高劍鋒，白明洲，穆樹懷，杜衍慶，易迪青

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 430071）

高陡巖石邊坡穩(wěn)定性研究中，巖石塊體穩(wěn)定性是一個重要研究方向[1]，大量的巖石高邊坡案例表明，高邊坡巖石塊體穩(wěn)定性是重大工程的安全與防災的關鍵問題。在高邊坡潛在不穩(wěn)定塊體的確定中，巖體結(jié)構(gòu)面的空間分布是決定性因素[2]，在艱險山區(qū)的高陡邊坡工程中，由于現(xiàn)場地形地貌條件的限制，使得對于巖體結(jié)構(gòu)面的測量成為非常困難的工作，在地形險峻的條件下，很多邊坡往往無法直接在現(xiàn)場測量結(jié)構(gòu)面的分布狀況。

三維激光掃描是新興的遠程測量技術(shù)，其工作過程，實際上是不斷重復的數(shù)據(jù)采集和處理的過程。三維激光掃描技術(shù)可以廣泛應用于工程建設中與物體三維測量相關的眾多領域，包括水利工程施工測量中可替代傳統(tǒng)攝影測量方式進行大壩全區(qū)測圖[3－6]；大壩、地下廠房等大型建筑物測量維護與仿真、位移監(jiān)控和外觀結(jié)構(gòu)三維建模，設計與維護分析[7－8]；水利工程開挖容積測量與應用；高邊坡變形監(jiān)測與快速輔助地質(zhì)編錄，穩(wěn)定性分析計算的地形數(shù)據(jù)獲取[9－16]；隧道收方，變形監(jiān)測及其他數(shù)據(jù)源的復合[17－18]等。

三維激光掃描技術(shù)是目前國內(nèi)外測繪領域的研究前沿[8]，將這一先進技術(shù)及時應用到高邊坡塊體穩(wěn)定性研究中，對工程建設具有很強的現(xiàn)實意義。本文在對三維掃描儀原理進行簡單介紹的基礎上，結(jié)合工程實例，闡述了應用該項技術(shù)解決高陡邊坡調(diào)查中關于裂隙數(shù)據(jù)的提取、結(jié)構(gòu)面以及潛在不穩(wěn)定塊體穩(wěn)定性分析的原理與方法，最終得出高陡邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。由此可以看出，該項技術(shù)在地質(zhì)和巖土工程領域具有廣泛的應用前景和很高的應用價值。

1 巖體結(jié)構(gòu)三維激光掃描

1.1 激光掃描原理

激光掃描儀所采用的工作方式是脈沖激光測距的方法（基于激光時間漂移原理），采用無接觸式高速激光測量，以點云形式獲取掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。本文選用加拿大Optech公司的三維激光掃描儀（圖1）研究高陡邊坡塊體穩(wěn)定性，該儀器主要包括激光測距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)，同時集成數(shù)字攝影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。Optech激光掃描儀主要采用TOF（Time of Flight）脈沖測距法，是一種高速激光測時、測距技術(shù)。該掃描儀獲取掃描目標點云坐標原理為：根據(jù)內(nèi)部精密的測量系統(tǒng)獲取發(fā)射出去的激光光束的水平方向角度和垂直方向角度，以及由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時間計算得到掃描點到儀器的距離值S，根據(jù)圖1中公式可計算掃描目標點P坐標。

圖1 Optech三維激光掃描儀及測量原理

1.2 瀾滄江高邊坡的激光掃描

三維激光掃描的對象為某管道工程跨越的瀾滄江岸坡（圖2），場區(qū)上覆地層為第四系殘坡積巖含碎石粉質(zhì)粘土，下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r（圖3）。由于工作場地屬高山河谷地貌，地形陡峻，可架設儀器位置點不多，在盡可能獲取掃描角度前提下，對此岸坡進行三維影像獲取，坡面采樣間距控制在10cm內(nèi)。為保證坐標轉(zhuǎn)換精度，現(xiàn)場共設置坐標控制點6處。掃描面積192705m2，獲取邊坡三維點云數(shù)據(jù)8574527個，如圖4所示。

圖2 瀾滄江高陡邊坡

圖3 瀾滄江岸坡地質(zhì)剖面示意圖

圖4 三維點云數(shù)據(jù)圖

1.3 裂隙數(shù)據(jù)的提取

為使掃描數(shù)據(jù)與現(xiàn)場控制坐標相一致，本次掃描工作通過6個坐標控制點，對點云數(shù)據(jù)進行了坐標轉(zhuǎn)換，坐標點轉(zhuǎn)換精度分析結(jié)果見表1，由表1可以看出，6個控制點坐標統(tǒng)計分析X、Y、Z三個坐標值誤差最大量值為0.319m，經(jīng)6個坐標點綜合控制校正點云圖像后，坐標轉(zhuǎn)換精度為0.1m，可滿足巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查要求。

表1 控制坐標轉(zhuǎn)換精度

室內(nèi)采用該設備配套的軟件PolyWorks對獲取的點云數(shù)據(jù)進行后期處理，通過點云數(shù)據(jù)所包含的巖體結(jié)構(gòu)面信息進行解譯，獲取邊坡巖體結(jié)構(gòu)相關地質(zhì)信息。地質(zhì)結(jié)構(gòu)面解譯圖像如圖5所示。

圖5 瀾滄江高邊坡點云數(shù)據(jù)解譯圖

根據(jù)點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面解譯成果，對結(jié)構(gòu)面進行分組、整理，并獲取典型結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，整理為邊坡巖體結(jié)構(gòu)面立面圖（素描圖），見圖6。同時采用該軟件切剖面的功能對跨越軸線剖面地形線進行了校核，根據(jù)已知的全球坐標點，精確地將三維裂隙網(wǎng)絡投放到了跨越區(qū)工程地質(zhì)平面圖上，這對研究巖體穩(wěn)定具有重要的作用。

圖6 瀾滄江高邊坡巖體結(jié)構(gòu)面立面圖（素描圖）

1.4 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析

據(jù)瀾滄江高邊坡優(yōu)勢裂隙的解譯，可得到邊坡巖體中裂隙的優(yōu)勢方位（圖7和表2）。從圖表中可以看出岸坡的優(yōu)勢裂隙以平面“X”裂隙為主，優(yōu)勢裂隙共4組，其中最為發(fā)育的為第1組，傾SE、傾角在60°以上；其次是第2組，陡傾坡內(nèi)，傾向為206°～254°，傾角為45°～88°。另外兩組為傾向 NE的層面和NW的裂隙，第3組結(jié)構(gòu)面（8°∠37°）是外傾軸向邊坡的，而第4組結(jié)構(gòu)面（307°∠66°）是外傾上游側(cè)邊坡的，這些外傾結(jié)構(gòu)面是控制邊坡的淺表層滑動的，不利于邊坡的穩(wěn)定。

圖7 瀾滄江高邊坡裂隙等密圖

表2 瀾滄江高邊坡裂隙優(yōu)勢方位

2 潛在不穩(wěn)定塊體構(gòu)成

邊坡中各種長大結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況以及在空間的展布位置是塊體穩(wěn)定性分析的基礎，為了盡可能準確的確定各種長大結(jié)構(gòu)面在空間的展布特征，作者在現(xiàn)場不僅對地表出露節(jié)理裂隙做了統(tǒng)計，而且還利用三維激光掃描儀對左右岸邊坡表部的各種結(jié)構(gòu)面進行了精確定點。將測量得到的全部結(jié)構(gòu)面分組統(tǒng)計后與瀾滄江高邊坡進行赤平投影分析，如圖8所示。從赤平投影圖分析可知，對于軸向邊坡，可構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面不利組合為1－3、2－3以及3－4；對于上游側(cè)邊坡，可構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面不利組合為1－4和2－3。

圖8 瀾滄江高邊坡結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

3 塊體穩(wěn)定性分析

在對邊坡主要結(jié)構(gòu)面調(diào)查的基礎上，運用以下方法對瀾滄江高邊坡的塊體穩(wěn)定性進行計算分析，方法如下：1）對瀾滄江高邊坡的結(jié)構(gòu)面進行詳細的調(diào)查、測量，包括結(jié)構(gòu)面出露的位置、傾向、傾角、充填物質(zhì)情況等基本信息；2）將調(diào)查獲得的結(jié)構(gòu)面與跨越邊坡進行赤平投影分析，初步篩選出可能組合形成塊體的邊界結(jié)構(gòu)面；3）將兩兩組合的結(jié)構(gòu)面和獲得的結(jié)構(gòu)面參數(shù)進行計算，得到各組合塊體的穩(wěn)定性。

本次計算采用的結(jié)構(gòu)面參數(shù)根據(jù)試驗、相似工程類比及經(jīng)驗值獲得，見表3。

表3 結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議值表

將獲得的組合塊體的邊界結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面的參數(shù)輸入塊體穩(wěn)定性分析程序中進行計算，考慮以下幾種工況：天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)、地震狀態(tài)，其中地震狀態(tài)下，水平地震峰值加速度a＝0.2g。計算的結(jié)果見表4，邊坡軸向邊坡典型破壞塊體的組合模式見圖9，邊坡上游側(cè)邊坡典型破壞塊體的組合模式見圖10。

圖9 軸向邊坡典型破壞塊體組合模式

圖10 上游側(cè)邊坡典型破壞塊體的組合模式

表4 跨越邊坡塊體穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)表4可以得到以下結(jié)論：

1）軸向邊坡：在天然狀態(tài)下，1－3、2－3、3－4三組結(jié)構(gòu)面組合塊體的穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定系數(shù)均大于1.8；在暴雨狀態(tài)下，三種組合結(jié)構(gòu)面組合塊體的穩(wěn)定性略有降低，但仍在1.1以上，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；而在地震狀態(tài)下，穩(wěn)定性系數(shù)有較大程度降低，并且3－4組合塊體的穩(wěn)定性降低為0.95，組合塊體將會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。建議進行防護和加固，并引起重視。

2）上游側(cè)邊坡：在天然和暴雨狀態(tài)下，1－4、2－3兩組結(jié)構(gòu)面組合塊體的穩(wěn)定性較好，均大于2.0；在地震狀態(tài)下，兩組結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定性系數(shù)均出現(xiàn)大幅度降低，應注意在開挖過程中可能引起變形破壞。

4 結(jié) 論

本文以瀾滄江某重大工程高邊坡為研究對象，應用三維激光掃描技術(shù)，研究了遠距離調(diào)查分析巖體結(jié)構(gòu)的分析方法，得出邊坡在天然工況下，塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震工況下，半數(shù)塊體處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，由于跨越墩在跨越邊坡上游側(cè)，其可能會受到軸向和上游側(cè)方向的塊體下滑影響，建議跨越墩位盡量靠近山體，前緣坡表做部分削坡處理，并對表層松動巖體進行清除以及設防護加固措施。目前的三維激光掃描技術(shù)正處在一個發(fā)展、更新階段，該技術(shù)在高陡邊坡塊體穩(wěn)定性研究中的成功應用，可為其他相似工程提供參考。

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