜、渣石堆頂部堆積雜亂；②未開采區(qū)域植被較多；③區(qū)域內(nèi)高陡邊坡較多，且沒有防護(hù)；④工期緊張。

2 解決方案

筆者綜合以上技術(shù)難點提出了應(yīng)用Trimble SX10配合Trimble Access(TA)和 Trimble Business Center(TBC)對工作區(qū)進(jìn)行三維掃描建模輔助邊坡穩(wěn)定性評價的方案。

2.1 儀器設(shè)備及軟件

2.1.1 Trimble SX10的特點

(1) 可以同時獲得高精度全站儀測量數(shù)據(jù)和三維掃描儀影像數(shù)據(jù)，其測程達(dá)到600 m，可對指定區(qū)域進(jìn)行特定掃描。

(2) 具有高精度全站儀式的架站方式，導(dǎo)線式工作流，實現(xiàn)多測站誤差控制，減少不同站點間誤差的累積。SX10儀器本身精度在0.1～10 mm之間。

2.1.2 主要軟件

Trimble Access和Trimble Business Center軟件結(jié)合，可以完善和改進(jìn)傳統(tǒng)作業(yè)模式。TA可遠(yuǎn)程連接儀器，在手簿上進(jìn)行手勢控制、代碼測繪、散點測量、坐標(biāo)計算，以及簡單土方計算。TBC Scanning模塊可實現(xiàn)從獲取外業(yè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、分析，到最終生成地形圖或三維模型的一體化工作流。

2.2 作業(yè)方法

工作區(qū)位置山嶺環(huán)繞，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，高陡邊坡林立，地形地貌以山地和植被覆蓋為主。

作業(yè)步驟分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)去噪、點云拼接等[4]。首先，應(yīng)用Trimble R8進(jìn)行控制點布設(shè)。針對工作區(qū)狀況采用掃描儀分站方式對坡體進(jìn)行大面積的掃描，采用“分站—分景”的掃描策略，每站進(jìn)行全景掃描[5]。其次，應(yīng)用Trimble SX10設(shè)站掃描。最后，應(yīng)用TBC整合數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)分析處理，形成地形圖和相關(guān)參數(shù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)用專業(yè)分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析和泥石流形成條件分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在TBC中導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，自動生成地形圖及土方報告。

2.3.1 生成地形圖

應(yīng)用TBC點云分層曲線擬合提取等高線作為反映滑坡地貌的地形信息，通過曲線平滑處理，保證等高線的光滑和連續(xù)性[6]，如圖2所示。

2.3.2 土石方計算

復(fù)雜地形土石方計算常選擇不規(guī)則三角網(wǎng)法(TIN)進(jìn)行[7]。其原理是通過建立三角網(wǎng)計算每一個三棱錐柱的填挖方量，然后把每個三棱錐的方量累加，以計算指定范圍內(nèi)的填方和挖方方量[8]。

本文將原始地形圖上高程點所構(gòu)成的TIN與本次掃描點云所構(gòu)成的TIN，應(yīng)用TBC進(jìn)行兩期間土石方計算，即可得出待評價區(qū)的土石方量。雖然前期沒有掃描數(shù)據(jù)，但由于前期渣石場地形起伏不大，其TIN精度能夠滿足邊坡穩(wěn)定性評價精度需要，如圖3所示。

2.3.3 生成地形斷面

依據(jù)軟件生成的DEM模型，可以任意生成地形斷面，從而獲得指定位置的坡度、高差、傾角和方位等參數(shù)。本次評價所用的地形剖面均由模型直接生成，如圖4所示。

2.4 測繪成果輔助分析評價

2.4.1 渣石堆統(tǒng)計

一號渣石堆：在溝谷東側(cè)南段，距擬建廠區(qū)約80 m(如圖1所示)。堆放面積為4480 m2，高度為1～21.0 m，坡度約35°；石床為北西向149°，傾角約4°。

二號渣石堆：在溝谷西側(cè)，距擬建廠區(qū)約90 m(如圖1所示)。2-1號渣石堆堆放面積為11 130 m2，高度為4～22.0 m，坡度約51°；石床為北東向174°，傾角約8°。2-2號渣石堆堆放面積為12 590 m2，高度為1～10.0 m，坡度約31°；石床為北東向174°，傾角約8°。

2.4.2 渣石堆邊坡穩(wěn)定性驗算(有水工況)

這些成功案例表明，中小企業(yè)克服入門障礙、使用模擬仿真技術(shù)同樣物有所值，由此節(jié)約的時間和成本會讓中小型企業(yè)在市場上更具競爭力。

以1-1剖面為例，計算結(jié)果(最不利滑動面)為：

滑動圓心=(-9.684,28.090)m，滑動半徑=29.713 m，滑動安全系數(shù)=0.389，總下滑力=2 727.288 kN，總抗滑力=1 061.005 kN，土體部分下滑力=2 727.288 kN，土體部分抗滑力=1 061.005 kN，筋帶在滑弧切向產(chǎn)生的抗滑力=0.000 kN，筋帶在滑弧法向產(chǎn)生的抗滑力=0.000 kN。如圖5、表1所示。

2.4.3 渣石堆整體穩(wěn)定性驗算

滑坡剩余下滑力計算原始條件：滑動體重度=26.000 kN/m3，滑動體飽和重度=26.600 kN/m3，安全系數(shù)=1.300，考慮動水壓力和浮托力，滑體土的孔隙度=0.300，不考慮承壓水的浮托力，不考慮坡面外的靜水壓力的作用，不考慮地震力，見表2。

表1 各計算分區(qū)穩(wěn)定性分析成果

表2 各計算分區(qū)整體穩(wěn)定性計算分析成果

2.4.4 穩(wěn)定性綜合評價

穩(wěn)定性評價見表3。

表3 渣石堆邊坡穩(wěn)定性綜合評價成果

由表1—表3可以得出結(jié)論：渣石堆邊坡不穩(wěn)定。但是通過計算，安全系數(shù)在1.30的情況下，兩種工況渣石堆下滑力均為負(fù)數(shù)，即下滑力小于抗滑力，渣石堆整體穩(wěn)定。

區(qū)域匯水量計算：匯水面積約78 540 m2，濟(jì)南地區(qū)最大降雨量為1962年7月13日6 h降雨量為298.4 mm，平均每小時降雨量為50 mm，可知

Q=ψ·q·F=0.56×0.05×78 540=2 199.12 m3/h

式中，Q為匯水量，單位為m3/h；ψ為徑流系數(shù)，取0.56；q為降雨量，單位為mm/h；F為迎水投影面積，單位為m2。

溝谷排水量計算(如圖6所示)：將渣石堆中間通道作為排水通道，根據(jù)謝才公式計算排水流量

53 640 m3/h

R=A/x=3.86 m

C=R1/6/n=1.26 m1/2/s

式中，Q為設(shè)計最大流量，單位為m3/s；A為排水溝斷面面積，單位為m2；R為水力半徑，單位為m；x為溝渠濕周；C為謝才系數(shù)，單位為m1/2/s；n為溝渠粗糙率，此處取0.2；i為溝渠比降(‰)。

根據(jù)渣石堆所處的地形地貌判斷,短期大量流水能及時排出，評價結(jié)果是不會形成泥石流。

以上評價中的高程、坡度和坡高等參數(shù)均是在三維模型中實際量?。挥玫降牡匦螆D、土石方量及縱橫斷面均由TBC軟件通過點云數(shù)據(jù)生成。

3 結(jié) 語

通過具體實例可知,高精度影像掃描儀在地質(zhì)測繪中具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理效率高、信息豐富等優(yōu)點[9]， 應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價可極

大地提高評價精度和效率。

作為新的空間數(shù)據(jù)采集手段，該方法還存在儀器設(shè)備昂貴和相關(guān)技術(shù)規(guī)范、生產(chǎn)定額不完善等問題，如果這些問題得到解決，相信該技術(shù)將會成為一種在測繪領(lǐng)域普遍應(yīng)用的新技術(shù)手段[10]。