無人機(jī)在崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

王翰強(qiáng)

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250100）

近些年來發(fā)展的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可快速拍攝高清影像，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型，獲取相關(guān)地質(zhì)信息，從而很好的解決了采礦宕口區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查精度問題。文章以連云港錦屏山南部的一處采石宕口為研究區(qū)，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲得研究區(qū)三維高清模型，據(jù)此得到邊坡的基本地質(zhì)信息，并在此基礎(chǔ)上利用赤平投影分析確定邊坡的破壞模式，從而為當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害防治及預(yù)警提供可靠的地質(zhì)依據(jù)[1]。

1 研究區(qū)簡介

嶗山區(qū)屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，空氣濕潤，雨量充沛，濕度適中，四季分明的氣候特征，同時由于瀕臨黃海，明顯受海洋的調(diào)節(jié)作用，又表現(xiàn)為冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、春冷、秋暖、冬濕、晝夜溫差小、無霜期長和濕度大等海洋性氣候的特點。多年平均氣溫12.1℃，1月份平均氣溫最低，為-6.4℃，8月份平均氣溫最高為25.3℃，極端最低氣溫-20.5℃（1957.1.22），最大凍土深度43cm，極端最高氣溫36.9℃。多年平均相對濕度72%，多年平均日照2515.5小時/年。年內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，11月至次年3月多北及西北風(fēng)，4～8月多南及東南風(fēng)，9～10月北風(fēng)和南風(fēng)基本相等。歷年平均風(fēng)速為2.7m/s，歷年最大風(fēng)速大于20m/s(1981.9.1)。全區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1448.7mm（1956-2015），最大蒸發(fā)量1711.8mm(1968年)，最小蒸發(fā)量1234.4mm（1964年）。

據(jù)嶗山區(qū)氣象局1951-2018年資料統(tǒng)計，全區(qū)多年平均降水量849.9mm，最大年降水量1426.1mm(1975年)，最小年降水量273.3mm（1981年）。全年降水大多集中在6～8月份，占全年降水量的58%，12月至翌年2月降水最小，占全年降水量的5.4%。多年平均降水天數(shù)為84.3天，占全年的23%。歷年最大日降水量267.9mm(1956.9.5)；連續(xù)降水時間最長為9天（1956.9.19-27），最大時降水量為64.1mm，由于受地形條件控制，全區(qū)降水呈明顯地域差異，在總體平面展布上，南部降水小于北部，地形較高的區(qū)域大于較低的區(qū)域，嶗頂2103.8mm，北九水1073mm，烏衣巷843mm，山色峪843mm，沙子口726.6mm。降雨尤其是大暴雨，是引發(fā)嶗山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一[2]。

2 崩塌的分布、類型及形態(tài)特征

2.1 范圍

該崩塌位于風(fēng)景區(qū)公路的路塹邊坡上。坡體陡崖坡度近82°，頂部坡體坡度約58°。危巖前端與公路的最大高差約14m， 危巖后端與公路的最大高差約20m。坡腳緊鄰公路，正面分布長度約20m。卸荷帶厚度約7～10m。地理位置為：E：120° 39’12.20”，N ：36° 07’44.09”，H ：25m。

2.2 規(guī)模及形態(tài)

按相對高度劃分（相對高度14m～20m）屬中位危巖體。根據(jù)危巖帶巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及組合特征、切割塊體的變形破壞機(jī)制及所處位置等情況，劃分為1個危巖單體，塊體最大規(guī)模為6160m3（W7），屬中型危巖；危巖周邊分布零星小型不穩(wěn)定危巖（如圖1～4），規(guī)模小于10m3，高度小于15m，均屬于小型低位危巖。目前該陡崖的多個危巖體處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，此危巖帶的形成已進(jìn)入成熟期，趨于臨崩狀態(tài)。

圖1 W7危巖

圖2 W7危巖側(cè)面

圖3 W7危巖L2裂隙

圖4 W7危巖楔形切割

3 危巖形成的影響因素分析

3.1 主導(dǎo)因素

3.1.1 地層巖性

形成危巖的陡崖均為花崗巖，致密堅硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，常裸露凸出坡面，而其下也無軟弱巖層發(fā)育，但有人工挖掘形成的巖腔。

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

邊坡母巖由花崗巖組成，巖體質(zhì)量較高，危巖所在區(qū)域的巖性相對簡單，其節(jié)理走向傾向受主要構(gòu)造線及力學(xué)性質(zhì)的控制，走向以NE及NNW為主，主要發(fā)育三組結(jié)構(gòu)面。其中J1：56°∠71°，J2：205°∠59°，J3：318°∠26°；坡向坡度：140°∠82°。由于多期構(gòu)造活動，平行于走向的結(jié)構(gòu)面局部張開度及連通性均較好，對該危巖的形成及發(fā)展起重要控制作用，由J1和J2的切割，形成楔形體，且順坡外傾[3]。

3.1.3 地形地貌

如前所述，危巖發(fā)育于路塹邊坡之上，邊坡由人工開挖而成，危巖與路面高差14m～20m，后部山體高度大于100m，上部坡度約58°，下部路塹坡度約82°。人工開挖形成的陡崖作為危巖形成的基本條件之一，一方面促進(jìn)了裂隙的發(fā)展，另一方面高陡的陡崖加大了危巖崩塌產(chǎn)生的破壞力。

3.1.4 水文地質(zhì)

花崗巖巖體內(nèi)兩組相交的裂隙發(fā)育，貫通性較好，受地形切割影響，透水性強(qiáng)。大氣降水滲入巖層裂隙，溶解可溶物質(zhì)，加速了裂隙的擴(kuò)展與貫通；在洪水季節(jié)還要產(chǎn)生暫時性裂隙水效應(yīng)，促進(jìn)危巖體向崩塌破壞產(chǎn)生。

3.2 誘發(fā)因素

3.2.1 風(fēng)化作用

由于危巖位于坡頂表面，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，在其表面的球狀風(fēng)化跡象明顯，由于兩組相交的裂隙發(fā)育，使得風(fēng)化作用深入到巖體內(nèi)部。風(fēng)化作用使花崗巖巖體中原有裂隙擴(kuò)展，并與層面裂隙貫通，加速了危巖的形成和局部崩塌的產(chǎn)生。

3.2.2 生物作用

坡體表面沿陡崖裂隙生長有多株小型喬木、灌木等，一方面生長在花崗巖裂隙中的灌木的根劈作用使裂隙加寬加深；另一方面樹木本身的重量加大了巖體的荷載，并向巖體傳遞風(fēng)的動力荷載，對巖體的穩(wěn)定不利。

3.2.3 降雨

降雨是影響危巖崩塌的主要因素，主要的作用有三個方面：一是水的物理化學(xué)作用降低了持力土層的強(qiáng)度；二是在危巖后緣的裂縫中的水柱形成靜水壓力；三是入滲滑塌體近水平結(jié)構(gòu)面內(nèi)形成的揚(yáng)壓力作用。以上因素都使得危巖在雨季的穩(wěn)定性大幅下降。降雨對危巖體的穩(wěn)定性影響極大，危巖多數(shù)崩塌是在雨季發(fā)生的。

3.2.4 其它

人類工程活動、地震等對危巖區(qū)都有較大影響。

3.3 危巖形成機(jī)制分析

該區(qū)域危巖的形成機(jī)制與其地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，由于坡體受兩組相交的節(jié)理裂隙J1和J2切割，在坡面形成楔形切割，楔形體底部棱線順坡外傾，但由于棱體自坡體內(nèi)部向坡面方向?qū)挾葴p小，形成類似喇叭型塊體，即內(nèi)大外小的特征，因此，塊體有滑動趨勢，但受兩側(cè)巖體阻擋，發(fā)生失穩(wěn)的可能性較低。總之危巖整體的破壞方式是滑移型。其次楔形體J3產(chǎn)狀約為318°∠26°，間距約2m～4m的平行裂隙切割，由于危巖前部有巖腔，使得危巖體前部發(fā)生塊體墜落失穩(wěn)的可能。這也是危巖前部巖腔的形成原因。

因此該處危巖的整體變形破壞方式為滑移式，前端局部巖體的破壞方式為墜落式[4,5]。

4 無人機(jī)對危巖區(qū)結(jié)構(gòu)面特征獲取

巖體結(jié)構(gòu)面的幾何特征是分析邊坡穩(wěn)定性的重要因素，而巖體結(jié)構(gòu)面最主要的幾何特征是傾向傾角和走向，即結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。因此在分析邊坡穩(wěn)定性之前，需要盡可能多的統(tǒng)計邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息。傳統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的方法是羅盤接觸法測量，即用羅盤貼緊巖體結(jié)構(gòu)面后讀取結(jié)構(gòu)面傾向傾角。但是，這種傳統(tǒng)的用羅盤測量邊坡巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的方法存在許多缺點：①測量效率低，費(fèi)時費(fèi)力，導(dǎo)致測量成本很高；②由于測量人員專業(yè)素質(zhì)的不同，容易出現(xiàn)人為誤差，難以完全保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性；③當(dāng)邊坡較高或者較陡時，測量人員無法靠近巖體結(jié)構(gòu)面表面，難以測量其產(chǎn)狀；④當(dāng)邊坡不穩(wěn)定或者突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害時，測量人員的人身安全將處于極其危險的境地。因此，怎么高效、準(zhǔn)確和安全地測量和統(tǒng)計巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀成為國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者研究的內(nèi)容，非接觸式測量巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的方法開始慢慢發(fā)展。本次采用建模式非接觸測量巖體產(chǎn)狀，是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在巖體基本地質(zhì)信息統(tǒng)計中的一大應(yīng)用。

與傳統(tǒng)接觸式測量相比，采用無人機(jī)攝影測量計算巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的方法，很好地克服了用全站儀和三維激光掃描儀測量這兩種方法的局限性，創(chuàng)造性地提出了測量巖體結(jié)構(gòu)面的新方法，能有效地測量高邊坡和環(huán)境復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)面。該方法具有如下一些優(yōu)點：①無人機(jī)價格便宜，操作簡單，拍攝效率高，測量成本低；②無人機(jī)靈活方便，機(jī)動性強(qiáng)，可以上升到很高的地方進(jìn)行拍攝；③對環(huán)境要求低，適用性強(qiáng)，可多角度全方位拍攝，不存在拍攝盲區(qū)；④照片用于建立三維模型，能最大限度還原真實環(huán)境，可在室內(nèi)完成結(jié)構(gòu)面測量，省時省力。

5 結(jié)語

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可在礦區(qū)或人工切坡造成的高陡危巖邊坡區(qū)，快速的構(gòu)建高清三維實景地質(zhì)模型，實現(xiàn)崩塌地質(zhì)災(zāi)害及隱患的“地質(zhì)信息快速高精度非接觸式安全讀取”，該方法極具實用性及創(chuàng)新性，能夠為高陡邊坡區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的詳細(xì)調(diào)查及后續(xù)穩(wěn)定性評價提供有效的技術(shù)支撐。