基于三維激光掃描技術(shù)的庫岸變形監(jiān)測與分析
——以西藏某水庫為例

吳運通，朱金來，許蘊寶，于帥印，林 牧，趙海闊

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021)

隨著水利資源開發(fā)利用，全國水庫數(shù)量已達(dá)9.88萬座(據(jù)水利部2017年數(shù)據(jù))。水庫蓄水及運行過程中常伴隨著塌岸、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，威脅著庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。庫岸變形監(jiān)測作為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害重要的預(yù)警手段，前人已經(jīng)做了大量研究且衍生出眾多監(jiān)測方法。傳統(tǒng)監(jiān)測方法多基于GPS、全站儀等進(jìn)行單點監(jiān)測，數(shù)據(jù)精度高，但受限于監(jiān)測點數(shù)，監(jiān)測范圍較小[1]。隨著監(jiān)測技術(shù)的升級，InSAR、三維激光掃描等新的監(jiān)測方法應(yīng)運而生[2]，使監(jiān)測數(shù)據(jù)更豐富、更全面，可視化效果好，易于數(shù)據(jù)挖掘。

庫岸受蓄水、降雨影響，易發(fā)生變形、塌岸等現(xiàn)象，而傳統(tǒng)監(jiān)測方案多為坡肩區(qū)域單點監(jiān)測，難以對坡面變形、塌岸區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。三維激光掃描技術(shù)針對整個岸坡進(jìn)行非接觸式監(jiān)測，優(yōu)于傳統(tǒng)方法，與InSAR等其他監(jiān)測手段相比，數(shù)據(jù)處理難度較低，精度較高，監(jiān)測頻率可控，數(shù)據(jù)質(zhì)量受環(huán)境影響小。三維激光掃描技術(shù)作為新興監(jiān)測方法，早在2004年Collins等首次將該技術(shù)引入巖土工程監(jiān)測領(lǐng)域，應(yīng)用于美國加州海岸線侵蝕狀況監(jiān)測并獲得隨時間變化的高精度地形模型[3]，國內(nèi)于2006年由董秀軍等首次將該技術(shù)應(yīng)用于高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查及巖體結(jié)構(gòu)面的識別[4]，隨后三維激光掃描技術(shù)逐漸向巖土監(jiān)測領(lǐng)域拓展，褚宏亮等將該項技術(shù)應(yīng)用于大型崩滑災(zāi)害變形監(jiān)測，并提出了點、線、面相結(jié)合的數(shù)據(jù)分析方法[6]；謝謨文等以金坪子滑坡為例，探討了該項技術(shù)應(yīng)用于大型及部分植被覆蓋的滑坡監(jiān)測可能性[7]；王梓龍等闡述了該技術(shù)在危巖體監(jiān)測中的應(yīng)用并針對不同破壞模式提出新的監(jiān)測思路[5]。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于巖土監(jiān)測領(lǐng)域得到諸多學(xué)者的認(rèn)可，同時在監(jiān)測精度及數(shù)據(jù)處理算法等方面也在不斷完善。 Abellán等將該技術(shù)應(yīng)用于巖體崩塌監(jiān)測并獲得毫米級變形監(jiān)測成果[8]。王堃宇等基于該技術(shù)對張承高速邊坡建立點與面結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)并獲得長期、高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]。徐進(jìn)軍等采用擬合法和重心法分析激光掃描點云數(shù)據(jù)，計算變形值[1]。前人研究表明，三維激光掃描技術(shù)已成功應(yīng)用于多個巖土領(lǐng)域，且效果較理想，但針對庫岸監(jiān)測采用三維激光掃描技術(shù)的相關(guān)研究較少。文章以該技術(shù)為基礎(chǔ)，探討其在庫岸監(jiān)測中的特點及效果，并提出數(shù)據(jù)處理方案，對庫岸變形規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而達(dá)到對庫岸變形監(jiān)測、分析的目的。

1 研究區(qū)概況

2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集與處理

三維激光掃描是通過掃描目標(biāo)物體來獲得物體表面數(shù)據(jù)的一種技術(shù)。物體表面輪廓由數(shù)以億計的點即點云構(gòu)成，每個點都包含空間(x，y，z)、顏色(紅、黃、藍(lán))及強度(激光反射強度)參數(shù)，對應(yīng)物體表面相同點位的特征。數(shù)據(jù)采集與處理的過程就是獲得點云與處理點參數(shù)的過程。

2.1 數(shù)據(jù)采集

文章采用徠卡HDS8800超長測程三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測頻率為次/10d，監(jiān)測時序為2019年1月至10月。因水庫庫區(qū)通視條件良好，各監(jiān)測區(qū)域均可通過單次架站完成數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，為確保各期數(shù)據(jù)位于相同坐標(biāo)系下，相同監(jiān)測區(qū)采用同一架站位置及后視點，同時設(shè)置相同的掃描范圍及點云密度參數(shù)，以便數(shù)據(jù)后期分析。因監(jiān)測時序跨度較大，各月溫度及氣壓不同導(dǎo)致激光傳輸速度略有差異，掃描儀溫度及氣壓參數(shù)采用即時數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各期點云數(shù)據(jù)顏色及強度信息，識別監(jiān)測區(qū)域，剔除無關(guān)點云及掃描過程中因外界環(huán)境因素產(chǎn)生的噪點數(shù)據(jù)，達(dá)到精簡數(shù)據(jù)、減少誤差的目的。因各監(jiān)測區(qū)域掃描數(shù)據(jù)均為單次架站掃描獲得，點云數(shù)據(jù)無須拼接，且各期點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系相同，可直接用于分析計算。

經(jīng)上述初步處理后的點云數(shù)據(jù)，通過軟件可擬合出每期掃描區(qū)域表面模型，以便后期計算變形值。點云密度與擬合表面模型真實性呈正相關(guān)，數(shù)據(jù)采集過程中均采用最大點云密度以保證監(jiān)測精度。圖1為研究區(qū)內(nèi)壩上交通橋監(jiān)測區(qū)域點云擬合表面模型。

圖1 點云擬合表面模型

監(jiān)測區(qū)域各部位變形值計算實質(zhì)是不同期點云空間數(shù)據(jù)的對比。以1、2期數(shù)據(jù)為例，文章采用的計算方法如圖2所示。將1期點云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成表面模型，計算2期點云數(shù)據(jù)內(nèi)各點到1期表面模型的最短距離，作為該點變形值。通過分析2期各點變形值，可獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)變形區(qū)位置、大小及規(guī)模，同時變形值的正負(fù)也反映了庫岸變形特點為傾覆或滑塌。上述計算方法所得的變形值并非嚴(yán)格意義上的各點變形值，但對于快速查找變形區(qū)域，初步了解變形特征較為適用，可滿足庫岸監(jiān)測需要。若想獲取更多變形信息，如產(chǎn)生變形的主要方向，特征點變形歷程，局部滑塌方量等，則需要在此基礎(chǔ)上，做更深層次的數(shù)據(jù)處理。

圖2 變形值計算方法

3 變形計算成果與分析

3.1 精度分析

點云單點精度一般低于全站儀及GPS精度，但三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢在于經(jīng)過點云擬合后生成實景模型，繼而獲得模型整體數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)中各點誤差應(yīng)為正態(tài)分布，擬合過程中部分誤差互相抵消，生成的表面模型精度略高于單點精度?？紤]基于三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測精度尚無統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)，本次研究過程中，同時采用傳統(tǒng)的全站儀監(jiān)測方式校核三維激光掃描數(shù)據(jù)的精度。實施監(jiān)測過程中，在重點監(jiān)測部位布設(shè)了監(jiān)測樁，兩種監(jiān)測方式頻率一致，三維激光掃描數(shù)據(jù)以監(jiān)測樁擬合模型的頂部角點位移值為準(zhǔn)。采用每月累計和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1。

表1 三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測值對比

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，監(jiān)測差值主要集中在0～±5mm之間，最大誤差為8mm，平均誤差為±3mm，差值無分布規(guī)律，屬偶然誤差?？紤]監(jiān)測樁變形值普遍為20～80mm，顯著大于平均誤差值，故三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測成果準(zhǔn)確可靠，能夠滿足庫區(qū)變形監(jiān)測的要求。

3.2 變形區(qū)域分析

經(jīng)過連續(xù)10個月的30期監(jiān)測，以第1期點云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將各期點云數(shù)據(jù)與其對比得到各期累計變形值。根據(jù)分析需要，亦可將各期數(shù)據(jù)間互相比較得到相應(yīng)時段內(nèi)的累計變形值。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過對比后，根據(jù)各點變形值的大小，賦予不同的顏色，從而獲得監(jiān)測區(qū)域累計變形值云圖。以庫區(qū)壩上交通橋區(qū)域為例，第30期數(shù)據(jù)與第1期數(shù)據(jù)對比后可得1—10月累計變形值云圖，如圖3所示。根據(jù)變形云圖分析，交通橋橋臺及其庫岸邊坡整體穩(wěn)定，1～3區(qū)域為主要變形區(qū)，均發(fā)生塌岸現(xiàn)象，道路里側(cè)區(qū)域變形則是由坡積物堆積導(dǎo)致。1區(qū)塌岸規(guī)模：長10m，高4～6m，累計滑塌厚度為1.03～1.93m；2區(qū)塌岸規(guī)模：長8m，高3～5m，累計滑塌厚度問0.81～1.92m；3區(qū)塌岸規(guī)模：長35m，高3.5～6m，累計滑塌厚度為0.78～1.95m。根據(jù)各區(qū)域監(jiān)測成果并結(jié)合實際情況可知，庫岸變形模式以塌岸為主，最大變形位置多位于岸坡塌岸區(qū)域核心，變形區(qū)域零星分布，大部分區(qū)域較穩(wěn)定。

圖3 三維激光掃描累計變形云圖及影像對比

3.3 典型剖面分析

變形云圖能夠較好地反映變形范圍及變形值大小，但對分析變形導(dǎo)致的庫岸坡度、厚度變化，變形的主要方向及變形破壞模式有所欠缺，而通過對比多期變形區(qū)典型剖面數(shù)據(jù)，可以彌補上述不足。文章以上述壩上交通橋區(qū)域3區(qū)為例，沿垂直庫岸方向，提取同一位置第1期與第30期三維擬合庫岸模型數(shù)據(jù)生成剖面，如圖4所示。根據(jù)兩期剖面對比，3區(qū)變形特征可分為兩部分：庫岸中下部，受庫水位波動及降雨入滲影響較大，發(fā)生塌岸現(xiàn)象，庫岸后退0.52～1.32m，失穩(wěn)后坡度為60°；庫岸上部，主要受中下部塌岸影響，導(dǎo)致庫岸前傾 0.03～0.15m，坡頂面臨河側(cè)略有沉降，沉降值為0.03～0.05m。結(jié)合實際情況，可推斷出庫岸主要破壞模式為：岸坡中下部以片狀坍落為主，且短期來看，變形值最大，坡體上部變形值遠(yuǎn)小于近河邊坡部位變形值，以蠕變?yōu)橹?。就目前主要監(jiān)測手段而言，監(jiān)測部位多位于坡體上部，導(dǎo)致對庫岸變形整體認(rèn)識不足，且岸坡頂部變形滯后于底部變形，不利于提前預(yù)警。三維激光掃描技術(shù)對提高庫岸變形整體認(rèn)知、地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警具有明顯優(yōu)勢。

圖4 2期數(shù)據(jù)典型剖面對比

3.4 變形影響因素分析

根據(jù)已有研究經(jīng)驗，庫岸變形主要影響因素為庫水位波動及降雨。研究區(qū)屬高山峽谷地貌，正常蓄水位為3315.00m，死水位為3313.00m，涌浪及庫水位波動均較小，對庫岸影響有限。文章同時收集了研究區(qū)逐日降雨數(shù)據(jù)，以監(jiān)測周期(10d)為單位統(tǒng)計累計降雨量，并與上述1～3區(qū)各期平均變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖5所示。研究區(qū)1—5月為旱季，庫岸變形主要受水庫初次蓄水影響，隨著時間推移，各期平均變形值逐漸減小，庫岸趨于穩(wěn)定。6—9月為雨季，因前期庫岸已有較大變形，雨水沖刷及地下水滲流導(dǎo)致局部巖土體更易產(chǎn)生滑動，各期變形值逐步增大。7月初降雨量較大，造成了庫岸較大規(guī)模的變形失穩(wěn)，變形值較大，隨后因多數(shù)不穩(wěn)定體已崩塌、滑落，變形值逐步減少，庫岸再次趨于穩(wěn)定。10月末，多數(shù)區(qū)域變形值較低，庫岸基本穩(wěn)定。綜上所述，庫岸穩(wěn)定性前期主要受首次蓄水影響，后期主要受降雨影響。

圖5 降雨量、庫水位與庫岸變形關(guān)系圖

4 庫岸變形理論模型計算

上述研究成果表明，庫岸穩(wěn)定性與蓄水及降雨有關(guān)，但兩者對庫岸邊坡影響的內(nèi)在機(jī)理究竟如何，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為庫水位變化及降雨引起的邊坡滲流場變化是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素[11]，科學(xué)地模擬不同工況下邊坡滲流場，是庫岸穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)[12]。考慮降雨及庫水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，前人已做了大量研究[13- 15]，多以飽和-非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，通過有限元法模擬不同工況下的滲流場，采用極限平衡法、強度折減法等來評價邊坡穩(wěn)定性[16- 21]。文章基于前人的研究方法，將滲流場計算與穩(wěn)定性計算相耦合，采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊模擬巖土體的滲流場，并基于上述模擬成果根據(jù)SLOP/W模塊內(nèi)的Morgenstern-Price極限平衡條分法計算庫岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，研究穩(wěn)定性變化趨勢。

4.1 模型建立

研究區(qū)庫岸主要組成物質(zhì)為混合土卵石，其物理力學(xué)性質(zhì)(據(jù)勘察試驗資料)見表2。土體的土水特征曲線及非飽和滲透函數(shù)根據(jù)土體類型、含水率及滲透系數(shù)由軟件進(jìn)行估算。模型浸潤線以上為非飽和土體，采用天然狀態(tài)下的土體參數(shù)，浸潤線以下采用飽和土體參數(shù)。滲流場模擬中，水頭邊界條件根據(jù)實際蓄水及水庫運行水位數(shù)據(jù)確定，降雨邊界條件根據(jù)區(qū)域日降雨資料確定。以上述2區(qū)為例，建立地質(zhì)模型，如圖6所示。

表2 庫岸土體物理力學(xué)參數(shù)

圖6 庫岸邊坡數(shù)值模型

4.2 計算結(jié)果分析

數(shù)值模擬時段為2018年10月初(開始蓄水日期)至次年10月末(監(jiān)測結(jié)束日期)。計算結(jié)果如圖7所示，圖內(nèi)包含了庫水位運行數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、邊坡安全系數(shù)及該邊坡區(qū)域監(jiān)測變形值。

圖7 降雨、庫水位、變形值與安全系數(shù)關(guān)系圖

邊坡安全系數(shù)在蓄水初期受庫水位影響較大，從開始蓄水至11月初達(dá)到正常蓄水位的過程中，安全系數(shù)下降明顯，11月中旬達(dá)到最低安全系數(shù)0.89，略滯后于水位變化。隨后水庫水位平穩(wěn)運行，安全系數(shù)逐漸增大，至1月初安全系數(shù)達(dá)到1.05，并趨于穩(wěn)定。10月初至次年6月初降雨量較小，安全系數(shù)基本不受降雨影響。次年6月中旬降雨量增大，安全系數(shù)降低，受7月初強降雨影響，7月中旬安全系數(shù)達(dá)到該階段最低值1.01，隨后降雨量逐漸減少，安全系數(shù)緩慢上升，至10月末安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。通過分析數(shù)值模型中各時段內(nèi)條塊受力特點，發(fā)生上述現(xiàn)象的原因如下：蓄水初期，水位上漲，邊坡條塊受浮托力和動水壓力影響，浮托力減弱了條塊下滑力及內(nèi)摩擦力，不利于邊坡穩(wěn)定，動水壓力主要為入滲壓力，有利于條塊穩(wěn)定，兩者綜合計算后，導(dǎo)致了不同階段安全系數(shù)的下降或上升。蓄水位穩(wěn)定后，浮托力及入滲壓力逐漸穩(wěn)定，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。隨著雨季的到來，邊坡受降雨補給，導(dǎo)致地下水位上升并產(chǎn)生動水壓力，土體基質(zhì)吸力下降，不利于條塊穩(wěn)定，邊坡安全系數(shù)降低，隨著降雨減少安全系數(shù)逐漸恢復(fù)。

通過安全系數(shù)與邊坡監(jiān)測變形值對比發(fā)現(xiàn)，兩者變形趨勢基本相同，但1—5月兩者發(fā)展趨勢有所差異，該段時間內(nèi)，安全系數(shù)基本穩(wěn)定，變形值仍緩慢發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，分析其原因為：蓄水初期，庫岸變形較大且快速發(fā)展，與數(shù)值模擬結(jié)果相同，后期變形發(fā)展減緩，持續(xù)時間較長，土體的蠕變及其發(fā)展過程是數(shù)值模擬難以計算的，也是導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況有所不同的主要因素。

5 結(jié)論

文章采用三維激光掃描技術(shù)對西藏某水庫區(qū)進(jìn)行了時間跨度為10個月的變形監(jiān)測，監(jiān)測成果表明：數(shù)據(jù)質(zhì)量準(zhǔn)確可靠，監(jiān)測范圍廣，數(shù)據(jù)豐富，可視化效果好，利于變形特征分析。三維激光掃描技術(shù)提供了一種獲得監(jiān)測區(qū)域三維擬合表面數(shù)據(jù)的方法，合理提取、分析這些數(shù)據(jù)(如文章所采取的面域分析與剖面分析方法)，并與降雨、庫水位等資料相結(jié)合，可獲得監(jiān)測區(qū)域的變形特征、發(fā)展趨勢，了解導(dǎo)致變形的影響因素?；谏鲜鲅芯砍晒?，文章同時建立了相應(yīng)的地質(zhì)數(shù)值模型，分析實際工況條件下庫岸穩(wěn)定性發(fā)展特征，對比監(jiān)測成果，驗證影響庫岸穩(wěn)定性的主要因素及其內(nèi)在機(jī)理。三維激光掃描技術(shù)在庫岸監(jiān)測方向上的成功應(yīng)用，提供了新的庫岸監(jiān)測方法與分析思路，其監(jiān)測成果與數(shù)值分析相結(jié)合對分析庫岸穩(wěn)定性，合理預(yù)測庫岸變形趨勢具有重要意義。

文章采用的三維激光掃描技術(shù)與數(shù)值分析方法優(yōu)勢明顯，同樣存在不足。點云單點精度較傳統(tǒng)方法稍遜，儀器精度有待提高?；邳c云數(shù)據(jù)的變形計算方法單一，后期處理仍依賴于人工識別，自動化程度低。對于三維擬合模型相同特征點的自動識別與變形計算的解決方案較少，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理深度的不同，開發(fā)出更多更優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理方案。數(shù)值分析方法對巖土體的模擬過于理想化，如文章計算過程中，未考慮降雨入滲系數(shù)、土體蒸發(fā)量、已有地裂縫對降雨入滲的影響以及土體滲透系數(shù)的不均勻性等因素。但隨著技術(shù)發(fā)展與改進(jìn)，三維激光掃描技術(shù)將成為一種常規(guī)監(jiān)測方法，數(shù)值模擬將更接近于真實，越來越多的新技術(shù)與方法將為巖土領(lǐng)域帶來技術(shù)革新。