基于三維激光掃描技術(shù)的危巖體特征快速識別方法及穩(wěn)定性評價

陳愛云，曾唯恐，王 哲，瞿曉浩

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司道路院，湖北 武漢 430063;2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué)) , 四川 成都 610059)

危巖體的穩(wěn)定性評價是危巖體防治工程的重要一環(huán)，需要工程技術(shù)人員實地進行危巖體識別和勘測，以提供危巖體基礎(chǔ)資料[1],并綜合確定崩塌的形成機制與工程防治手段[2]。傳統(tǒng)的危巖體測繪方法一般是依靠工程地質(zhì)工程師接觸地質(zhì)實體，通過羅盤和皮尺來統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)特征，借此獲取到結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)信息。人工接觸測量方法工作強度大、測量效率低，容易受到地形、天氣等因素制約，且不能排除測量過程中的人工誤差[3]。

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的測量手段，能夠高精度地掃描并重建實物的三維點云數(shù)據(jù)，具有遠距離、非接觸、實體化等優(yōu)勢，在危巖體調(diào)查中有著不可比擬的優(yōu)勢[4]，并得到了廣泛應(yīng)用[5]。本文以高山鋪危巖體為例，研究三維激光掃描技術(shù)在危巖體調(diào)查和點云數(shù)據(jù)在Riscan Pro軟件中的處理流程，并將結(jié)果用于穩(wěn)定性評價。

1 高山鋪危巖體三維激光掃描

1.1 研究區(qū)概況

危巖體位于黔江過境高速公路馮家街道后側(cè)陡坡地段，該地段地形臨空條件發(fā)育，巖層為巨礫巖，礫巖成分主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，溶蝕現(xiàn)象明顯，受平行坡面的外傾卸荷裂隙控制，與巖層層面、坡面組合將巖體切割成大小不等的塊體形成三處高位危巖體，見圖1。

根據(jù)現(xiàn)場初步調(diào)查，WY01危巖體長約9.2 m，寬約1.0 m，體積73.6 m，巖性為礫巖，巖體被兩條主要裂隙切割成長條狀塊體，塊體下部巖體由于地表水、裂隙水的溶蝕作用，形成半裸露巖腔，出現(xiàn)較大的臨空面。上部巖石為臨空面上的“懸掛”危巖，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，危巖所處坡向215°，危巖前緣傾角85°，破壞方式為墜落式，WY02危巖體長9.5 m，寬2 m，體積144 m3，危巖體總體呈不規(guī)則塊體。危巖體受后壁裂隙和下部層面控制，形成大小不一塊狀不穩(wěn)定塊體，上部塊體較小，大小為1 m×2 m，下部巖體塊體大小2 m×8 m，巖體具有向前方傾倒的趨勢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，危巖所處坡向189°，危巖前緣傾角89°，底部坡腳為55°～65°，臨空條件發(fā)育，周圍植被發(fā)育，破壞方式為傾倒式。

圖1 危巖體分布及特征

WY03危巖體長17 m，寬3 m，體積561 m3，危巖體層間軟弱帶以及重力卸荷裂縫的共同切割作用下，形成1號、2號、3號滑移危巖塊體，巖性為礫巖，發(fā)育兩條主要控制型節(jié)理面，分為L1、L2，加之在重力累積作用下，巖體發(fā)育3處潛在滑移塊體，呈順次滑移剝落破壞特征，首先出現(xiàn)滑移破壞的是1號塊體，依次為2號、3號，滑移方向為98°，危巖所處坡向170°，臨空條件發(fā)育，破壞方式為滑塌式。

1.2 點云影像數(shù)據(jù)獲取

由于三處危巖體(WY01、WY02、WY03)均發(fā)育在高位，無法對危巖體信息(危巖體尺寸、控制結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等)進行實地調(diào)查，工程人員的經(jīng)驗估計值誤差較大，難以滿足后期分析的需要。因此選用了加拿大Optech公司生產(chǎn)的Polaris TLS1600三維激光掃描儀對其掃描，其采樣速率為22萬點/s，采樣間距1 mm，遠距離測量精度<15 mm，能有效控制點云精度[6]。掃描過程中用RTK-GPS同時測量了各站點的大地坐標(biāo)，用于后期對點云數(shù)據(jù)進行地理配準(zhǔn)[7]。

1.3 點云坐標(biāo)與大地坐標(biāo)擬合

每處危巖體都需要多站掃描數(shù)據(jù)拼接得到，因此需要進行坐標(biāo)配準(zhǔn)將各站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標(biāo)系。這一步通過選取同名點進行匹配得到[8]。再處理軟件Riscan Pro中進行匹配得到。同時導(dǎo)入前期采集的各站點實際坐標(biāo)信息，最終將該區(qū)域的原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系。并選取了三處擬合點與實測大地坐標(biāo)進行誤差分析(見表1)，最大的誤差值<10 cm，滿足危巖體調(diào)查的要求[9]。

表1 坐標(biāo)誤差分析

2 危巖體特征數(shù)據(jù)自動化提取

2.1 幾何尺寸及體積量測

通過三維激光掃描技術(shù)，能夠精確地獲取到危巖體的長、寬、高、坡度、相對高差等幾何尺寸數(shù)據(jù)，為危巖體的穩(wěn)定性評價、防治措施等提供了可靠的基礎(chǔ)資料。該方法需要在點云數(shù)據(jù)中識別出這兩處危巖體的點云數(shù)據(jù)后，量測其整體輪廓，測量方式將其視為不規(guī)則長方體處理，這種測量方式比傳統(tǒng)的估算更精準(zhǔn)(見圖2)。圖中，A為WY01體積量測過程；B為WY02體積量測過程；C為WY03體積量測過程。

圖2 點云獲取的危巖體幾何特征及快速測定

針對危巖體的體積的量測，該方法方便簡單，且能夠滿足調(diào)查要求。若要測得更精準(zhǔn)的體積數(shù)據(jù)，需要對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理，去除植被、粉塵等干擾點，再對點云數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)格化，測出該封閉網(wǎng)格體積得到[10]。測量結(jié)果見表2。

表2 危巖體尺寸測量結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀量測

巖體的控制性結(jié)構(gòu)面是后期穩(wěn)定性計算的重要資料，傳統(tǒng)方法需要測量人員用羅盤近距離測量，受環(huán)境因素限制大[11]。前人總結(jié)了在點云中提取結(jié)構(gòu)面的方法，分別為“三點法”和“多點法擬合”，“三點法”適用于解譯出露明顯的結(jié)構(gòu)面，從而選取具有代表性的三點建立平面，符合三點構(gòu)面法則[12]。對于以一定的面狀出露的結(jié)構(gòu)面，采用“多點擬合法”更為準(zhǔn)確。

本文的擬合過程主要基于“多點擬合法”，使用Riscan Pro軟件對點云結(jié)構(gòu)面進行擬合測量。通過選取危巖體裂隙出露平面的點云數(shù)據(jù)以創(chuàng)建平面，該軟件能根據(jù)平面法向量自動計算其產(chǎn)狀，減少了后期計算步驟(見圖3)。測量得到的三處危巖體的控制性裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)見表3。

圖3 結(jié)構(gòu)面擬合過程(以WY2為例)

表3 控制性結(jié)構(gòu)面測量數(shù)據(jù)

2.3 危巖體剖面圖的獲取

傳統(tǒng)上通過兩種方法獲取地形剖面圖[13]，一種是利用皮尺、羅盤進行現(xiàn)場測量，但在高陡邊坡難以滿足測量條件;第二種是通過地形等高線切取剖面，但對于不同比例尺圖件切制出的剖面線差異很大，難以反映局部微地形的起伏。點云數(shù)據(jù)中能反映更精細的地表起伏和局部的微地形，利用三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取危巖二維剖面圖是簡單有效的。

需要注意的是，掃描儀獲取的原始地形數(shù)據(jù)還包括了地表上的植被以及樹木等干擾數(shù)據(jù)，通過通過Riscan Pro軟件中的“Filter data”工具過濾植被。

在Riscan軟件中，剖面線提取的方法首先需要確定好目標(biāo)危巖體的位置，同時根據(jù)主崩方向在點云視圖中點擊"創(chuàng)建平面"以模擬剖面線(見圖4(A))，創(chuàng)建的面與點云的交線即為地形斷面線(見圖4(B))。將截取到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中加以修飾就能得到精確的剖面圖，圖5為三處危巖體的剖面圖中的WY01剖面。

圖4 危巖體剖面獲取過程(以WY01為例)

圖5 危巖體剖面結(jié)構(gòu)(以WY01為例)

3 危巖體穩(wěn)定性評價

3.1 穩(wěn)定性定性評價

危巖體的穩(wěn)定性定性評價應(yīng)用極射赤平投影法進行分析[14]，該方法需要獲取危巖體控制性結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。根據(jù)前文中量測到的危巖體切割裂隙的信息，對三塊危巖體分別做赤平投影分析(見圖6(a)、圖6(b)、圖6(c))。

圖6 危巖體赤平投影圖

根據(jù)WY01的赤平投影圖，危巖體所在坡面產(chǎn)狀為215°∠87°，危巖體受到172°∠88°、78°∠86°兩組結(jié)構(gòu)面所切割。結(jié)構(gòu)面交點落在邊坡投影弧外，組成結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，但在降雨條件下雨水容易沿裂隙面入滲形成墜落式破壞。

WY02坡面產(chǎn)狀189°∠85°，層面產(chǎn)狀為125°∠18°，主要發(fā)育一組深切割裂隙，產(chǎn)狀為298°∠75°。裂隙和層面的交線與坡面傾向一致，但傾角遠遠緩于坡角，屬于較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

根據(jù)WY03的赤平投影圖，危巖體所在坡面產(chǎn)狀為206°∠87°，此外發(fā)育兩組側(cè)向裂隙123°∠86°，94°∠80°和近水平層面125°∠17°。從圖中可以看出，兩條裂隙的交點落在坡面投影弧的對側(cè)，是較穩(wěn)定的狀態(tài)。但層面與裂隙1、裂隙2形成的交線與坡面投影弧為同一側(cè)，且傾角比坡面更緩，因此為不穩(wěn)定狀態(tài)。判斷危巖體在天然狀態(tài)下較穩(wěn)定，在降雨條件下層面黏聚力降低容易導(dǎo)致危巖體失穩(wěn)。

3.2 穩(wěn)定性定量評價

應(yīng)用極限平衡法[15]對三塊危巖體進行計算，按照危巖體的基本類型，應(yīng)用不同計算模型，在不同的工況(天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)、地震狀態(tài))下進行定量計算分析。計算公式如下：

(1) 傾倒式危巖(暴雨+地震工況)：

(1)

式中，H為危巖體高度,m；P為單位長度危巖體所承受的水平地震力,kN；W為單位長度危巖體的重力,kN；Q為孔隙中靜水壓力,kN；β為破裂面傾角,(°)； [σt]為危巖體抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa；h0為地震力距傾覆點的垂直距離,m；a為重力作用點距傾覆點的水平距離,m；e為孔隙深度,m。

(2) 滑移式危巖(暴雨+地震工況)：

(2)

式中:φ為底滑面內(nèi)摩擦角,(°);C為底滑面黏聚力,kPa。其余符號同上。

(3) 墜落式危巖：

(3)

式中符號同上。

根據(jù)現(xiàn)場已有勘查獲取的研究區(qū)內(nèi)危巖體物理力學(xué)指標(biāo)(見表4)，穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)按《崩塌防治工程勘查規(guī)范(試行)》[15](T/CAGHP 011—2018)(見表5)，其余長度、角度數(shù)據(jù)均在點云數(shù)據(jù)中量測，將最終結(jié)果代入極限平衡計算公式中計算得各工況穩(wěn)定性計算表(見表6)。

表4 礫巖物理力學(xué)參數(shù)表

表5 危巖穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

表6 危巖穩(wěn)定性評價表

由表6計算結(jié)果可知，1、2號危巖體在各項工況下均欠穩(wěn)定，3號危巖體為基本穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域的一項新的技術(shù)突破，本文總結(jié)了三維掃描技術(shù)在危巖體調(diào)查上的應(yīng)用，并在黔江在建公路某段的危巖體上得到驗證。應(yīng)用表明在高陡危巖體的調(diào)查中，三維激光掃描技術(shù)能更為準(zhǔn)確完整地識別危巖體特征和采集結(jié)構(gòu)面信息，從而為危巖體的治理和設(shè)計提供可靠的資料。