遙感技術在水利水電工程地質(zhì)勘查中的應用

顏 昊

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830091）

在水利水電工程的整個建設流程中，地質(zhì)勘查作為工程設計的前置環(huán)節(jié)，地質(zhì)勘查資料是否詳細、準確，將會對工程設計方案的可行性產(chǎn)生決定性影響。例如，工程地質(zhì)勘查結(jié)果顯示施工區(qū)域內(nèi)存在斷層破碎帶或溶洞等不良地質(zhì)，那么在工程設計中必須采取相應的措施進行不良地質(zhì)處理，從而保證水利工程的整體安全。因此，掌握遙感技術在工程地質(zhì)勘查中的應用方法，對做好勘查工作、保障工程質(zhì)量大有裨益。

1 遙感技術在工程地質(zhì)勘查中的應用優(yōu)勢

隨著遙感技術的成熟，該技術被廣泛應用到地籍測繪、工程勘查、環(huán)境保護等領域。就水利水電工程而言，前期地質(zhì)勘查中應用遙感技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3 個方面：

1）勘查范圍大、信息處理速度快。理論上來說，一顆遙感衛(wèi)星可準確獲取3.34×105km2范圍內(nèi)地物信息，并且配合地面站實現(xiàn)對遙測信息的快速處理，最終以相片的形式輸出勘查結(jié)果，整個處理過程通?？梢栽跀?shù)秒之內(nèi)完成，提高了勘查結(jié)果的時效性和可用性[1]。

2）獲取信息豐富。遙感影像資料中除了清晰地呈現(xiàn)人眼可見的自然信息外，還能利用紅外線、紫外線以及微波波段，提供包括水體深度、巖層密度、含鹽量變化等人眼不可見的信息。例如，利用遙感設備可使用微波穿透第四系地層，從而獲取地下水分布情況，為水利水電工程的設計與施工提供了必要的信息參考。

3）不易受到外界干擾，所得信息準確度高?；谛l(wèi)星遙感技術的工程地質(zhì)勘查作業(yè)，具有較強的抗干擾能力，基本上不受雨、雪、霧等惡劣天氣的影響，可以全天候、不間斷的獲取工程所在區(qū)域的地質(zhì)信息。這樣不僅提供了海量的工程地質(zhì)資料，而且還能保證所得信息的全面性、準確性，對彰顯工程地質(zhì)勘查工作的價值也有極大的幫助。

2 遙感技術在水利水電工程地質(zhì)勘查中的實施

2.1 工程概況

某水庫壩址以上干流長度115km，控制流域面積3881km2，包括水庫工程與輸水工程兩部分，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖功能。水庫為大（2）型，采用粘土斜心墻碾壓堆石壩，壩頂長度526m，壩頂寬度3.3m，最大壩高60.5m，總庫容為3.83億m3。水庫裝有4 臺發(fā)電機組，總裝機容量2050kW[2]。該工程計劃工期240 日歷天，建成后將發(fā)揮顯著的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益。為保證水利水電工程順利建設完成，在前期的工程地質(zhì)勘查中應用到了遙感技術。

2.2 遙感技術在水利水電工程地質(zhì)勘查中的具體應用

2.2.1 利用遙感技術勘查工程地區(qū)的構造穩(wěn)定性

對于大型水利水電工程來說，壩體自重大，對壩基產(chǎn)生較大荷載，因此必須要保證工程所在地區(qū)的地質(zhì)構造穩(wěn)定，才能避免工程建設期間以及投入使用后，不會因為壩基沉降而導致壩體出現(xiàn)滲漏的問題。工程地質(zhì)構造的穩(wěn)定性分析主要是查明有無明顯的斷裂帶，如果有，還要掌握其規(guī)模大小、密集程度等相關信息，從而為設計人員編制工程設計圖提供必要的依據(jù)。遙感技術工程地質(zhì)勘查中的應用，可以在衛(wèi)星遙測相片上清楚地呈現(xiàn)工程所在地區(qū)的地質(zhì)構造。在本次工程中，可以發(fā)現(xiàn)存在2 條呈平行狀分布的斷裂帶，斷層表面被第四系覆蓋層所掩蓋，具有較強的隱蔽性。如果采用常規(guī)的地面勘查技術，往往很難發(fā)現(xiàn)地層裂隙，而遙感技術不僅能夠發(fā)現(xiàn)斷層裂隙，而且還能提供裂隙走向、最大尺寸等詳細信息。根據(jù)這些信息，設計師能夠?qū)Φ刭|(zhì)構造的穩(wěn)定性展開準確的評估，從而為水利水電工程設計與施工提供了必要的支持。

2.2.2 利用遙感技術分析工程泄漏的可能性

壩體和壩基滲漏是水利水電工程常見的質(zhì)量缺陷，除了直接影響工程壽命外，如果滲漏問題沒有得到及時、有效的解決，還會增加潰壩的風險。因此，在水利水電工程的地質(zhì)勘查中，也要通過開展地質(zhì)條件的評估，分析可能導致大壩滲漏的潛在風險，進而在施工中采取措施加以處理，避免后期大壩投入使用后出現(xiàn)滲漏問題。從工程地質(zhì)角度來說，可能引起壩體或壩基滲漏的因素主要有古河道、地下暗河或溶洞、斷裂破碎帶、嚴重風化巖體等。同樣的，使用遙感技術獲取工程所在地區(qū)的遙感影像，也能清晰地反映埋藏于地下的古河道、斷裂破碎帶或溶洞。在本次工程中，通過遙感技術分析發(fā)現(xiàn)局部有斷裂破碎帶，未發(fā)現(xiàn)古河道或溶洞等其他可能導致工程滲漏的因素。根據(jù)這一勘查結(jié)果，施工企業(yè)在編制施工方案時，采取帷幕灌漿施工技術對斷裂破碎帶進行封堵、加固處理，對預防壩基滲漏和提高壩基承載力將會起到積極影響。

2.2.3 利用遙感技術及時發(fā)現(xiàn)工程周邊不良地質(zhì)現(xiàn)象

在水利水電工程建設中，除了巖層風化、斷裂破碎帶等地下不良地質(zhì)外，在地上也存在多種類型的不良地質(zhì)現(xiàn)象可能會對水利水電工程建設帶來負面影響。比較常見的有滑坡、泥石流、邊岸沖刷等。特別是滑坡、泥石流等自然災害，具有突發(fā)性和較強的破壞性，如果不能提前做好勘查、采取預防措施，很有可能影響工程進度、工程質(zhì)量，以及對現(xiàn)場施工人員的安全構成威脅。遙感技術可以通過動態(tài)獲取工程周邊的物理地質(zhì)信息，實現(xiàn)對該區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測和科學分析。本次工程從2021 年4 月份到12 月份，工程所在地區(qū)為典型的溫帶大陸性季風氣候，夏季雨水集中且多暴雨。利用遙感技術可以在雨季施工中密切監(jiān)測工程地區(qū)的邊坡動態(tài)變化情況，如果出現(xiàn)邊坡出現(xiàn)明顯位移的情況，可以提前進行預警，采取邊坡加固措施，或者提前修建擋土墻，從而避免邊坡滑塌給水利水電工程施工造成的不良影響。同樣的，如果工程附近出現(xiàn)泥石流，也能夠通過遙感技術獲取遙感影像，清晰地分辨出崩塌區(qū)、堆積區(qū)、中間涌流區(qū)，根據(jù)遙感影響提前做好應對，保證現(xiàn)場施工順利進行。

2.2.4 利用遙感技術為天然建筑材料的開發(fā)利用提供指導

水利水電工程建設中會使用到大量的建筑材料。如果使用自卸汽車從遠處運輸，一方面是難以保證建筑材料的穩(wěn)定和持續(xù)供應，另一方面也會增加施工成本。如果工程周邊有大量可利用的天然建筑材料（如土料、石料等），則可以做到就近取材，既降低了成本，又保證了效率。利用遙感技術開展工程地質(zhì)勘查，能夠以水利水電工程為中心，尋找周邊一定區(qū)域內(nèi)是否有可利用的、可開采的天然建筑材料。不僅如此，根據(jù)遙感影像資料還能進行運輸路徑規(guī)劃，尋找最優(yōu)的運輸路徑，進一步降低材料的運輸成本。在本次工程中，使用遙感技術從工程區(qū)域以東6.8km 處發(fā)現(xiàn)一處優(yōu)質(zhì)砂質(zhì)粘土區(qū)，為壩體施工創(chuàng)造了便利條件。

3 水利水電工程地質(zhì)勘查中遙感技術的創(chuàng)新應用

3.1 “3S”技術的融合應用

隨著水利水電工程建設單位對于前期地質(zhì)勘查工作重視程度的提升，運用新技術、新設備開展地質(zhì)勘查成為一種必然趨勢。雖然遙感技術在工程地質(zhì)勘查中表現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，但是在實際應用中也存在一些不足，例如定位精度較差，以及后期數(shù)據(jù)處理能力不強等。針對這些問題，必須要加快推進“3S（RS、GPS 和GIS）”技術的融合應用。通過遙感技術與全球定位系統(tǒng)（GPS）的結(jié)合，可以利用GPS 輔助定位，在此基礎上利用遙感技術精準獲取工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)信息；同樣的，將遙感技術與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，可以將遙感衛(wèi)星獲取的海量地物信息，利用GIS 軟件進行加工處理，從而輸出有利于水利水電工程建設的信息[3]。目前，GIS 軟件可根據(jù)遙感信息自動生成工程地質(zhì)的三維模型，這就為施工企業(yè)更加全面地掌握工程地質(zhì)信息提供了支持。

3.2 無人機遙感技術的應用

從遙感技術的應用來看，多數(shù)情況下還是以遙感衛(wèi)星獲取的遙感影像作為分析基礎。在實際應用中也存在勘查作業(yè)成本較高、獲取信息的靈活性不好等問題。另外，遙感影像的分辨率通常只能達到1m，已經(jīng)無法滿足新時期工程地質(zhì)勘查與設計的精度要求[4]。在民用無人機技術日漸成熟的背景下，無人機遙感在工程地質(zhì)勘查中得到了推廣應用。利用無人機搭載微型遙感設備，可以按照人為規(guī)劃的航線進行航測，所得遙感影像的精度進一步提升，并且操作便捷、使用成本更低。除此之外，無人機遙感可支持對同一地區(qū)的反復成像。地面工作人員可實時查看無人機航測影像，如果存在清晰度不高，或者有些重要地區(qū)未拍攝的情況，可以操控無人機重新對該區(qū)域進行多次拍攝，直到獲取清晰的或者全部的信息為止。

4 結(jié)語

地質(zhì)勘查是水利水電工程建設的基礎環(huán)節(jié)，根據(jù)勘查所得信息開展工程設計和工程建設，對避免壩基滲漏、壩體沉降等質(zhì)量問題有積極幫助。因此，在工程地質(zhì)勘查中，必須要盡可能全面、精確地獲取工程所在地區(qū)的地質(zhì)信息。遙感技術不僅可以通過直接拍攝的方式獲取地球表面的物理地質(zhì)信息，而且還能借助于紅外線、微波等，獲得人眼不可見的地下水分布、巖層含鹽量變化等信息，從而為工程設計提供了必要的參考信息。下一步，要繼續(xù)深化遙感技術與GPS 技術、GIS 技術的融合應用，以及推廣無人機遙感技術，從而讓遙感勘查在水利水電工程建設中發(fā)揮更加重要的作用，切實提高工程質(zhì)量安全。