基于露頭數(shù)字圖像的巖體質(zhì)量快速評級方法的研究

張 勝，湯玉笛，程中林

(1.蕪湖中安電力設(shè)計院有限公司，安徽 蕪湖 241000;2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 211189)

巖體是包含完整巖石和貫穿巖石的軟弱結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)體。在漫長的地質(zhì)歷史過程中，巖體受斷層、層面、節(jié)理、片理等結(jié)構(gòu)面的切割，其在工程規(guī)模尺度下的物理力學性質(zhì)與其他材料相比有著很大的不同，主要表現(xiàn)在巖體具有的非連續(xù)性、非均勻性和各向異性[1]。一般將巖石工程影響范圍內(nèi)的巖體稱為工程巖體，大多數(shù)的工程巖體在正常狀態(tài)下是穩(wěn)定的，但是在人類工程活動下就會失穩(wěn)，引發(fā)各類事故，危害工程施工的安全。因此需要對工程巖體質(zhì)量進行評價，以便指導工程項目的選址和工程施工方案的設(shè)計。

目前已有大量的關(guān)于工程巖體質(zhì)量評價方法的研究[2-5]，提供了許多評價標準,在實踐中得到了廣泛應(yīng)用。谷德振[6]提出工程巖體質(zhì)量指標包含三個因素：巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面的抗剪特性、結(jié)構(gòu)體或巖塊的堅強性，并使用巖體質(zhì)量系數(shù)Z來評價工程巖體質(zhì)量的優(yōu)劣；Deer[7]提出了巖石質(zhì)量指標RQD來評價巖體的完整性；Hoek[8]提出地質(zhì)強度指標GSI包含兩個參數(shù)：結(jié)構(gòu)面特性和巖體的完整性得到了廣泛的應(yīng)用；國內(nèi)則有國標《工程巖體分級標準》中提到的基本質(zhì)量指標BQ分級法，它的兩個主要參數(shù)是巖石堅硬程度和巖石完整程度。以上各種方法只考慮了巖體結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)，實際上巖體的賦存環(huán)境和人類工程活動方式對于工程巖體質(zhì)量評價也有著重要的作用。典型的方法有Bieniawski的巖體地質(zhì)力學分類RMR(Rock Mass Rating)和Barton的巖石質(zhì)量Q系統(tǒng)分類(Rock Tunnelling Quality Index)。各種巖體質(zhì)量評價方法的準確性都依賴于對巖體結(jié)構(gòu)面信息的測量和提取質(zhì)量。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)面測量方式主要是人工測量，采用皮尺羅盤測線法獲取結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、間距、跡長、產(chǎn)狀等信息。人工測量的方式缺點非常明顯，測試效率低、耗時耗力，對于大范圍的結(jié)構(gòu)面測量時間和經(jīng)濟成本過高；其次對于某些區(qū)域測量人員難以到達，測量危險性大；同時，人工測量獲取的數(shù)據(jù)量有限，不能對結(jié)構(gòu)面參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律進行研究[9-10]。綜上所述，找到一種快速準確高效的結(jié)構(gòu)面信息獲取方法對于準確地評價工程巖體質(zhì)量極其重要。近年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)有了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新理論和新算法，為結(jié)構(gòu)面測量提供新的選擇。

研究的內(nèi)容主要包括兩個部分，一是利用數(shù)碼相機對野外露頭的工程巖體進行照相，采用計算機對獲取的巖體結(jié)構(gòu)圖像進行處理，進而提取出相關(guān)的巖體結(jié)構(gòu)面信息；二是在獲取的結(jié)構(gòu)面信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖論工具，探索出一種快速的巖體質(zhì)量評級方法。流程如圖1所示。

圖1 巖體質(zhì)量快速評級流程

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)研究

數(shù)字圖像處理是指通過計算機對圖像進行降噪、增強、復原、分割提取特征等處理的方法和技術(shù)。數(shù)字圖像都是由有限的元素組成的，每一個元素都附帶位置信息和色彩信息，這些元素被稱為圖像元素，也就是人們常說的像素[11]。

20世紀90年代，數(shù)字圖像處理開始被應(yīng)用于巖體裂隙的測量，日本的研究者通過對隧道掌子面進行照相和圖像處理，提取了與巖體分級有關(guān)的結(jié)構(gòu)面參數(shù)，對工程的施工和支護方案作出了指導[12]。近年來，關(guān)于近景攝影測量和三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于巖土工程的研究越來越多，此類方法進行巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)的測量具有非接觸、快速、安全、精度高等優(yōu)點[13]。相較于三維激光掃描技術(shù)，基于數(shù)字圖像處理的攝影測量方法在從巖體野外露頭圖像中識別巖體裂隙跡線方面具有很大優(yōu)勢。

PCAS是用于孔隙系統(tǒng)與裂隙系統(tǒng)識別和定量分析的專業(yè)軟件。軟件可以自動識別圖像中的各種孔隙和裂隙，并得到各種幾何參數(shù)和統(tǒng)計參數(shù)。與傳統(tǒng)的人工測量方法比，使用PCAS 系統(tǒng)具有簡單高效、可重復等特點。運用PCAS進行露頭數(shù)字圖像處理的方法如下：

(1)圖像采集。圖像采集在數(shù)字圖像處理、圖像識別等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到后續(xù)裂隙識別的效果的好壞。攝影測量中圖像采集的設(shè)備主要是普通數(shù)碼相機，拍攝前先選擇具有代表性的野外露頭處的結(jié)構(gòu)面，合理設(shè)定相機參數(shù)和光線參數(shù)[14]。拍攝時，盡量保持鏡頭主軸方向與裂隙露頭面垂直，以確保所攝圖像為正視圖，便于后期巖體結(jié)構(gòu)面的分析和判別。

(2)圖像分割。圖像分割的目的是將像素采用閾值變換方法分割為需要被識別的對象和背景圖像兩部分。對于巖體裂隙而言，識別對象就是裂隙?？紤]到巖體裂隙圖像特點，為了方便后期處理，將圖像二值化，其變換表達式：

(1)

式中，f(x,y)為圖像值；g(x,y)為變換后的圖像值；T為選定的閾值。

通過人工干預(yù)選擇不同的閾值T，篩選出巖體跡線與背景對比最明顯的圖像，原始圖像和二值圖像如圖2所示。

圖2 原始圖像和二值圖像

(3)圖像處理。PCAS的圖像處理分為兩個模塊，區(qū)塊分析和裂隙分析。圖像經(jīng)過閾值分割后的二值圖像就可以使用程序自動識別裂隙網(wǎng)絡(luò)所包圍的區(qū)塊。在區(qū)塊分析模塊中，先后進行修復裂隙(切斷區(qū)塊間的細小連接)、去除黑色和白色雜點以及重新生成更理想的二值圖像等步驟，可以獲得區(qū)塊信息，完整過程如圖3所示。

裂隙分析主要有三個步驟：首先設(shè)置裂隙的寬度參數(shù)獲得裂隙骨架；然后清除裂隙上的小突起，得到裂隙網(wǎng)絡(luò)的中軸；最后彈出窗口顯示裂隙的各種幾何屬性。裂隙分析過程如圖4所示。

圖3 區(qū)塊分析過程

圖4 裂隙分析過程

獲得的裂隙網(wǎng)絡(luò)的各種幾何參數(shù)顯示于數(shù)據(jù)表，包括裂隙的節(jié)點數(shù)，裂隙數(shù)，裂隙長度、寬度、面積、方向等，并自動統(tǒng)計得到裂隙率，裂隙分形維數(shù)，概率熵，平均長度、寬度、面積等統(tǒng)計參數(shù)，為下一步進行工程巖體評級提供了足夠的結(jié)構(gòu)面信息。

2 巖體質(zhì)量評價

2.1 主流工程巖體分級

(1)巖體地質(zhì)力學分類(RMR分級)。巖體地質(zhì)力學分類是由Bieniawski在300多條隧道巖體記錄的基礎(chǔ)上于1972～1973年在南非開發(fā)的，最初目的是評估隧道中堅硬節(jié)理巖體的穩(wěn)定性以及所需設(shè)置的支護。自那以后，隨著越來越多的工程實踐案例數(shù)據(jù)的驗證，RMR分級得到了不斷的改進，只使用與巖體幾何和力學條件有關(guān)的幾個基本參數(shù)就可以評價工程巖體的質(zhì)量。

RMR分級共包含5個基本指標：完整巖塊強度、RQD、節(jié)理間距、節(jié)理條件和地下水條件，其中節(jié)理條件又包括5個方面：節(jié)理跡長、隙寬、表面粗糙度、充填物和節(jié)理風化程度。此外，它還包含1個修正指標：節(jié)理產(chǎn)狀(根據(jù)結(jié)構(gòu)面走向與隧道軸線的關(guān)系，隧道的掘進方向和結(jié)構(gòu)面傾角進行修正)。通過對以上6個指標求和，確定場地中工程巖體的RMR值。

RMR應(yīng)用方法簡便，它是地下和地表開采工程應(yīng)用中最常用的工程巖體分類方法。然而RMR分級也有一些缺點，首先它不包括對巖體質(zhì)量影響很大的應(yīng)力條件因素，這導致在較極端的應(yīng)力條件下RMR的結(jié)果存在巨大誤差；其次RMR系統(tǒng)的輸出相對保守容易導致過度支護；最后，RMR系統(tǒng)是基于堅硬巖石的工程案例發(fā)展起來的，在軟弱巖體中不能得到非常可靠的應(yīng)用[15]。

(2)巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)分類。巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)是用于確定巖體特征和隧道支護要求的巖體分級方法。

巖體質(zhì)量指數(shù)Q的數(shù)值從0.001到1不等，定義如下：

(2)

式中，RQD為巖石質(zhì)量指標;Jn為結(jié)構(gòu)面組數(shù);Jr為結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù);Ja為結(jié)構(gòu)面變質(zhì)系數(shù);Jw為節(jié)理水折減系數(shù);SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)考慮了較為全面的地質(zhì)因素，將定性分析與定量評價相結(jié)合。它和RMR系統(tǒng)一樣都是目前比較好的巖體分級方法。Q系統(tǒng)相對RMR分級系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它既適用于堅硬巖體，也適用于軟弱巖體和極弱巖層[16]。

2.2 基于圖論的巖體質(zhì)量評價

受上述工程巖體分級方法的啟發(fā)，對于由圖像處理得到的巖體結(jié)構(gòu)面裂隙特征，結(jié)合圖論方法探索一種巖體質(zhì)量評價的方法。圖論是數(shù)學的一個分支。它以圖為研究對象，圖論中的圖并不是指圖形圖像或地圖，而是由若干給定的點及連接兩點的線所構(gòu)成的圖形，這種圖形通常用來描述某些事物之間的某種特定關(guān)系，用點代表事物，用連接兩點的線表示相應(yīng)兩個事物間具有這種關(guān)系。

運用圖論方法的巖體質(zhì)量分級主要有如下幾個步驟：

(1)生成二維巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)。由圖像處理獲得了結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、間距、跡長、產(chǎn)狀等信息。對這些數(shù)據(jù)信息進行數(shù)理統(tǒng)計分析，探索它們服從的分布情況，利用Matlab生成二維裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)，如圖5所示。

(2)對生成的二維DFN利用圖論方法進行巖橋分析。巖橋是分離結(jié)構(gòu)面的完整巖石的一部分，更普遍地說，相鄰的任何一對不相交的節(jié)理之間的任何間隙都可以看作是巖橋。DFN中僅考慮幾何因素的最短巖橋的識別方法可以由開源軟件包ADFNE實現(xiàn)，基本原理如下[17]：首先定義節(jié)理和節(jié)理之間距離的輔助函數(shù)，它可以視情況而定計算垂直距離或兩條端點間連線的距離，進一步發(fā)展出節(jié)理和節(jié)理組之間距離，節(jié)理組和節(jié)理組之間距離的輔助函數(shù)，對所選區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)理和節(jié)理組進行最短巖橋計算。裂隙或裂隙組之間的距離的確定如圖6所示。

圖5 包含150條裂隙(n=150) 圖6 裂隙或裂隙組之間距離的確定的二維裂隙網(wǎng)絡(luò)

研究考慮了4種不同的DFN，單位面積包含的裂隙數(shù)分別為n=150,300,500和750。以n=150為例，將每個單位面積域劃分為7個重疊子域，對每個子域求出連接模型兩個相對邊(左、右、上、下)所需的巖橋的總長度，具體步驟如圖7所示。這是為了重復水平和垂直的子域，以解釋方向偏差。

圖7 圖論應(yīng)用于搜索穿越DFN(n=150)的巖橋路徑的例子

(3)巖橋數(shù)據(jù)分析。定義參數(shù)RB21為單位面積巖橋長度之和，使用所測量的RB21數(shù)值 (水平和垂直)，開發(fā)一種新的方法來評價巖體質(zhì)量，具體過程如下：

①所有子域(水平域和垂直域)相互疊加，從而形成一個單元和節(jié)點系統(tǒng)；7個重疊的水平和垂直子域形成的節(jié)點系統(tǒng)如圖8所示；

圖8 7個重疊的水平和垂直子域形成的節(jié)點系統(tǒng)

②給定子域的RB21值需要除以內(nèi)部含有的結(jié)點數(shù)；

③每個節(jié)點被分配一個參數(shù)(RBm)i，j，它由對應(yīng)于重疊子域的單元格的水平和豎直RB21值計算：

(3)

④(RBm)i，j(×100)表示從0到100的巖體質(zhì)量等級。如果放大后的(RBm)i，j大于100，則默認為100；

⑤結(jié)果以矩陣格式列出，巖石質(zhì)量分標準如下：(RBm)i，j>85,完整或近乎完整結(jié)構(gòu)；50<(RBm)i，j<85,塊狀結(jié)構(gòu)；20<(RBm)i，j<50，鑲嵌結(jié)構(gòu)；(RBm)i，j<20，碎裂結(jié)構(gòu)，擾動。對n=150的二維DFN，以(RBm)1，1和(RBm)4，4的計算為例：

(RBm)1,1×100=128.46>100,默認為100。

同理計算得

(RBm)3,3×100=85.11

n=150，300，500，750的二維裂隙網(wǎng)絡(luò)(RBm)i，j×100的值矩陣形式的展示如圖9所示。

圖9 RB21×100數(shù)值的矩陣展示及其對應(yīng)的巖體質(zhì)量評級

以上方法給出了一種快速的判定巖體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的算法，將數(shù)字圖像處理技術(shù)和圖論方法相結(jié)合。但是判定結(jié)果較為初步，需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行校準并與其他巖體分級相配合使用。該方法具有開發(fā)為多因素工程巖體的潛力，也為量化目前一些主流工程巖體分級中的定性參數(shù)提供了一種新的思路。