基于三維激光掃描技術(shù)的金沙江“11·03”白格堰塞湖應(yīng)急測繪研究

李洪梁 施富強 王立娟 ，4 尹 恒 ，4 賈虎軍 唐 堯 1

（1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610000；2.重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610000；3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；4.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059）

2018年10月11日晚，西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣交界處金沙江右岸山體發(fā)生高位滑坡（簡稱“10·11滑坡”），堵塞金沙江干流河道，形成了堰塞湖，堰塞湖最大蓄水量達(dá)2.9億m3；10月12日17時，堰塞湖開始緩慢自然泄流，至13日20時，堰塞湖基本恢復(fù)常態(tài)，壩下水位平穩(wěn)，險情得到有效控制。2018年11月3日17時，“10·11滑坡”的滑坡點后緣巖土體再次發(fā)生失穩(wěn)滑坡（簡稱“11·03滑坡”），形成的堰塞壩比“10·11滑坡”堰塞壩高出約50 m，金沙江再次斷流，西藏自治區(qū)防汛抗旱指揮部迅速將堰塞湖防汛應(yīng)急響應(yīng)從Ⅳ級提升至Ⅱ級；11月7日凌晨，堰塞湖蓄水量達(dá)2.71億m3，水位上漲速度達(dá)0.3 m/h，形勢危急。災(zāi)害發(fā)生后，國家各部委、西藏自治區(qū)和四川省各級人民政府迅速啟動應(yīng)急響應(yīng)，積極有序開展應(yīng)急工作，為緩解災(zāi)情和次生災(zāi)害的發(fā)生起到了重要作用。重大危險源測控四川省重點實驗室迅速組織隊伍攜帶專業(yè)測繪儀器趕往現(xiàn)場，開展應(yīng)急測繪工作。

堰塞湖一般為多種地質(zhì)營力共同形成的自然地貌，主要是指在一定的地質(zhì)與地貌條件下，由火山噴發(fā)或溢流巖漿、冰磧物、泥石流堆積體以及滑坡體等轉(zhuǎn)化為碎屑流，在河道內(nèi)堆積形成橫向堤壩造成河道堵塞回水而形成的湖泊［1］。按其成因可分為滑坡堰塞湖、冰川堰塞湖和地震堰塞湖3類［2］。其中，滑坡堰塞湖主要發(fā)育在地形深切割區(qū)，是滑坡導(dǎo)致的嚴(yán)重次生災(zāi)害之一。由于滑坡堰塞湖壩體為快速堆積形成，其結(jié)構(gòu)處于未固結(jié)的松散狀態(tài)，在水流滲透作用下極易發(fā)生潰壩，嚴(yán)重威脅著下游公共基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財產(chǎn)的安全，同時隨著河道堵塞回水，上游村莊等也面臨淹沒危害［3-5］。因此，快速地科學(xué)預(yù)判堰塞湖壩體現(xiàn)狀、合理設(shè)置泄洪方式與泄流通道是解決上述潛在威脅的關(guān)鍵。

對于此類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，需在災(zāi)害發(fā)生后快速、高效、高精度地獲取地質(zhì)災(zāi)害體區(qū)域的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，為應(yīng)急處置工作提供基礎(chǔ)保障性資料。但由于地質(zhì)環(huán)境惡劣、地形切割強烈，加上巖土體破碎，斜坡存在再次失穩(wěn)的可能，傳統(tǒng)測繪手段難以滿足應(yīng)急測繪的要求。與傳統(tǒng)測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)量大、精度高等特點，在非接觸式快速獲取地質(zhì)災(zāi)害體三維坐標(biāo)信息的同時，還能存儲其真彩色信息，因此又稱為“實景復(fù)制”［6-9］。為此，本研究將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到金沙江“11·03”白格堰塞湖應(yīng)急測繪工作中，利用應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)建立了堰塞壩三維模型，輔助進行了滑塌方量計算以及排洪設(shè)計等工作，并取得了良好的效果，為今后類似災(zāi)害的應(yīng)急處置工作提供了技術(shù)參考。

1 堰塞湖區(qū)域地質(zhì)環(huán)境概況

金沙江“11·03”白格堰塞湖位于金沙江上游河段，發(fā)育典型的“V”型谷，山脊與河流走向大致呈NW—SE向展布，海拔2 850～3 750 m，相對高差近900 m，屬于高山深切割區(qū)。區(qū)內(nèi)風(fēng)化作用極為強烈，晝夜溫差大，年均氣溫約5℃，年均降雨量近630 mm，為高原型大陸季風(fēng)氣候。

在大地構(gòu)造位置上，白格堰塞湖地處金沙江蛇綠巖帶SN向構(gòu)造混雜巖帶北段（圖1（a））。受板塊俯沖、碰撞及造山作用的影響，區(qū)域構(gòu)造線主體呈NW—SE向展布，發(fā)育特征性的褶沖構(gòu)造體系（圖1（b））。地層由老至新依次為：元古界雄松群（Ptxna）花崗片麻巖，海西期（D2-P1）蛇紋巖（ψω4），上石炭統(tǒng)石人溝組（C2sh）生物碎屑灰?guī)r，上三疊統(tǒng)松多組（T3x）灰?guī)r與碎屑巖互層，上三疊統(tǒng)金古組（T3jn）灰?guī)r。區(qū)內(nèi)巖漿巖分布廣泛，但巖性單一，主要為二長花崗巖（ηγ52b）和花崗閃長巖（γδ52a）。與本次山體滑坡形成的白格堰塞湖密切相關(guān)的地層單元為元古界雄松群（Ptxna）花崗片麻巖和海西期（D2-P1）蛇紋巖（ψω4），其中花崗片麻巖巖石破碎，除了發(fā)育產(chǎn)狀為251°∠44°的片麻理外，還發(fā)育典型的“X”型共軛剪節(jié)理，產(chǎn)狀分別為55°∠81°和124°∠77°。區(qū)內(nèi)蛇紋巖結(jié)構(gòu)松散，已發(fā)生強烈的黏土化?？梢?，大陸碰撞造山形成了復(fù)雜的構(gòu)造組合體系，加上高原地區(qū)特有的強物理風(fēng)化作用，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)巖土體極為破碎，是導(dǎo)致本次災(zāi)害發(fā)生的主要因素。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次應(yīng)急測繪工作選取的掃描儀為奧地利RIEGL公司生產(chǎn)的VZ2000i三維激光掃描儀，具體參數(shù)如表1所示。

由于高位滑坡形成的堰塞壩上亂石堆積（圖2），極易阻擋掃描視線，為保證壩體區(qū)域數(shù)據(jù)采集的完整性和相鄰站點之間的重疊度，本次掃描共設(shè)置了10個掃描站點，并通過建立基準(zhǔn)站的方式利用RTK精確采集各站點坐標(biāo)。數(shù)據(jù)采集時間為2018年11月7日14—18時。

點云數(shù)據(jù)獲取后，首先利用RiSCAN PRO軟件對各站點點云數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)賦值，將點云配準(zhǔn)到WGS-84坐標(biāo)系下；然后通過數(shù)據(jù)精拼（MSA）獲得了精度為0.008 4 m的點云數(shù)據(jù)；最后進行去燥、植被剔除等處理之后，得到符合要求的堰塞壩及周緣區(qū)域的點云數(shù)據(jù)（圖3）。

3 應(yīng)急測繪應(yīng)用

3.1 快速地形測量

地形圖是災(zāi)情發(fā)生后決策指揮部門制定應(yīng)急決策的依據(jù)，更是后期設(shè)計及施工單位進行災(zāi)害治理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)作為測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的單點測量，能在短時間內(nèi)快速獲取地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，并且經(jīng)過眾多專家學(xué)者驗證，其精度完全能滿足大比例尺地形測繪的要求［11-16］。

在獲取堰塞湖壩體區(qū)域的三維激光點云數(shù)據(jù)之后，按照1 m間距利用RiSCAN PRO將圖3所示的點云抽稀，導(dǎo)出.dat文件，采用CASS9.1軟件展點繪制地形線，經(jīng)整飾后得到堰塞湖壩體區(qū)域的最終地形圖，如圖4所示。

3.2 滑坡方量計算

本研究通過兩期DEM疊加的方式計算本次滑坡方量。采用MapTek I-Site Studio軟件將白格堰塞湖區(qū)地形數(shù)據(jù)生成DEM（圖5（a）），并以四川省測繪地理信息局測繪技術(shù)服務(wù)中心提供的滑坡之前的1∶50 000 DEM數(shù)據(jù)為底圖（圖5（b）），將兩期DEM數(shù)據(jù)疊加得到滑坡體的堆積范圍（圖6），利用“填挖方”模塊計算得出本次滑坡方量約554萬m3。

3.3 排洪斜槽參數(shù)設(shè)計

堰塞湖形成后，堵塞體通常會被沖刷、侵蝕、溶解，一旦發(fā)生大規(guī)模破壞，湖水便漫溢而出，傾瀉而下，形成洪災(zāi)，極具破壞力。因此，堰塞湖形成后的關(guān)鍵問題是采用何種方式處置該堰塞湖，以減輕或消除后續(xù)災(zāi)害的損失［4，17-22］。一般情況下，常見的堰塞湖處理方式有爆破、挖槽、加固3種方式［23］。經(jīng)實地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，本次滑塌形成的堆積體以泥土或粉沙質(zhì)泥土為主，與大顆粒碎石角礫的比例約為7∶3，若采用爆破方式處置，極易造成兩岸山體的二次滑坡，此外，面臨水位的快速上漲，加固處理顯得效率較低。鑒于嚴(yán)峻的形勢，經(jīng)過論證，本研究采用人工挖槽泄流的方式處置白格堰塞湖。

為此，在利用三維激光掃描數(shù)據(jù)獲得的壩體區(qū)域高精度DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用3D Mine軟件對排洪斜槽進行了參數(shù)設(shè)計。在壩體DEM上，選取地勢相對低洼處作為排水斜槽通道（圖7），合理設(shè)置斜槽坡降，并充分考慮水位上漲速度，設(shè)計了分級“倒梯形”斷面（圖8），泄流槽長度約226 m，最大頂寬38.1 m，底寬3 m，最大開挖深度13.3 m，坡度約1∶1.11，計算得出排洪斜槽開挖方量約26 716.5 m3。

按照排洪斜槽參數(shù)，本研究于2018年11月9日組織首批施工隊伍進駐現(xiàn)場開挖排洪斜槽。2018年11月12日，金沙江“11·03”白格堰塞湖通過人工開挖的排洪斜槽開始過流，并于11月16日水位基本穩(wěn)定（圖9），險情得到有效緩解。

4 結(jié) 論

（1）將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于金沙江“11·03”白格堰塞湖的應(yīng)急處置工作中，利用掃描的點云數(shù)據(jù)獲得了壩體區(qū)域的大比例尺地形圖，建立了壩體區(qū)域的DEM，通過滑坡前后兩期DEM數(shù)據(jù)疊加概算了滑坡方量，并利用3D Mine軟件輔助設(shè)計了排洪斜槽參數(shù)，為堰塞湖搶險工作的科學(xué)、快速決策提供了堅實的技術(shù)支撐。

（2）本次堰塞湖搶險工作的成功處置也證實了三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪中優(yōu)勢明顯，不僅能快速精確地獲取地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的大量點云數(shù)據(jù)，有效節(jié)約時間和人力、物力，而且能非接觸式地對深切割、易垮塌區(qū)等危險區(qū)域進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，保證了人員和設(shè)備的安全，對于今后類似地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪工作具有一定的借鑒意義。

致 謝

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中得到了中華人民共和國水利部、中國安能建設(shè)集團（原武警水電部隊）、西藏昌都市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局等單位現(xiàn)場救援人員的鼎力支持；陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院龍源教授、謝興博教授，國家水利部水利科學(xué)院張永哲工程師，長江水利委員會長江科學(xué)院爆破與震動研究所劉美山總工程師和西藏自治區(qū)國土資源局劉鴻飛高級工程師等在現(xiàn)場進行了諸多有益指導(dǎo)，在此一并表示感謝！