水利工程中工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測方法研究

黃會妙

(溫州市水利電力勘測設(shè)計院有限公司,浙江 溫州 325000)

0 引 言

水利工程中的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測是確保工程安全和可行性的重要環(huán)節(jié),盡管目前勘測手段繁多,但仍面臨一些挑戰(zhàn)和不足[1]。首先是勘測所涉及的區(qū)域廣大、復(fù)雜,有時難以獲得全面且具有代表性的數(shù)據(jù)。同時,勘測設(shè)備和技術(shù)在某些特殊地質(zhì)條件下的應(yīng)用仍有局限性,可能導(dǎo)致勘測結(jié)果的誤差和不確定性[2-3]。其次是工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘測需要大量的人力、物力和財力投入,導(dǎo)致在一些地區(qū)和項目中,由于資源有限,勘測工作的質(zhì)量和范圍可能受到限制。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展,其在地理信息系統(tǒng)以及工程和水文地質(zhì)勘探領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著成效。在工程地質(zhì)勘探中,遙感技術(shù)可以為設(shè)計者提供關(guān)于地表條件、地質(zhì)構(gòu)造、地下水分布等詳細信息,有助于優(yōu)化工程方案。在水文地質(zhì)勘探領(lǐng)域,利用遙感技術(shù)可更準確地分析地表水、地下水資源,并制定合理的水資源管理策略[4-5]。

為此,本文設(shè)計一種基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)(GIS),以期能為水利工程中的地質(zhì)勘探提供新的思路。研究創(chuàng)新點是結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息的優(yōu)勢,設(shè)計一個用于水利地質(zhì)勘測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)進行壩基巖性識別時,通過充分利用Landsat系列衛(wèi)星的多波段特性,組合分析不同波段的光譜響應(yīng),提高巖石類型的識別精度。利用高精度點云數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格數(shù)據(jù)后,生成數(shù)字地面模型(DEM),對DEM進行多角度的分析,如剖面分析、坡度和曲率計算、等高線生成等,以實現(xiàn)對壩基地形的全面、深入評估。

1 水利工程地質(zhì)分析及水文地質(zhì)勘測

1.1 水利工程中工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘探分析

1.1.1 水利工程建設(shè)

工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的勘探與分析是確保水利工程建設(shè)順利進行的重要部分。工程地質(zhì)包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)環(huán)境、地形地貌等,而水文地質(zhì)則包括區(qū)域內(nèi)的水文特征、水質(zhì)條件及運動、水資源評價等。主要工作則涉及地質(zhì)測繪、壩基工程分析、邊坡工程分析、地下工程分析、軟土基坑分析等。在進行水利工程建設(shè)時,首先需要對整個工程的地質(zhì)進行測繪。測繪需聯(lián)系實際的地理信息,按照相關(guān)標準進行。而遙感技術(shù)在地質(zhì)地形圖和專題圖的繪制上具有強大的優(yōu)勢,利用測繪遙感技術(shù)對衛(wèi)星拍攝的影像資料進行分析和解讀,可以得到區(qū)域地質(zhì)的三維地形信息。對地形信息進一步處理,排除干擾因素,可得到精度較高的區(qū)域地形圖。如果把不同波段的遙感數(shù)據(jù)影像當作載體,并進行不用地段的信息分析,則可以確定區(qū)域地段的地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境等[6]。

1.1.2 壩基工程

壩基工程是指用于建設(shè)大型水壩的地基工程。地質(zhì)勘探的目的是了解壩基的地質(zhì)情況,包括地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)層位、地質(zhì)穩(wěn)定性等,以評估壩基的承載能力和穩(wěn)定性等。對于壩基工程的勘探:①可以通過遙感獲取地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等信息,結(jié)合GIS進行空間分析,評估潛在壩址的可行性和適宜性。②可以利用遙感影像和地質(zhì)圖等數(shù)據(jù),結(jié)合GIS進行地質(zhì)構(gòu)造分析、崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估,為工程勘探提供地質(zhì)背景信息。③可以利用遙感影像和地形數(shù)據(jù),結(jié)合GIS平臺進行三維可視化分析,對壩基工程勘探區(qū)域進行立體展示,幫助設(shè)計人員更好地理解和分析地形地貌特征[7]。

1.1.3 邊坡工程

邊坡工程是指對山坡、河堤和土坡等地質(zhì)體進行穩(wěn)定分析和設(shè)計,以確保其在各種力和環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。對于邊坡工程的勘探:①可以通過遙感技術(shù)獲取區(qū)域地形數(shù)據(jù)、植被覆蓋情況、土地利用和變化等信息。②可以通過遙感技術(shù)對邊坡的地形進行測量和分析,確定邊坡的坡度、坡高、坡角等參數(shù),評估邊坡穩(wěn)定性,并選擇合適的邊坡保護和加固措施。③可以利用地理信息系統(tǒng)對邊坡工程的空間數(shù)據(jù)管理和分析,整合出不同數(shù)據(jù)源的地理信息如遙感數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)等,進行地理數(shù)據(jù)的集成、存儲和查詢[8]。

1.1.4 地下工程

地下工程分析在工程與水文地質(zhì)勘探中占有重要位置。地下工程涉及挖掘和建造設(shè)施在地下,如隧道、橋梁基礎(chǔ)、地下停車場、礦井,以及地下供水、排水和石油管道系統(tǒng)等。對于地下工程的勘探:①可以通過遙感技術(shù)識別土壤類型、植被覆蓋度、地下水埋深、含水層條件等,GIS技術(shù)將這些數(shù)據(jù)整合成土壤圖、植被圖或水文地圖。②可以通過遙感技術(shù)獲取地表特征和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細信息,如巖層、斷層、構(gòu)造帶等,GIS則可以將這些地質(zhì)數(shù)據(jù)整合成地質(zhì)圖以供分析。③可以通過遙感技術(shù)和GIS可用于識別并分析地下工程場地周邊的環(huán)境風(fēng)險,如地震危險性、洪水泛濫區(qū)、污染源、滑坡危險區(qū)等[9-11]。為了進一步精確地對水利工程中工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進行勘測,需融合遙感技術(shù)的優(yōu)勢對地理信息系統(tǒng)進行設(shè)計。

1.2 基于遙感技術(shù)的水利工程水文地質(zhì)勘測方法

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了全面精確地對水利工程中工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進行有效勘測,結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢,設(shè)計了基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)主要由信息采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等5個模塊組成。其技術(shù)架構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)與結(jié)構(gòu)

1.2.2 水利工程地質(zhì)勘測方法設(shè)計

以壩基工程為例,使用研究設(shè)計的勘測系統(tǒng)進行勘測時,首先采用衛(wèi)星和航空拍攝等遙感手段獲取高分辨率的遙感影像,并對圖像質(zhì)量進行預(yù)處理,去除云和陰影、改進圖像清晰度等,以獲得較準確的地表信息。具體見圖2。

圖2 采集水利工程地表信息

進行壩基巖石類型識別時,因不同巖石類型具有不同的光譜特征,研究所設(shè)計系統(tǒng)通過Landsat系列衛(wèi)星不同波段的遙感影像和特征參數(shù)進行巖性識別[14]。利用TM5波段對壩基的巖性進行識別,TM5波段在中紅外光譜范圍內(nèi),對不同類型的巖石具有很好的區(qū)分能力,能準確識別出巖石的類型。在TM5波段中,大小不同、成分差異的巖石,如花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖等,都有其獨特的反射率,各自的光譜特征都表現(xiàn)出明顯的差異。因此,通過仔細分析TM5波段的光譜特征,能準確識別和區(qū)分出這些巖石類型。另外,利用TM2波段對壩基上植被進行識別。植被在TM2波段具有較高的反射率,而巖石和土壤的反射率較低。對于水體的識別,則采用TM1波段。因為水體在該波段下的反射率較低,與其周圍的巖石和植被有很大的反差。因此,通過觀察和分析TM1波段的光譜特征,可以成功地區(qū)分水體、巖石和植被,從而實現(xiàn)對水體的精確識別和提取。

進行壩基地形分析時,使用系統(tǒng)中的激光雷達對壩基地區(qū)進行掃描,獲取工程的地表信息,然后對信息數(shù)據(jù)進行除噪等預(yù)處理。將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點云形式,即由大量離散的三維坐標點組成的數(shù)據(jù)集。每個點都對應(yīng)激光雷達掃描過程中測量到的地表位置坐標,由于點云中還包含建筑物、植被等非地面物體的點,需要采用地面提取算法,將地面點與非地面點進行區(qū)分和篩選。將地面點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格數(shù)據(jù),將離散的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),以便后續(xù)分析與可視化?；诰W(wǎng)格化的地面數(shù)據(jù),生成數(shù)字地面模型(DEM)。

DEM是由壩基地區(qū)地表高程值構(gòu)成的二維柵格數(shù)據(jù),可以反映地表的高程、起伏和形態(tài)等情況。利用生成的DEM進行地形分析,通過對DEM進行視覺化、剖面分析、坡度和曲率計算、等高線生成等操作,對壩基工程進行評估。剖面分析是在視覺化的基礎(chǔ)上,對地形的垂直剖面進行分析,展現(xiàn)從一個坐標點到另一坐標點的地形變化[15]。需選擇所需的剖面軌跡,然后在DEM上提取參考線,生成高度概要信息。坡度可以用來表示地面的傾斜程度,曲率表示地面的彎曲程度。較大的坡度或者曲率值較大,則表示地形變化劇烈,會對壩基的穩(wěn)定性造成威脅。在GIS software或程序語言中,基于DEM數(shù)據(jù)使用插值算法生成等高線。通過觀察等高線圖,可以對壩基地形的平緩性、均勻性進行初步判斷。

2 水利工程水文勘測結(jié)果分析

某省計劃在A縣城周邊修建一項水利工程,該工程建成后,預(yù)計向A縣城及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水約3 000×104m3,解決A縣城15.36萬人、3.89×104頭牲畜的飲水問題,同時為周圍地區(qū)0.575 3×104hm2耕地農(nóng)田提供灌溉,每年的供水量預(yù)計2 36 7×104m3。此外,在該工程附近還建有水電站,水電站總裝機規(guī)模為3.0×104kW。

為了對工程建設(shè)的設(shè)計以及方案編制提供相應(yīng)的依據(jù)和參考,現(xiàn)對工程中壩基工程的巖體類型進行勘測。首先對所設(shè)計系統(tǒng)的地質(zhì)圖繪制的并發(fā)性進行測試,結(jié)果見圖3。

圖3 地質(zhì)靜動態(tài)地圖并發(fā)性測試結(jié)果

由圖3可知,繪制靜態(tài)工程和水文地圖時,只有傳統(tǒng)單一的GIS系統(tǒng)的響應(yīng)時間增加,其他3種系統(tǒng)的響應(yīng)時間幾乎不變,并且研究所構(gòu)建系統(tǒng)的響應(yīng)時間最少,在靜態(tài)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)中分別用時約9.9和5.1s。而在動態(tài)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)中,隨著工程地質(zhì)中動態(tài)地圖繪制圖片數(shù)目的增加,4個系統(tǒng)的響應(yīng)時間均增加。但是研究系統(tǒng)的增長相對緩慢,繪制10幅動態(tài)工程地質(zhì)圖約53.6s,而傳統(tǒng)單一的GIS系統(tǒng)增長最快,繪制10幅動態(tài)工程地質(zhì)圖需約136.4s。文獻[15]和文獻[16]中的系統(tǒng)分別用時約92.3和104.6s。由圖3(b)可知,仍是研究系統(tǒng)的響應(yīng)時間最少,繪制10個動態(tài)水文地質(zhì)圖約49.6s。文獻[15]、文獻[16]以及傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)繪制10個動態(tài)水文地質(zhì)圖分別用時60.5、82.6、124.5s,表明系統(tǒng)的并行性較好,可以同時繪制多幅地形圖。

然后分兩次采集,對水庫工程地區(qū)的頻譜進行分析,結(jié)果見圖4。

圖4 頻率波段采集結(jié)果

由圖4可知,兩次采集僅有細微差別,這是因為壩基地質(zhì)環(huán)境會時刻變化,且受云層厚度影響等因素導(dǎo)致的。由圖4(a)可知,該工程壩基區(qū)域的亮度范圍約為0～0.8,頻率范圍約為0.6～8.6Hz。而純水區(qū)域的亮度范圍約為0.4～1.4,頻率范圍約為0.2～17.3Hz。測試結(jié)果的曲線幾乎與標準值一致,表明該水利工程在壩基區(qū)域的亮度和頻率特征基本符合預(yù)期,沒有明顯異常。

再對該水庫工程的地質(zhì)巖層進行勘測,結(jié)果見圖5。

圖5 A縣城水庫周圍地形巖層勘測結(jié)果

由圖5可知,在該地區(qū)的巖石層中,包括花崗巖、石灰?guī)r、砂頁巖、礫巖以及沉積物等。該地區(qū)水庫周圍主要以砂頁巖和礫巖為主,可以用于水利工程中水力發(fā)電廠和堰壩的建設(shè)。而且在工程施工中,可以通過挖掘和爆破進行開采,并能夠提供良好的地質(zhì)穩(wěn)定性,確保水利工程的安全運行?；◢弾r分布在水庫較近的位置,可以提供可靠的基礎(chǔ)支持和抵抗水流沖刷的能力。石灰?guī)r分布位置距離水庫相對較近,可以作為水利工程中的透水層,使地下水能夠自然流動并補充地表水資源。沉積物主要處于河流下游,可以用于填筑土地、修筑河道和水庫,以增加水利設(shè)施的容量和穩(wěn)定性。其間還分布有較多的斷層,工程修建需避開這些區(qū)域。通過研究設(shè)計的系統(tǒng)對工程地質(zhì)進行勘探,得到不同類型的巖石分布,以此為基礎(chǔ)可建設(shè)出更安全、可靠、高效的水利工程。

最后對水庫工程的壩基進行地形分析,結(jié)果見圖6。圖6中,A位置等高線相對稀疏,等高線范圍在560～740m,可為工程設(shè)計和施工提供依據(jù),降低風(fēng)險,確保項目的順利進行。由圖6可知,該工程位置相對平坦,平坦的地形通常意味著更穩(wěn)定的地基,減少了滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險,有助于降低土方挖填量,減少項目的工程成本。地勢起伏小,對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工程進度的影響較小,可提高施工效率。結(jié)合前文的巖層分析,該處土壤以砂頁巖和礫巖為主,適合水利工程項目建設(shè)。此外,根據(jù)水文勘測,該處遠離水文勘測,適合A縣城水利工程項目的建設(shè)。

圖6 工程位置地質(zhì)分析

3 結(jié) 論

本文分析了工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘探的主要工作,闡述了遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)在勘探中的作用和方法,設(shè)計了基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng),并以A縣水利工程項目為例進行了應(yīng)用分析。結(jié)果顯示,研究方法繪制2 500個動態(tài)工程和水文地質(zhì)要素分別用時約3.8和3.2s,繪制速率較快;測得壩基區(qū)域的亮度范圍約為0～0.8,頻率范圍約為0.6～8.6Hz。針對該勘測巖層類型,測得該地以砂頁巖和礫巖為主,并且所處位置等高線范圍在560～740m,相對稀疏,地勢平坦穩(wěn)定,利于項目順利建設(shè)。