無人機(jī)三維實景建模軟件在危巖勘查治理中的運用

鄒東璃

四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司

崩塌是指巖石塊體從坡體脫離并沿坡面向下快速運動，是山區(qū)的常見地質(zhì)災(zāi)害，由于其突發(fā)性高、隨機(jī)性強(qiáng)，常給坡體下部的建構(gòu)筑物帶來極大的破壞，甚至危及人民生命安全。如2017年茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村遭遇巖體大范圍突發(fā)性高位崩塌，進(jìn)而形成高速碎屑流，致使全村被毀，100余人被埋，造成極大的人員財產(chǎn)損失。

雖然目前對崩塌發(fā)生的機(jī)理、類型等已有較深入研究，可通過評價巖體結(jié)構(gòu)面特別是軟弱結(jié)構(gòu)面對危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行評價[1]。然而，由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面測量法（測線法和窗口統(tǒng)計法）是通過羅盤、直尺等工具，對巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距、跡長等幾何參數(shù)進(jìn)行直接測量，屬于接觸式、單點式測量[2]，效率低下，工作量大，在高危邊坡作業(yè)，地質(zhì)勘察危險性很高，很多高陡邊坡更是無法攀爬、近距離接觸的，導(dǎo)致難以獲取得真實詳細(xì)的巖體結(jié)構(gòu)面信息，對危巖體的評價多以工程類比法為最終手段，其評價結(jié)果受地質(zhì)工程師自身判斷的影響很大。

近年來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描儀以其非接觸、高效率的優(yōu)點，得到了不少應(yīng)用，但由于其設(shè)備昂貴、對材料反光要求高、凹凸巖體存在無法測量死角等弊病，難以得到大規(guī)模推廣。而基于小型無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，多角度對被測量物體進(jìn)行低空測量，不易被云層遮擋、不存在死角，可獲取高精度影像建立三維實景模型，為危巖體的勘察、評價和治理帶來了新的手段和希望。

1 危巖體勘察對航拍影像的要求

危巖體勘察的主要目的是獲取完整、詳實的巖體結(jié)構(gòu)面信息，以保證巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價準(zhǔn)確可靠。因此，需要建立既準(zhǔn)確又精細(xì)的三維實景模型，除滿足相片重疊率、航線彎曲度、相片旋轉(zhuǎn)角等要求外[3]，考慮到危巖體結(jié)構(gòu)面往往為厘米級，要獲取cm級分辨率，飛行高度（鏡頭距危巖距離）必須足夠低。而考慮到危巖一般只占巖體的一部分，全程采取低空飛行不僅飛行效率低，且飛行安全隱患大。推薦采用整個巖體預(yù)設(shè)航線按一定比例尺（1∶500或1∶1 000）采集影像，再對危巖體采用手動控制抵近飛行采集高精度影像的方式。

2 三維實景模型建模軟件要求

目前市面上有較多軟件均可實現(xiàn)基于無人機(jī)航飛傾斜攝影影像建立三維實體模型，不同軟件在易用性、建模速度、紋理效果上各有側(cè)重，應(yīng)選擇模型質(zhì)量、紋理效果最佳的軟件，以利于識別巖體結(jié)構(gòu)面并測量產(chǎn)狀、長度等信息。

3 基于三維實景模型軟件的危巖體勘察治理

巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)獲取困難是傳統(tǒng)方法評價危巖體穩(wěn)定性效果差的最主要原因[4]?；趦A斜攝影建立三維實景模型則很好地解決了這個問題，利用三維實景模型與落石運動軌跡模擬軟件，評價危巖體穩(wěn)定性、模擬落石運動軌跡的步驟如下：

（1） 獲取危巖體形態(tài)與規(guī)模

通過三維實景模型真實再現(xiàn)危巖體實際狀態(tài)，通過拉近旋轉(zhuǎn)等方式全方位觀察危巖體形態(tài)、量取危巖體尺寸，為計算危巖體穩(wěn)定性等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2） 獲取巖體結(jié)構(gòu)面基本信息

直接在模型上獲取結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度、豎向切深、水平延伸、張開度、充填狀態(tài)、穿層性等基本信息。通過提取特征點坐標(biāo)方式，獲取同一結(jié)構(gòu)面不同位置坐標(biāo)，進(jìn)而計算產(chǎn)狀。

（3） 確定危巖破壞方式

按機(jī)理劃分，崩塌分為傾倒式、滑移式、鼓脹式、拉裂式與錯斷式5類。根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀以及不同結(jié)構(gòu)面對巖體的切割情況，可準(zhǔn)確判定某一具體危巖體的破壞方式。

表1 按機(jī)理劃分崩塌類型

（4）計算危巖穩(wěn)定性

根據(jù)具體危巖體的破壞方式，確定穩(wěn)定性驗算的計算公式，代入危巖體尺寸、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等基礎(chǔ)參數(shù)，計算不同工況下具體危巖體的穩(wěn)定性。

（5）模擬落石滾落、確定支護(hù)方式

落石的運動狀態(tài)受落石自身特征如大小、形狀及強(qiáng)度，邊坡條件如坡度、坡高、坡表起伏及坡面物質(zhì)條件，落石初始運動狀態(tài)如速度大小、方向與入射角等多方面因素影響，其主要運動狀態(tài)有墜落或拋射、彈跳、滾動、滑動等，大多數(shù)情況下，落石的運動都是上述運動復(fù)合形式，在不同位置不同階段表現(xiàn)為不同的運動狀態(tài)，在落石運動過程中還可能發(fā)生破碎掉塊現(xiàn)象，運動狀態(tài)復(fù)雜。

在實際計算中，可采取保守簡化方式，視落石為圓形彈性體，永不破碎，采用《崩塌防治工程設(shè)計規(guī)范》中公式計算；或采用Rockfall及類似軟件[5]模擬落石運動軌跡。在實際工程使用中，可根據(jù)三維實景模型，提取地形圖及具體剖面線，導(dǎo)入Rockfall中計算落石運動軌跡與能量分布[6]，再結(jié)合需防護(hù)建構(gòu)筑物特征與位置，優(yōu)選適宜的支護(hù)方式。

4 工程實例應(yīng)用

某電廠運煤道路起點段坡頂危巖體為例，該危巖體高對應(yīng)斷面運煤道路45～50 m，危巖體呈直立狀，局部臨空向外凸起，危巖體長度約55 m，高度3～13 m不等。巖體為厚層～巨厚層狀灰?guī)r，產(chǎn)狀近水平，節(jié)理裂隙發(fā)育，以平行的豎向裂隙為主。

圖1 某電廠運煤道路起點坡頂危巖體

由于巖體直立，局部甚至臨空凸出，地質(zhì)工程師無法抵達(dá)危巖體直接測量獲取結(jié)構(gòu)面基本信息，使用無人機(jī)航拍影像建立三維實景模型如圖2所示。

圖2 某電廠運煤道路起點坡頂危巖體三維實景模型

通過三維航拍影像與三維實景模型可知，巖體豎向裂隙發(fā)育，部分巖體多道豎向裂隙切割，形成僅底部與母巖相連的塊體，屬于典型的傾倒式崩塌。采用《工程地質(zhì)手冊》[5]中式6-2-17計算抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)：

代入具體參數(shù)：落石尺寸為4 m高×2 m寬×1.2 m厚；灰?guī)r重度23 kN/m3；設(shè)計地震動加速度0.10g，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況下抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

從表2可知，該具體危巖在暴雨工況下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與目前該危巖未發(fā)生崩落的現(xiàn)狀吻合。但在暴雨+地震工況下，危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，潛在崩落危險。

為確定落石運動軌跡及落石能量，為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，采用Rockfall軟件進(jìn)行模擬，危巖下坡側(cè)為錨桿+掛網(wǎng)噴砼支護(hù)坡面，坡率一致，坡面無植被。故切向阻尼系數(shù)Rt取值為0.85，法向阻尼系數(shù)取值為0.35；考慮其為傾倒式崩落，假定初始水平速度與垂直速度均為1 m/s。Rockfall軟件模擬該落石隨機(jī)掉落100次的運動過程結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出：

圖3 落石模擬運動軌跡

（1）當(dāng)坡腳無阻礙時，落石可滾至坡腳外15—25m；

（2）落石運動至坡腳時動能最大，可達(dá)700×104J，約等于1.75 kgTNT炸藥或約350個手榴彈爆炸威力。

（3）落石剛運動至坡腳時，彈跳高度達(dá)2～4 m。

總體而言，該落石能量大，彈跳高度高，而坡腳即為防護(hù)對象——運煤道路，公路內(nèi)側(cè)修筑防護(hù)結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)的高度、抗沖擊能力要求高?？紤]到該落石僅在極端工況（暴雨+地震）條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且該極端工況下抗傾覆安全系數(shù)僅略低于1，采取措施防止其掉落顯然是更優(yōu)也更易實施方案。因此，推薦采用預(yù)應(yīng)力錨索+主動防護(hù)網(wǎng)方式對危巖體進(jìn)行支護(hù)。

5 結(jié)語

（1）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面測量方法效率低、危險大，難以獲取準(zhǔn)確、詳實的巖體結(jié)構(gòu)面信息，易導(dǎo)致危巖穩(wěn)定性定量評價失真，往往以工程類比法定性評價作為最終手段，其評價結(jié)果受地質(zhì)工程師自身判斷的影響很大；

（2）基于無人機(jī)傾斜攝影并建立三維實體模型，具有速度快、安全性高、信息翔實等優(yōu)點，解決了巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取困難的問題，為危巖體的勘察、評價和治理帶來了新的手段和希望；

（3）通過高精度三維實體模型，結(jié)合Rockfall落石運動模擬軟件，實現(xiàn)了從危巖勘察評價到落實模擬的全過程：危巖體形態(tài)觀察、規(guī)模測定→獲取巖體結(jié)構(gòu)面基礎(chǔ)信息→判斷危巖體破壞機(jī)制→危巖體穩(wěn)定性定量評價→落石運動模擬，為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠支撐；

（4）針對實際工程，應(yīng)用上述解決方案，評價了具體危巖的穩(wěn)定性，計算了崩塌落石運動特性，選取出適宜的支護(hù)方案并成功實施；

（5）落石運動軌跡的影響因素眾多，簡化條件較多且目前尚處于二維模擬階段，如何利用三維實景模型進(jìn)行落實運動三維模擬，還需繼續(xù)探索。