基于無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模技術(shù)的特大橋橋臺(tái)選址研究*

高 楊 李明智 漆小秋

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081; 2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 南寧 530029)

在陡崖區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量和地質(zhì)調(diào)查，難度大風(fēng)險(xiǎn)高。陡崖高陡岸坡巖體受重力作用大，易于產(chǎn)生張性裂隙，進(jìn)而導(dǎo)致巖體崩塌，甚至錯(cuò)落。在深切峽谷區(qū)域修建特大橋，橋基岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)至關(guān)重要[1]。通常陡崖前緣巖體穩(wěn)定性一般較差，若橋梁墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)物選址過于靠近陡崖，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性得不到保障，而墩臺(tái)選址過于遠(yuǎn)離陡崖，則會(huì)導(dǎo)致橋梁跨徑、投資規(guī)模的增加和工期延長(zhǎng)，因此，高山峽谷區(qū)橋梁岸坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到橋梁位置的選擇,甚至影響道路選線[2]。

故安全合理的墩臺(tái)選址是控制橋梁跨徑和工程投資的關(guān)鍵因素。受到陡崖地形條件的限制，常規(guī)的斷面測(cè)量工作無法全面、直觀和真實(shí)地反映墩臺(tái)與陡崖的平面、空間位置關(guān)系，陡崖地區(qū)地形圖等高線基本重疊，誤差較大，這些給墩臺(tái)選址帶來了極大的不確定性。隨著測(cè)繪科技的發(fā)展，遙控?zé)o人飛機(jī)低空航空攝影測(cè)繪技術(shù)已日趨成熟[3-4]，地面遙控?zé)o人機(jī)低空飛行，攜帶數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備可快速獲取地表信息，獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，拍攝影像清晰、分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性好[5-6]。用于地形圖測(cè)繪和制作三維模型效果良好，且精度較高。應(yīng)用無人機(jī)航拍地形建模技術(shù)可規(guī)避測(cè)量工作者在陡崖地形條件下進(jìn)行測(cè)量工作的困難和危險(xiǎn)，同時(shí)具有高精度、可視化等特點(diǎn)，可為深切峽谷區(qū)陡崖地形特大橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、選址及優(yōu)化等問題提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

擬建某特大橋位于貴州省與四川省交界部位，為跨越“U”形峽谷而設(shè)，主跨為575.5 m的獨(dú)塔雙索面鋼主梁斜拉橋，橋型布設(shè)效果見圖1。該峽谷區(qū)地形、地質(zhì)條件極為復(fù)雜。貴州岸橋臺(tái)(0號(hào)橋臺(tái))前緣陡崖，陡崖高度40～60 m，陡崖近直立發(fā)育，陡崖前緣裂隙發(fā)育，0號(hào)橋臺(tái)橋基岸坡的穩(wěn)定性與選址是橋梁方案布設(shè)的關(guān)鍵問題。布設(shè)共有2個(gè)方案：方案一，橋臺(tái)(樁號(hào)K0+047.0-K0+057.4)與陡崖崖口最小距離約為12.6 m，距離過小，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)高。方案二，橋臺(tái)(樁號(hào)K0+035.0-K0+045.4)距離崖口最小距離為19.8 m。

圖1 橋型布設(shè)效果圖

2 無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是國際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它克服了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從5個(gè)(1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜)等不同的角度采集影像，可將用戶引入符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。其工作流程如下。

1) 現(xiàn)場(chǎng)像控點(diǎn)制作。控制點(diǎn)直接影響測(cè)繪的精度，本次勘測(cè)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(real-time kinernatic,RTK)載波相位差分技術(shù)，制作像控點(diǎn)，控制點(diǎn)均勻布置在場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，每個(gè)控制點(diǎn)間距300 m左右，整個(gè)場(chǎng)區(qū)控制點(diǎn)10個(gè)，并制作了5個(gè)點(diǎn)作為精度檢查點(diǎn)。

2) 影像采集。影像數(shù)據(jù)采集采用大疆精靈4pro系列無人機(jī)，相機(jī)像素2 000萬，關(guān)鍵采集參數(shù)為：旁向重疊度70%，航向重疊度80%，航高根據(jù)地形分塊設(shè)置，相對(duì)地面航高100 m，共獲取影像610張。

3) 實(shí)景模型建立?，F(xiàn)階段主流建模軟件有：photoscan、pix4d、contextcapture、photomesh等，本次采用contextcapture進(jìn)行傾斜攝影三維模型的重建，重建后的橋區(qū)三維實(shí)景模型見圖2。

圖2 橋區(qū)三維實(shí)景模型

4) 地形數(shù)據(jù)獲取。為進(jìn)一步進(jìn)行定量分析，通過實(shí)景模型采集現(xiàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)，使用立體測(cè)量的方法，獲取現(xiàn)場(chǎng)地形，并通過檢查點(diǎn)獲取地形的誤差，得到5個(gè)檢查點(diǎn)最大誤差為平面8 cm，高程15 cm，能滿足設(shè)計(jì)精度要求。

3 貴州岸0號(hào)橋臺(tái)岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在充分調(diào)研和綜合分析研究貴州岸陡崖地形、地質(zhì)條件，以及巖體力學(xué)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，遵循地質(zhì)定性分析與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)思路[7-8]，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)論進(jìn)行0號(hào)橋臺(tái)選址、優(yōu)化。

3.1 工程地質(zhì)條件

貴州岸0號(hào)橋臺(tái)與陡崖位置關(guān)系實(shí)景正視圖見圖3。通過建立貴州岸0號(hào)橋臺(tái)的三維實(shí)景模型，提取模型坐標(biāo)數(shù)據(jù)，0號(hào)橋臺(tái)與陡崖平面位置關(guān)系見圖4。

圖3 貴州岸0號(hào)橋臺(tái)與陡崖位置關(guān)系實(shí)景正視圖

圖4 橋臺(tái)與陡崖平面位置關(guān)系

該處地層巖性為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)灰?guī)r，局部夾泥巖。未發(fā)育斷裂構(gòu)造，地震動(dòng)反應(yīng)頻譜特征周期為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度為VI度。陡崖區(qū)域發(fā)育2組規(guī)律性節(jié)理面：J1:240°∠86°、J2:285°∠76°。J1、J2均為張性節(jié)理，結(jié)合程度差。卸荷裂隙是較硬/硬質(zhì)巖地區(qū)常見的地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響較大，通過槽探、物探及三維實(shí)景模型勘測(cè)，陡崖區(qū)域貫穿性裂隙發(fā)育情況見圖5。

圖5 貫穿性裂隙發(fā)育情況

3.2 潛在變形破壞模式

調(diào)查陡崖周邊巖體變形破壞形式并與其他工程類比，發(fā)現(xiàn)小規(guī)模崩塌、大規(guī)模傾倒破壞是其典型的破壞模式。

1) 崩塌。陡崖上部為灰?guī)r，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，下部為粉砂質(zhì)泥巖，吸水易軟化，失水易干裂，構(gòu)成軟弱基座，抗風(fēng)化能力弱，易風(fēng)化剝落并形成“凹巖腔”，導(dǎo)致上部灰?guī)r出現(xiàn)臨空，底部失去支撐，上部灰?guī)r失去支撐后易在重力作用下拉裂，發(fā)生崩塌，陡崖巖體崩塌失穩(wěn)照片見圖6，崩塌破壞發(fā)生于風(fēng)化巖體，規(guī)模較小。

圖6 巖體崩塌

2) 傾倒。貫穿性裂隙切穿巖體與“凹巖腔”雙重作用下，巖體逐步向臨空方向發(fā)生位移，失去支撐，并向臨空方向傾倒破壞，脫離母巖，其規(guī)模較大，巖體傾倒破壞照片見圖7。這種破壞模式對(duì)橋基影響極大，墩臺(tái)選址應(yīng)避開貫穿性裂隙。方案一、方案二橋臺(tái)均避開了貫穿性裂隙發(fā)育區(qū)，避免了發(fā)生大規(guī)模傾倒的可能。

圖7 巖體傾倒

3.3 橋基岸坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)分析

通過三維實(shí)景模型提取的高精度地形數(shù)據(jù)，繪制了0號(hào)橋臺(tái)左12 m軸線、中軸線、右12 m軸線及橫橋向左45°橋臺(tái)橫斷面(與陡崖距離最小斷面)。選取巖體破裂角45°+φ/2=45°+52°×0.85×0.5=67°，繪制得方案一、方案二0號(hào)橋臺(tái)與巖體破裂角關(guān)系，見圖8。

圖8 方案一、二下0號(hào)橋臺(tái)與巖體的破裂角

由圖8可知，沿橋軸線方向，方案一、方案二0號(hào)橋臺(tái)均位于破裂角外。橫橋向，方案一0號(hào)橋臺(tái)位于破裂角影響范圍內(nèi)，方案二0號(hào)橋臺(tái)位于破裂角影響范圍外。

3.4 離散元數(shù)值分析

巖體發(fā)生破壞往往沿巖體中的結(jié)構(gòu)面發(fā)生，特別是沿巖體中張開的節(jié)理，張開的節(jié)理破壞了巖體的完整性與連續(xù)性，為降雨入滲提供了有利的通道，加速了巖體的風(fēng)化。因此，從力學(xué)角度分析巖體張節(jié)理分布區(qū)域是十分必要的。

為模擬自重應(yīng)力作用下陡崖區(qū)域巖體張節(jié)理分布情況，采用以巖石塊體、結(jié)構(gòu)面為基本單元的離散元法，建立橋軸線左12 m、橫橋向離散元計(jì)算模型，其中橫橋向(左側(cè)45°夾角方向)橋臺(tái)與陡崖距離最小，計(jì)算模型見圖9。

圖9 離散元計(jì)算模型(橫橋向距離陡崖最小斷面)

結(jié)構(gòu)面選取層面和規(guī)律結(jié)構(gòu)面J1(陡崖面)，層面和規(guī)律結(jié)構(gòu)面J1將計(jì)算模型切割為10 477個(gè)單元。巖石塊體、結(jié)構(gòu)面均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，計(jì)算所采用的參數(shù)見表1。

表1 巖塊及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

張節(jié)理分布區(qū)巖體完整性和連續(xù)性差，易發(fā)生崩塌破壞，穩(wěn)定性差。自重應(yīng)力平衡后，縱橋向張節(jié)理分布圖見圖10，張節(jié)理分布區(qū)為陡崖前緣20 m，特別是10～15 m裂隙貫通率高。橫橋向(左側(cè)45°夾角方向)張節(jié)理分布圖見圖11，陡崖前緣15 m范圍內(nèi)為張節(jié)理分布區(qū)且貫通率高。為保障橋臺(tái)長(zhǎng)期穩(wěn)定，縱橋向橋臺(tái)選址應(yīng)滿足橋臺(tái)與陡崖距離大于20 m，且橫橋向橋臺(tái)與陡崖距離大于15 m。計(jì)算得到縱橋向方案一、方案二均滿足要求，但橫橋向方案一0號(hào)橋臺(tái)位于裂隙發(fā)育帶內(nèi)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性得不到保障。

圖10 縱橋向張節(jié)理分布圖

圖11 橫橋向張節(jié)理分布圖(左側(cè)45°夾角方向)

3.5 橋臺(tái)岸坡穩(wěn)定性有限元計(jì)算

采用有限元法可計(jì)算得巖體完整性主控下岸坡穩(wěn)定性系數(shù)。以橫橋向(左側(cè)45°夾角方向)示意，計(jì)算模型見圖12，0號(hào)橋臺(tái)荷載豎向荷載N為102 560 kN，簡(jiǎn)化為均布荷載后為407.5 kN/m2，巖土物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

自重工況采用自然狀態(tài)下巖土物理力學(xué)參數(shù)，暴雨工況采用飽和狀態(tài)下巖土物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3、圖13。

由計(jì)算結(jié)果可見，方案一(距離陡崖最小斷面)橋梁荷載作用下橫橋向穩(wěn)定性不滿足安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)[7]。

圖12 方案一計(jì)算模型(左側(cè)45°夾角方向)

圖13 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(橫橋向方案一、工況2，k=1.15)

表3 有限元計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)一覽表

4 結(jié)論

1) 無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模技術(shù)，可獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景三維模型與陡崖高精度地形測(cè)量結(jié)果，為陡崖岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、橋梁墩臺(tái)選址提供精確的地形數(shù)據(jù)，可視化效果好。

2) 方案一貴州岸0號(hào)橋臺(tái)距離陡崖最小距離僅12.6 m，橋臺(tái)位于巖體破裂角影響范圍內(nèi)，0號(hào)橋臺(tái)長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，不適宜墩臺(tái)建設(shè)。

3) 方案二貴州岸0號(hào)橋臺(tái)距離陡崖最小距離為19.8 m，橋臺(tái)在巖體破裂角影響范圍外，橋臺(tái)位置中風(fēng)化基巖連續(xù)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，適宜墩臺(tái)建設(shè)。

4) 綜合分析，貴州岸0號(hào)橋臺(tái)宜選址K0+035(方案二)，且已不具備前移空間，是安全、經(jīng)濟(jì)的墩臺(tái)選址位置。