吉牛水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查新技術(shù)應(yīng)用

巨 淑 君， 高 志 良， 高 強(qiáng)， 彭 濤， 劉 恒

(國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

水電站庫(kù)區(qū)兩岸邊坡在受到降雨和庫(kù)水位相互作用的持續(xù)影響、人類工程活動(dòng)不斷加劇、極端天氣頻繁出現(xiàn)等造成的地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)、頻發(fā)。例如四川耿達(dá)龍?zhí)端娬疽蛏嫌文嗍鞅l(fā)，洪水漫壩，造成下游居民緊急轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了負(fù)面的社會(huì)影響。因此，水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)排查識(shí)別成了電站管理不可缺少的重要內(nèi)容。如何將水電站庫(kù)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)快速、精準(zhǔn)地排查識(shí)別出來(lái)成了水電站安全管理的一大難題。近年來(lái)，政府部門也加大了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的隱患排查和防治投入，提出要科學(xué)高效地建立地質(zhì)災(zāi)害防御體系，將微波遙感、三維激光掃描等新技術(shù)引入到地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中。隨著計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的發(fā)展，相比傳統(tǒng)的人工調(diào)查，新興技術(shù)在“即時(shí)性、客觀性、準(zhǔn)確性、全面性”等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，是科學(xué)、高效的地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別不可或缺的必要手段。例如無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)可以從不同角度獲取飛行信息數(shù)據(jù)，從多種方向進(jìn)行成像，構(gòu)建三維影像模型[1]。無(wú)人機(jī)機(jī)載Lidar檢測(cè)技術(shù)能夠“穿透”地表植被，獲取真實(shí)地表數(shù)字高程模型(DEM)，計(jì)算出地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵特征參數(shù)[2]。

采用機(jī)載激光掃描(LiDAR)和無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)吉牛水電站樞紐區(qū)及庫(kù)區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查，獲得隱患點(diǎn)信息，明確庫(kù)岸邊坡的管控方向。這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅積極響應(yīng)了國(guó)家政策，也符合大渡河流域地質(zhì)災(zāi)害防治需求，同時(shí)也能夠?yàn)槠渌娬镜刭|(zhì)災(zāi)害防治提供理論實(shí)踐和技術(shù)參考，并有望取得較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 應(yīng)用技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量檢測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)(UAV photography)是以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為手段的測(cè)繪技術(shù)，隨著技術(shù)演化發(fā)展又分為傳統(tǒng)垂直航空攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量。傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量主要用于地形圖測(cè)繪工作，是將航拍設(shè)備垂直對(duì)地獲取數(shù)字影像，經(jīng)過(guò)空間三維解算利用立體相對(duì)三維成像繪制測(cè)區(qū)地形圖(DLG)，并可得到測(cè)區(qū)正射影像圖(DOM)；傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取物體更為完整準(zhǔn)確的信息。不僅真實(shí)地反應(yīng)地物情況，而且可通過(guò)先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息，這種以“全要素、全紋理”的方式來(lái)表達(dá)空間物體，直觀立體的三維模型使地質(zhì)災(zāi)害全信息再現(xiàn)，傾斜攝影技術(shù)是今后地質(zhì)災(zāi)害三維建模的一個(gè)重要發(fā)展方向[3]。

1.2 無(wú)人機(jī)載Lidar檢測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)載LiDAR技術(shù)是一種安裝在無(wú)人機(jī)上的激光測(cè)距系統(tǒng)，可以測(cè)量地面物體的三維坐標(biāo)，具有自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高、能穿透植被等特點(diǎn)，是衛(wèi)星光學(xué)遙感和無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的有益補(bǔ)充。該技術(shù)快速獲取高精度地面三維空間信息，和高分辨率光學(xué)影像，其最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射多回波激光束，能一定程度的“穿透”地表植被，獲取地面真實(shí)地形特征(見(jiàn)圖1)，通過(guò)二維影像、三維空間數(shù)據(jù)綜合分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽性災(zāi)害的識(shí)別與信息提取。

圖1 機(jī)載LiDAR技術(shù)獲取地面真實(shí)地形特征原理

2 應(yīng)用成果

2.1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查環(huán)境及調(diào)查要求

吉牛水電站位于革什扎河干流上，上閘址位于獨(dú)狼溝匯口下游約600 m，集水面積2 252 km2，廠房位于大渡河干流(大金川)與革什扎河匯口以上約200 m。革什扎河是大渡河上游右岸一級(jí)支流，位于四川省西部，屬岷山、邛崍山高山區(qū)，流域北與太陽(yáng)河、俄日河分水，東與大渡河為臨，西與雅礱江支流鮮水河為界，南與東谷河相望，域內(nèi)群山屹立，河谷深切，嶺谷相對(duì)高差達(dá)1 000～2 500 m。

吉牛水電站為低閘引水式電站，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠房樞紐組成。水庫(kù)正常蓄水位2 378.00 m，總庫(kù)容197.5萬(wàn)m3，具有日調(diào)節(jié)性能。引水隧洞全長(zhǎng)22.377 km，額定引用流量60.28 m3/s。電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量240 MW，為單一發(fā)電工程，無(wú)灌溉、防洪等要求，并兼顧下游環(huán)境景觀用水要求。閘址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷及岸坡崩塌。兩岸谷坡特別是陡立基巖，岸坡巖體受結(jié)構(gòu)面的不利組合及卸荷影響，形成局部不穩(wěn)定巖塊，偶有崩塌、掉塊現(xiàn)象，崩塌物主要堆積于兩岸谷坡坡腳部位。

調(diào)查區(qū)域主要為丹巴縣的革什扎河干流庫(kù)區(qū)沿岸及大渡河干流(大金川)與革什扎河匯口附近，調(diào)查區(qū)域總面積約26 km2。調(diào)查路線沿革什扎河獨(dú)狼溝，然后經(jīng)由大渡河干流(大金川)與革什扎河匯口。調(diào)查內(nèi)容主要包括沿線主要地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布、災(zāi)害點(diǎn)性質(zhì)、大小、對(duì)庫(kù)區(qū)和大壩的危害性、災(zāi)害的影響范圍、可能造成的生命財(cái)產(chǎn)損失等。

2.2 技術(shù)要求及工程流程

2.2.1 精度要求

無(wú)人機(jī)傾斜攝影選用國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行地面控制測(cè)量，控制點(diǎn)指標(biāo)應(yīng)滿足測(cè)圖需求。航攝實(shí)施階段應(yīng)滿足航空管制要求，制定詳細(xì)的飛行計(jì)劃并制定應(yīng)急預(yù)案，必要時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備多處備降場(chǎng)地。在具體實(shí)施過(guò)程中應(yīng)注意監(jiān)測(cè)風(fēng)力變化[4]。

成果精度主要從數(shù)據(jù)處理，如點(diǎn)云植被穿透力，點(diǎn)云間整體重疊度來(lái)評(píng)判。由于滑坡體表面植被較多，對(duì)三維激光掃描儀的穿透力要求較高，為保證滑坡體全覆蓋精確掃描，選用rigel vz2000i型號(hào)三維激光掃描儀，該型號(hào)掃描儀擁有多目標(biāo)識(shí)別功能，基于回波數(shù)字化、實(shí)時(shí)波形處理及多波束收發(fā)處理技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，從而具備了高透射能力的基礎(chǔ)。植被穿透情況見(jiàn)圖2，點(diǎn)云拼接精度為4 mm，詳見(jiàn)圖3。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)植被穿透情況

圖3 點(diǎn)云拼接精度情況

2.2.2 數(shù)據(jù)獲取

無(wú)人機(jī)切斜攝影航線設(shè)計(jì)地面分辨率為0.2 m，航高為80～150 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。航攝完成后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì) POS 數(shù)據(jù)和航攝影像進(jìn)行檢查和整理，確保 POS 信息無(wú)遺漏，影像清晰，共獲得有效原始影像68 984張。無(wú)人機(jī)航攝中采用連接 CORS網(wǎng)絡(luò)的PPK作業(yè)模式。

LiDAR 數(shù)據(jù)獲取方式采用精準(zhǔn)地形跟隨飛行的作業(yè)模式。在確保作業(yè)安全的情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況統(tǒng)一航線對(duì)地表保持固定飛行高度80～150 m，確保激光對(duì)植被的穿透能力及均勻的地面分辨率，數(shù)據(jù)采集按照1∶500～1∶2000比例尺進(jìn)行。為了進(jìn)一步分析 LiDAR 技術(shù)的植被“穿透”能力，提取了研究區(qū)部分區(qū)域的 LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取剖面圖[5]。

2.2.3 工作流程

整個(gè)工作流程分為收集資料、制定航攝方案、系統(tǒng)檢校、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解算及處理等，工作流程見(jiàn)圖4。

圖4 工作流程

2.3 新技術(shù)普查成果

通過(guò)調(diào)查，吉牛水電站庫(kù)區(qū)的潛在地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)主要有6個(gè)，分別為庫(kù)區(qū)泄洪處邊坡、5號(hào)堆渣體不穩(wěn)定斜坡、6號(hào)堆渣體不穩(wěn)定斜坡、8號(hào)堆渣體不穩(wěn)定斜坡、蝶閥室滑坡和廠房泄洪處邊坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布見(jiàn)圖5和表1。調(diào)查區(qū)的巖性可以概括為變質(zhì)砂巖、板巖、灰?guī)r、頁(yè)巖、白云巖、玄武巖六類。將災(zāi)害點(diǎn)與巖性圖層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害在各類巖層中均較發(fā)育，實(shí)際調(diào)查表明，侵入巖體的硬質(zhì)巖容易形成崩塌地質(zhì)災(zāi)害，陡峭斜坡上發(fā)育危巖體的數(shù)量較多，在受到強(qiáng)風(fēng)化作用后被剝蝕為小顆粒而形成溜砂坡的數(shù)量也較多；而巖性相對(duì)較軟的巖石，容易形成不穩(wěn)定斜坡和局部垮塌等地質(zhì)災(zāi)害。

圖5 吉牛水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查點(diǎn)分布圖

表1 庫(kù)區(qū)災(zāi)害點(diǎn)傾斜攝影精度

下面著重論述蝶閥室滑坡。

蝶閥室滑坡位于革什扎河口上游約0.5 km的聶呷鄉(xiāng)甲居村區(qū)域邊坡中上部高程位置、蝶閥室交通洞洞口上部，邊坡附近無(wú)人員居住。中上部變形強(qiáng)烈的基巖邊坡地形陡峻，自然坡度40°～50°，局部達(dá)55°，而下游側(cè)、下部邊坡坡度較緩，地形相對(duì)較低，導(dǎo)致基巖邊坡在地形上相對(duì)較凸起，形成頭重腳輕的形態(tài)，下部支撐力不足，具備下滑的空間。坡面及坡腳形態(tài)完好，未見(jiàn)開(kāi)裂、鼓包等現(xiàn)象，位于15號(hào)路高程2187～2270m間，存在一定程度的變形跡象，具體表現(xiàn)為框格梁及擋墻的錯(cuò)位，滑坡體所處區(qū)域坡體有蠕滑跡象，滑移控制面(帶)可能為沿基覆界線或一定深度的全、強(qiáng)風(fēng)化巖體順層滑移，需實(shí)時(shí)掌握邊坡變形狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，滑坡全貌見(jiàn)圖6。

圖6 蝶閥室滑坡全貌圖

滑坡體有明顯2處裂隙，東西方向分布。①號(hào)寬度約25～50 cm，長(zhǎng)12～16 m；后緣基巖出露，坡度較陡，后緣以基巖出露為界，地形上表現(xiàn)為陡緩交界；左右邊界均以基巖為界；前緣至北側(cè)大渡河河谷，滑坡影像解譯見(jiàn)圖7。

圖7 蝶閥室滑坡影像解譯圖

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影和機(jī)載lidar技術(shù)對(duì)吉牛水電站庫(kù)區(qū)岸坡的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，明確了6個(gè)災(zāi)害隱患點(diǎn)的范圍、大小、發(fā)展形態(tài)等，為水電站庫(kù)區(qū)管理提供了一定的數(shù)據(jù)支撐，也為地質(zhì)災(zāi)害管控提高了針對(duì)性。無(wú)人機(jī)傾斜攝影和機(jī)載lidar技術(shù)不僅能夠快速提供高分辨率、高精度的地形地貌影像和實(shí)景三維模型，還能夠取代人工開(kāi)展一定的地質(zhì)災(zāi)害核查工作，減少人力的投入，規(guī)避人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，是地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)工作一種重要途徑。