抽水蓄能電站引水豎井三維可視化地質(zhì)編錄方法研究

摘要：為解決抽水蓄能電站超深豎井地質(zhì)編錄中存在的編錄效率低下、安全問題突出、受人為因素影響差異大等一系列難題，通過深入對(duì)三維可視化地質(zhì)編錄方法進(jìn)行研究，編制了一套適用于抽水蓄能電站豎井的地質(zhì)編錄技術(shù)方法，并在抽水蓄能電站中進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法有效解決了實(shí)際地質(zhì)編錄過程中所面臨的諸多棘手問題。研究結(jié)果可為類似地下工程的編錄方法提供參考。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站； 豎井； 地質(zhì)編錄； 三維可視化

中圖法分類號(hào)：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.002

文章編號(hào)：1006-0081（2024）12-0007-04

0 引 言

施工地質(zhì)編錄是水利水電工程建設(shè)中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，其成果主要用于指導(dǎo)工程施工、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、為工程設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)等方面。抽水蓄能電站上、下游水位高差大，輸水發(fā)電系統(tǒng)立面布置多為平洞+豎井方案，其中豎井地質(zhì)編錄過程中風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)盡量減少地質(zhì)編錄工作時(shí)間。

三維攝影技術(shù)可快速獲得現(xiàn)場影像和三維地質(zhì)信息，將大量的數(shù)據(jù)處理與分析工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)進(jìn)行，有效降低地質(zhì)編錄風(fēng)險(xiǎn)［1］。一些專家學(xué)者將三維影像技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)勘測領(lǐng)域，楊靜等［2］利用三維數(shù)碼照相技術(shù)，在高邊坡地質(zhì)調(diào)查中對(duì)潛在不穩(wěn)定塊體進(jìn)行搜索；孫琦等［3］利用無人機(jī)貼近飛行，對(duì)高陡巖質(zhì)斜坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行采集與粗糙度分析；王玨等［4］、張衛(wèi)兵等［5］、耿智江［6］將SLAM激光掃描技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程地質(zhì)編錄中。目前主要利用數(shù)碼照相機(jī)和基站式激光掃描儀開展相關(guān)工作，通常需要間隔一定距離架設(shè)基站進(jìn)行拍攝和掃描，后期還需要進(jìn)行拼接處理，耗時(shí)費(fèi)力［7-8］。此外，在豎井編錄過程中懸停架設(shè)基站較為困難。

近年來，隨著傳感技術(shù)和AI芯片計(jì)算能力的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了Insta360全景運(yùn)動(dòng)相機(jī)等全能型設(shè)備，具有全景拍攝能力，依托智能防抖技術(shù)和大尺寸感光元件保證圖像質(zhì)量。在實(shí)際操作層面，在豎井中心設(shè)置滑輪組，將Insta360全景運(yùn)動(dòng)相機(jī)吊裝至井底進(jìn)行拍攝，可高效快捷地完成地質(zhì)信息采集工作，后期可在室內(nèi)利用BentleyAcute3D軟件（基于無人機(jī)、高清攝影和激光掃描技術(shù)的三維建模軟件）進(jìn)行處理，生成三維可視化實(shí)景模型［9-10］。

1 豎井地質(zhì)編錄方法

1.1 技術(shù)路線

抽水蓄能電站豎井開挖一般采用反井鉆機(jī)法進(jìn)行施工，豎井作業(yè)分為三序進(jìn)行，即先鉆進(jìn)正導(dǎo)孔，再進(jìn)行反擴(kuò)孔的施工，最后自上而下采用鉆爆法擴(kuò)井至設(shè)計(jì)尺寸。地質(zhì)編錄在反井?dāng)U孔完成后進(jìn)行，主要內(nèi)容包括洞壁清洗、布設(shè)照明系統(tǒng)、掛設(shè)鋼絲繩、標(biāo)記豎井樁號(hào)。準(zhǔn)備工作完成后，在導(dǎo)孔中心線布置吊裝滑輪組，利用滑輪將Insta360全景運(yùn)動(dòng)相機(jī)緩慢平穩(wěn)地放入導(dǎo)井內(nèi)，自上而下采集井壁高清影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，利用計(jì)算機(jī)生成三維可視化實(shí)景模型及展開圖，地質(zhì)人員對(duì)影像資料進(jìn)行地質(zhì)編錄，對(duì)不確定的部位需進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核。通過數(shù)據(jù)綜合處理和集成分析，獲得豎井地質(zhì)信息，為設(shè)計(jì)與施工提供可靠的地質(zhì)資料，技術(shù)路線見圖1。

1.2 編錄內(nèi)容

豎井工程地質(zhì)編錄的主要內(nèi)容包括：① 地層代號(hào)、巖石名稱、巖性特征、巖性界線、巖層產(chǎn)狀、單層厚度、層面起伏和充填情況，特別是軟弱夾層、含有害氣體地層、膨脹巖、巖漬巖的產(chǎn)狀、厚度、延伸情況；② 斷層、破碎帶、層間剪切帶、節(jié)理裂隙等各類結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、延伸長度、起伏差、粗糙度、張開度、充填物性狀、結(jié)構(gòu)面交匯切割情況；③ 風(fēng)化卸荷特征；④ 巖溶洞穴位置、規(guī)模、形態(tài)、連通情況、充填堆積物成分和密實(shí)程度、地下水活動(dòng)情況；⑤ 地下水出露位置及出露位置的巖性、構(gòu)造、巖體完整性、出露形態(tài)、流量變化等；⑥ 不利塊體的位置、形態(tài)、規(guī)模和穩(wěn)定性，圍巖變形的范圍；⑦ 巖爆、片幫、內(nèi)鼓彎折、坍塌的位置和范圍；⑧ 圍巖工程地質(zhì)分類類型；⑨ 爆破松動(dòng)、爆破裂隙位置和范圍。

1.3 三維可視化地質(zhì)編錄方法

研發(fā)三維可視化地質(zhì)編錄方法旨在通過全景、高清攝像技術(shù)盡可能準(zhǔn)確地收集地質(zhì)信息，排除人工干擾，進(jìn)而為分析洞室圍巖穩(wěn)定及工程地質(zhì)情況提供可靠依據(jù)。同時(shí)可減少地質(zhì)人員下井頻次，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。

根據(jù)抽水蓄能電站工程施工經(jīng)驗(yàn)，豎井施工一般采用反井鉆機(jī)法，該方法的效率明顯高于正井法，被大多數(shù)工程采用。三維可視化地質(zhì)編錄需在反井?dāng)U孔完成后，具體步驟如下：① 清洗豎井壁面。采用低壓水槍對(duì)洞壁自上而下進(jìn)行清洗，若圍巖條件較差（Ⅳ、Ⅴ類圍巖）時(shí)，可采用風(fēng)槍進(jìn)行清理，最終效果需滿足影像設(shè)備可清晰采集到巖體、結(jié)構(gòu)面等特征。② 布設(shè)照明系統(tǒng)。對(duì)清洗完畢的井壁布設(shè)照明系統(tǒng)，要求照明燈具使用低功率柔光燈，不得使用大功率探照燈設(shè)備，以免錄制影像時(shí)出現(xiàn)眩光效果。布設(shè)照明系統(tǒng)時(shí)可采用軟性LED燈帶沿井口放入。③ 布設(shè)樁號(hào)。在豎井壁的正北方布置紅色鋼絲繩，頂、底固定并拉緊；在鋼絲繩旁邊每5 m用油漆標(biāo)記一個(gè)豎井樁號(hào)。④ 采集豎井全景影像。在豎井中心線布設(shè)電動(dòng)絞車，將360°環(huán)景像機(jī)固定在纜繩上，開啟錄像功能后緩慢放入豎井內(nèi)，對(duì)豎井壁進(jìn)行掃描錄像（圖2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)采集完成后，利用三維建模軟件（如BentleyAcute3D、大疆智圖）將全景影像數(shù)據(jù)生成三維實(shí)景模型［11-12］，進(jìn)一步生成展開圖。地質(zhì)人員根據(jù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)解譯，最終生成地質(zhì)編錄成果圖。在解譯過程中遇到重大地質(zhì)缺陷部位，如Ⅲ級(jí)以上結(jié)構(gòu)面、溶洞、巖體破碎帶、蝕變區(qū)等，需在豎井?dāng)U挖后進(jìn)一步確認(rèn)。

2 工程典型案例解析

某抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)立面布置采用兩級(jí)豎井形式，其中上豎井長283 m，與引水調(diào)壓井相接直通地表；下豎井長325 m。上豎井由于巖體溶蝕風(fēng)化較強(qiáng)，巖體完整性較差，故采用正井法施工；下豎井段以微新巖體為主，采用反井法施工。揭露地層巖性為震旦系灰?guī)r、白云巖，局部見有侵入巖脈發(fā)育。上豎井采用人工豎井編錄法，下豎井采用三維可視化編錄法。

人工豎井編錄方法采用人工觀測（圖3）和影像采集相結(jié)合的方法，主要流程如下：① 豎井井壁清洗：在每回次鉆爆、清渣、通風(fēng)后，在編錄人員進(jìn)場前完成井壁清洗工作。② 編錄人員和設(shè)備進(jìn)場。編錄人員攜帶編錄設(shè)備和材料到達(dá)目標(biāo)編錄位置。③ 繪制標(biāo)記點(diǎn)和測量定位。在編錄工作開始前，編錄人員先在新開挖井壁上標(biāo)繪樁號(hào)及測量控制點(diǎn)。④ 地質(zhì)人員對(duì)豎井進(jìn)行地質(zhì)編錄，在米格紙上繪制地質(zhì)編錄圖，主要采集要素有地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖類別、水文地質(zhì)及不良地質(zhì)現(xiàn)象等。⑤ 井壁影像采集。編錄人員手持照相機(jī)在井底中心點(diǎn)的位置，開始向四壁拍攝。

利用Insta360攝像機(jī)對(duì)豎井壁進(jìn)行拍攝，全面記錄豎井壁的各個(gè)角度和細(xì)節(jié)，從而獲取高質(zhì)量的豎井三維影像資料。通過專業(yè)的軟件將三維影像圖轉(zhuǎn)換為展開圖，展開圖能夠更加直觀地展示豎井壁的全貌，如同將豎井壁平鋪在一個(gè)平面上（圖4），方便地質(zhì)人員進(jìn)行觀察和分析。

地質(zhì)人員對(duì)展開圖進(jìn)行細(xì)致的解析工作，見圖5。主要判斷圍巖類別，依據(jù)巖石的結(jié)構(gòu)、硬度、顏色等特征進(jìn)行分類，確定不同區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性。同時(shí)，仔細(xì)觀察斷層（裂隙）特征，包括斷層的走向、傾角、寬度以及填充物的性質(zhì)等，這些信息對(duì)于評(píng)估地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義。此外，還需留意可能存在的塊體等不良地質(zhì)現(xiàn)象，分析其潛在的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)遇到復(fù)雜地質(zhì)問題時(shí)，地質(zhì)人員需結(jié)合現(xiàn)場編錄進(jìn)行深入分析，對(duì)問題區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測量和勘察，記錄地質(zhì)參數(shù)和現(xiàn)象。通過對(duì)比現(xiàn)場實(shí)際情況與展開圖的差異，進(jìn)一步判斷該地質(zhì)問題對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響。

三維可視化豎井地質(zhì)編錄方法與常規(guī)編錄方法相比，在效率方面優(yōu)勢明顯，具體見表1。

總的來說，三維可視化地質(zhì)編錄方法優(yōu)勢明顯，效率遠(yuǎn)超常規(guī)地質(zhì)編錄方法。常規(guī)地質(zhì)編錄依賴人工觀察和測量，易受觀測者主觀因素影響，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和客觀性受限，且多以二維文字描述和平面圖紙呈現(xiàn)，不能直觀展示地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜空間關(guān)系，給理解和分析地質(zhì)情況帶來困難。同時(shí)，常規(guī)地質(zhì)編錄在數(shù)據(jù)更新方面滯后，難以快速適應(yīng)現(xiàn)場地質(zhì)條件變化。

三維可視化地質(zhì)編錄方法通過先進(jìn)測量技術(shù)和設(shè)備，采集大量高精度數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完整性。利用專業(yè)軟件構(gòu)建的三維模型，可直觀、立體地呈現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌和細(xì)節(jié)，讓地質(zhì)工作者及相關(guān)人員更清晰地理解地質(zhì)情況，為決策提供可靠依據(jù)。此外，該方法還能極大提高地質(zhì)編錄效率，最大限度降低現(xiàn)場施工干擾，加快施工進(jìn)度。

3 結(jié) 語

本文研究提出三維可視化地質(zhì)編錄方法，對(duì)豎井建筑物開展三維實(shí)景影像掃描，并使用BentleyAcute3D三維建模軟件進(jìn)行建模，最終生成地質(zhì)編錄圖。

相較于傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄工作，此方法可有效提高地質(zhì)人員的工作效率，更加標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程可提高成果質(zhì)量，同時(shí)降低了編錄風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于抽水蓄能電站工程領(lǐng)域，存在大量的豎井施工地質(zhì)編錄工作，使用三維可視化豎井地質(zhì)編錄方法，可提升地質(zhì)專業(yè)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和智能化程度，具備一定的推廣價(jià)值。

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Research on three-dimensional visualization geological logging method for

water intake shaft of pumped storage power station

Abstract：

In order to solve a series of safety and efficiency problems in the geological logging of ultra deep vertical shafts in pumped storage power stations，such as low logging efficiency，prominent safety issues，and significant influence of human factors，a set of geological logging techniques suitable for pumped storage power station vertical shafts were developed through in-depth research on three-dimensional visualization geological logging methods，which was applied in pumped storage power stations.The results showed that the method can solve many difficult problems in the actual geological logging process and provide a reference for other underground engineering logging methods.

Key words：

pumped storage power stations； vertical shaft； geological logging； three-dimensional visualization