基于3DE平臺的危巖體結(jié)構(gòu)面識別及塊體分析

雷世兵 徐俊 張必勇 謝禮明

摘要：為解決高陡危巖體穩(wěn)定性評價(jià)難度大的問題，以湖北省十堰市房縣抽水蓄能電站下水庫危巖體邊坡為研究對象，將三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)及工程地質(zhì)分析相結(jié)合，對危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)。結(jié)果表明：將危巖體三維激光掃描點(diǎn)云及傾斜攝影模型導(dǎo)入達(dá)索3DExperience（3DE）平臺，采用自主創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)面模板準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)面信息，進(jìn)而利用結(jié)構(gòu)面空間模型互相切割形成定位三維塊體，可確定塊體的空間位置及規(guī)模，并進(jìn)行塊體形態(tài)分析、塊體體積測量與計(jì)算等應(yīng)用。該危巖體結(jié)構(gòu)面識別及塊體分析方法可為其他工程危巖體分析提供參考。

關(guān)鍵詞：危巖體結(jié)構(gòu)面識別； 塊體分析； 3DE； 三維激光掃描； 傾斜攝影； 湖北省十堰市

中圖法分類號：TV221.2;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.006

文章編號：1006-0081（2023）S2-0021-03

0 引 言

三維激光掃描技術(shù)利用非接觸式高速激光測量，以點(diǎn)云的形式獲取地形或物體表面復(fù)雜幾何圖形的三維數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法相比，具有采集密度高、速度快、精度高、逼近原形、掃描距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)［1］。傾斜攝影技術(shù)是由攝影技術(shù)和測量技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，通過在無人機(jī)等飛行平臺上搭載多個(gè)攝影機(jī)位，能夠同時(shí)從5個(gè)角度采集高分辨率、高重疊度影像，結(jié)合飛行平臺搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)和地面外業(yè)測量獲取的像片控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)的自動化建模軟件，進(jìn)行多視影像的幾何校正、聯(lián)合平差和多視影像密集匹配等處理流程，運(yùn)算生成基于影像的超高密度點(diǎn)云，由點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN），并以此生成基于影像紋理的高分辨率數(shù)字?jǐn)z影測量成果，可以大范圍、高精度、高清晰地全面感知復(fù)雜場景，直觀地反映地物的外觀、位置、高度等屬性［2］。

完整、可靠的巖體結(jié)構(gòu)面信息是巖體穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息的獲取方法進(jìn)行了探索。Slob等［3］用激光掃描儀掃描了巖體邊坡，得到了巖體表面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Hammah等［4］研究了利用模糊群聚方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面自動識別。施星波［5］通過手工選取掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)，再根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合平面，實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面半自動識別。以上利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面識別的方法大多基于各類算法，過程復(fù)雜。三維激光點(diǎn)云精細(xì)度可達(dá)到毫米級，傾斜攝影模型精細(xì)度可達(dá)到厘米級，但三維激光點(diǎn)云可視化程度不及傾斜攝影模型，因此，將三維激光點(diǎn)云與傾斜攝影模型相結(jié)合，既能提高模型可視化效果，又能滿足模型精細(xì)度要求。

本文利用三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)及工程地質(zhì)分析相結(jié)合的研究手段，將三維激光掃描模型、傾斜攝影模型導(dǎo)入達(dá)索3DExperience（以下簡稱“3DE”）平臺，在平臺內(nèi)采用自主創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)面模板，準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)面信息，進(jìn)而利用結(jié)構(gòu)面空間模型互相切割形成定位三維塊體，為危巖體結(jié)構(gòu)面識別、塊體定位及分析提供新方法。

1 巖體結(jié)構(gòu)面信息識別模板創(chuàng)建

巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息包含3個(gè)要素，即走向、傾向和傾角。在3DE平臺中，利用巖體結(jié)構(gòu)面上不在同一直線的三個(gè)點(diǎn)即可確定結(jié)構(gòu)面的空間位置，再通過其中的任意一點(diǎn)，做一個(gè)水平面與結(jié)構(gòu)面相交，交線即為結(jié)構(gòu)面走向線（如圖1中①號線條所示），在結(jié)構(gòu)面上做一條與走向線垂直并沿結(jié)構(gòu)面向下的直線，即結(jié)構(gòu)面傾斜線（如圖1中②號線條所示），將傾斜線投影在水平面上（如圖1中③號線條所示），在水平面上做一條與縱軸重合的直線，即正北線（如圖1中④號線條所示），藍(lán)色線條與青色線條的夾角即結(jié)構(gòu)面傾向，傾斜線和投影線之間的夾角即結(jié)構(gòu)面傾角。將上述識別結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息過程在3DE平臺內(nèi)封裝起來，即可創(chuàng)建巖體結(jié)構(gòu)面信息識別模板，準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)面信息，如圖2所示，輸入結(jié)構(gòu)面上3個(gè)點(diǎn)即可計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

2 應(yīng)用實(shí)例湖北省十堰市房縣抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)為6 h，設(shè)計(jì)年發(fā)電量13.26億kW·h。

工程區(qū)屬于鄂西武當(dāng)山脈低中山區(qū)，為侵蝕構(gòu)造類型的尖脊峽谷地貌，河溝蜿蜒曲折。兩岸巖質(zhì)岸坡高陡，一般坡度30°～50°，局部形成陡崖，出露元古界武當(dāng)群石英片巖、變粒巖、云母片巖等。區(qū)內(nèi)北北東、北東、近東西、北西和北北西向等組斷裂發(fā)育，以北東—北北東向和近東西向、北西向斷層規(guī)模較大。工程區(qū)未見泥石流、大型崩塌體等不良地質(zhì)分布，主要不良物理地質(zhì)現(xiàn)象表現(xiàn)為巖體卸荷、覆蓋層小滑坡。

工程區(qū)分上水庫、下水庫，其中下水庫主要分布6處危巖體，其特征見表1。WY1危巖體位于肖家溝大壩上游左岸約30 m處，可以通過一條小路在危巖體底部進(jìn)行觀測，其他5處危巖體均位于陡崖，常人難以到達(dá)，因此采用三維激光掃描技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)分別對該6處危巖體進(jìn)行了地表測量。

WY1～WY3危巖體傾斜攝影整體模型如圖3所示，3處危巖體自然邊坡均位于下水庫壩軸線至下水庫進(jìn)（出）水口段，邊坡長800 m，高程范圍270～490 m；WY4～WY6危巖體傾斜攝影整體模型如圖4所示，3處危巖體自然邊坡均位于下水庫開關(guān)站至攔沙壩段，邊坡長600 m，高程范圍350～470 m。

以WY1危巖體為例作進(jìn)一步分析。WY1危巖體前緣高程272 m，后緣高程330 m，其三維激光點(diǎn)云及高分辨率傾斜攝影模型如圖5所示?？梢姡瑢⑷S激光點(diǎn)云及傾斜攝影模型結(jié)合起來既能提高模型可視化效果，又能滿足模型精細(xì)度要求。將WY1危巖體三維激光點(diǎn)云及高分辨率傾斜攝影模型同時(shí)導(dǎo)入3DE平臺，進(jìn)行結(jié)構(gòu)面識別及塊體定位，WY1危巖體結(jié)構(gòu)面識別如圖6所示，巖層產(chǎn)狀20°∠19°，通過傾斜攝影模型能夠識別其有4組地表結(jié)構(gòu)面，通過危巖體裂縫進(jìn)入危巖體內(nèi)部調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一組傾向坡外、傾角80°左右的結(jié)構(gòu)面。將這5組結(jié)構(gòu)面延伸切割后，形成定位塊體，并可計(jì)算出塊體體積為2 919 m3。綜上可以判斷，該危巖體整體基本穩(wěn)定，局部崩塌失穩(wěn)。

3 結(jié) 語

目前三維激光掃描技術(shù)及傾斜攝影技術(shù)自帶處理軟件僅限于查看、簡單標(biāo)注及算量等功能，由于缺乏建模功能，無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)面精確識別及塊體定位。危巖體三維激光掃描點(diǎn)云精細(xì)度高于傾斜攝影模型，但可視化程度不及傾斜攝影模型。本文將危巖體三維激光掃描點(diǎn)云與傾斜攝影模型相結(jié)合，根據(jù)塊體理論將危巖體結(jié)構(gòu)面假定為平面且貫穿整個(gè)區(qū)域，采用“幾何法”，在快速、精確識別危巖體結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上，利用達(dá)索3DE平臺強(qiáng)大的建模功能，將結(jié)構(gòu)面延伸后進(jìn)行相互切割形成定位三維塊體，從而確定了塊體的空間位置及規(guī)模。此方法可應(yīng)用于塊體形態(tài)分析、塊體體積測量與計(jì)算等，可為危巖體分析評價(jià)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 徐俊，謝禮明，劉宇，等.基于三維激光掃描的巖體結(jié)構(gòu)面識別與塊體分析［J］.人民長江，2021，52（增1）：309-312.

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