近景攝影測量在斷裂結(jié)構(gòu)精細(xì)化勘測中的應(yīng)用

張培興ZHANG Pei-xing；劉紫嬋LIU Zi-chan；劉帥LIU Shuai

（①河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050061；②河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031）

0 引言

斷裂是在長期地質(zhì)歷史作用過程中形成的缺陷，廣泛地分布于地殼上，對于人類工程建設(shè)及生產(chǎn)生活具有不可忽視的影響，需要圍繞其展開地質(zhì)勘測[1-3]。特別是重大工程項(xiàng)目，必須要對其周圍的斷裂進(jìn)行詳細(xì)的勘測及分析，包括斷裂內(nèi)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、斷裂的控穩(wěn)控水特征等[4-6]，以便更穩(wěn)妥地推動工程建設(shè)。

由于斷裂具有隱伏性，往往需要采用探槽、鉆孔及物探等方式對其進(jìn)行探查，其中由于探槽受地形限制小且易于開挖揭露斷裂結(jié)構(gòu)而被廣泛運(yùn)用。如常祖峰等[7]在中緬交界蘇典斷裂根據(jù)探槽觀察結(jié)合樣品測年判識出其活動特征；張波等[8]在阿拉善地塊中通過探槽探究了斷裂的性質(zhì)，并運(yùn)用光釋光測年判斷了該活斷層的最新活動時(shí)代；畢楊楊等[9]借助斷層探槽觀測解譯的空間位置及斷層氣氡測量對石棉斷裂活動性形成了判斷；楊攀新等[10]在新疆博羅可怒-阿齊克都克活動斷裂研究中，基于新挖的探槽，利用沉積物光釋光年代和地震關(guān)系分析，確定了艾比湖段和精河以東段最新活動時(shí)代及古地震期次信息等。

然而針對上述斷裂開展的探槽觀測多為傳統(tǒng)的素描及部分拍照，對于如核廢料處置工程項(xiàng)目場址斷裂的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及其控水特征相關(guān)探索顯然無法滿足實(shí)際需求?；诖?，如遇到斷裂控水問題探究時(shí)，本文建議在已有探槽或新開挖的探槽基礎(chǔ)上，可考慮以近景攝影測量為主要技術(shù)手段，輔以地質(zhì)素描與現(xiàn)場影音記錄，展開斷裂結(jié)構(gòu)精細(xì)化勘測。

1 研究方法

近景攝影測量是近些年發(fā)展起來的非接觸式測量技術(shù)，得益于嚴(yán)密的測量理論與性能不斷升級的拍攝硬件，可以為研究人員提供帶有三維坐標(biāo)的高精度影像模型，經(jīng)過識別提取等，方便研究者較易獲得被測目標(biāo)的幾何關(guān)系及數(shù)量等數(shù)字化信息，還可以將影像模型導(dǎo)入3D渲染軟件實(shí)現(xiàn)模型動態(tài)展示。目前近景攝影測量已廣泛應(yīng)用于隧道內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)、古建筑保護(hù)與資源開發(fā)、高陡邊坡穩(wěn)定性分析、建筑物數(shù)字測繪等[11-12]。

近景攝影測量解譯計(jì)算中的四個(gè)主要變量為圖像平面坐標(biāo)系，空間三維坐標(biāo)系，相機(jī)模型，外方位元素。每一個(gè)可以是輸入量或輸出量。建模的基本思路是：通過已定出的圖像中裂隙面標(biāo)識點(diǎn)的平面坐標(biāo)與圖像中控制點(diǎn)空間三維坐標(biāo)求解出外方位元素，然后建立所求點(diǎn)的平面坐標(biāo)系，與外方位元素作為輸入值，求解出所求點(diǎn)（裂隙面標(biāo)識點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。建立三維探槽模型及解譯工作流程具體如圖1所示。

值得注意的是在進(jìn)行攝影測量前，針對選取的典型斷裂探槽應(yīng)進(jìn)行必要的人工清理，以便揭露出新鮮的觀測面，然后在其內(nèi)設(shè)立不少于6個(gè)的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)可以是框架式控制點(diǎn)或者貼紙式控制點(diǎn)（如圖2），采用免棱鏡全站儀測取控制點(diǎn)高精度三維坐標(biāo)。拍照設(shè)備建議采用不低于2400萬像素的單反相機(jī)，多角度進(jìn)行連續(xù)拍攝時(shí)要盡量保證前后圖像重疊率在50%～70%以上為宜。

2 適用項(xiàng)目

本文所述研究方法主要是面向斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其控水特征問題：斷裂多尺度裂隙水力聯(lián)系判定，場區(qū)邊界控水?dāng)嗔丫嚯x避讓與斷裂分區(qū)防滲注漿設(shè)計(jì)優(yōu)化等。具體來說，文中提出的研究方法可適用于地下工程周圍區(qū)域有斷裂或項(xiàng)目本身需穿越斷裂的項(xiàng)目，典型的如核廢料地下深埋處置、隧道突水突泥識別與防治、巷道巷井滲涌水防治等項(xiàng)目，亦可兼顧服務(wù)于地下硐室穩(wěn)定性分析與加固。

3 研究案例

案例一：本文所選的第一個(gè)探槽位于我國西北核廢料地下處置工程項(xiàng)目某預(yù)選場址邊界斷裂（走向大致為東北向）。作者等對該典型斷裂探槽進(jìn)行擴(kuò)槽清理后開展近景攝影測量獲得了三維模型（如圖3所示，其中Y軸為北方向），經(jīng)過三維模型旋轉(zhuǎn)觀察判斷可對斷裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元劃分，即可分為斷裂上盤損傷帶、斷裂核部碎裂碎粉偶夾斷層泥條帶以及下盤損傷帶，進(jìn)一步可以利用模型展開“微創(chuàng)手術(shù)式”取樣點(diǎn)標(biāo)記，作者等在斷裂核部標(biāo)記選出斷層泥試驗(yàn)樣品（031-1樣）、碎粉碎粒樣品（031-2樣）無尺寸效應(yīng)的樣品2件，上盤損傷帶樣品1件（031-3樣），時(shí)隔數(shù)月再次調(diào)取三維取樣后的探槽模型與樣品資料，編錄人員能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)樣品與取樣點(diǎn)的一一對應(yīng)，這將有助于預(yù)選區(qū)內(nèi)探槽數(shù)字化批量化編錄與取樣。

通過旋轉(zhuǎn)探槽模型觀察定位核部與損傷帶邊界后利用測尺量測（已結(jié)合控制點(diǎn)將探槽模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸），可較易獲得一次斷裂核部寬度為2.77m，其精度達(dá)厘米級，如圖4（a）所示，通過多次量測取均值，獲得核部寬度約為2.90m。此外，經(jīng)過攝影測量建模及解譯初步獲得斷裂下盤損傷帶約30條裂隙面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過Dips軟件成圖，可得裂隙優(yōu)勢產(chǎn)狀（如其中一組優(yōu)勢產(chǎn)狀為50°∠55°），如圖4（b）所示。對裂隙面優(yōu)勢產(chǎn)狀聚類分析后，便能對近核部不同裂隙巖樣是按照無尺寸效應(yīng)樣品還是按照具有尺寸效應(yīng)的樣品提出針對性的取樣方案等。

綜合以上模型獲得數(shù)據(jù)可更進(jìn)一步指導(dǎo)室內(nèi)外精細(xì)化水文試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及開展斷裂控水規(guī)律探究，作者等已于近期展開了一部分有關(guān)斷裂結(jié)構(gòu)及控水特征的定性探討工作，具體參閱文獻(xiàn)[13]。

案例二：本文所選取的第二個(gè)探槽位于我國西北核廢料處置工程某預(yù)選場址外數(shù)公里處的特大斷裂帶（走向大致為北東東向）。該探槽內(nèi)清晰揭露出了斷裂從上盤至下盤整個(gè)結(jié)構(gòu)單元的變化情況，李煜[14]選取槽內(nèi)露頭良好的巖塊對其進(jìn)行了近景攝影測量（如圖5（a）），在模型的基礎(chǔ)上通過影像灰度處理等過程，標(biāo)記出此巖塊內(nèi)含有三組不同產(chǎn)狀特征的裂隙面信息（如圖5（b）），在裂隙面跡線統(tǒng)計(jì)信息的基礎(chǔ)上對該塊進(jìn)行了巖體體積節(jié)理數(shù)估測等，綜合條數(shù)法與間距法獲得了其巖體體積節(jié)理數(shù)為23條/m3，經(jīng)轉(zhuǎn)換得該巖體完整性系數(shù)轉(zhuǎn)為0.31，查閱《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中巖體完整性系數(shù)與定性劃分的巖體完整程度對應(yīng)關(guān)系表判斷，該探槽內(nèi)巖體屬于破碎巖體，進(jìn)而推測其導(dǎo)水性能良好。顯然，本研究還可以進(jìn)一步疊加對應(yīng)位置的滲透試驗(yàn)系數(shù)，對比分析節(jié)理密度與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，斷裂橫向上則對比分析不同構(gòu)造單元的參數(shù)變化等，這將是斷裂探槽攝影測量的一個(gè)有益探究方向。

4 結(jié)論

本文立足斷裂控水問題，提出應(yīng)重視運(yùn)用近景攝影測量技術(shù)對其探槽內(nèi)揭露的斷裂信息進(jìn)行捕獲，通過兩個(gè)典型案例研究可以看出其不僅可以提供三維模型，更能夠借助模型統(tǒng)計(jì)獲得斷裂內(nèi)部各單元組構(gòu)特征、裂核部寬度、裂隙面優(yōu)勢產(chǎn)狀、取樣及裂隙密度等，不論從信息提取量還是從精細(xì)化程度與準(zhǔn)確性上看，是以往傳統(tǒng)地質(zhì)素描所不能比擬的，值得更深入的擴(kuò)展研究并加強(qiáng)有關(guān)應(yīng)用。

由于近景攝影測量技術(shù)形成的資料為數(shù)字化產(chǎn)品且便于計(jì)算機(jī)讀檔調(diào)取，可以考慮嘗試構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)與云共享技術(shù)的數(shù)據(jù)研判分析協(xié)同平臺，以求更好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場技術(shù)人員與異地專家共同“會診”。

最后，面對各類觀測技術(shù)如物探、化探、高精度航測、GPS-RTK以及本文研究的近景攝影測量技術(shù)等不斷發(fā)展的這一形勢，作為勘探行業(yè)的從業(yè)者與研究人員不要只關(guān)注一種方法，而應(yīng)重視這些技術(shù)的融合應(yīng)用，以便更好地服務(wù)于工程建設(shè)。

致謝：感謝南京理工大學(xué)章楊松教授在野外試驗(yàn)觀測中提供的攝影測量技術(shù)指導(dǎo)與相關(guān)基礎(chǔ)資料支持。