胡亞?wèn)|，梅稚平，崔中濤，陳長(zhǎng)江

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

小型無(wú)人機(jī)在某水電站危險(xiǎn)源調(diào)查中的應(yīng)用

胡亞?wèn)|，梅稚平，崔中濤，陳長(zhǎng)江

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文以某水電站樞紐區(qū)自然邊坡為依托，利用小型無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)獲取某水電站危險(xiǎn)源景象圖、地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，解決了高山峽谷地區(qū)水電工程中由于交通、安全等因素對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源調(diào)查的制約和安全隱患，顯著提高危險(xiǎn)源類(lèi)型識(shí)別和體積計(jì)算的準(zhǔn)確性，為邊坡的治理提供可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，同時(shí)也為無(wú)人機(jī)在類(lèi)似工程中的應(yīng)用提供參考。

水電站；無(wú)人機(jī)；危險(xiǎn)源；邊坡

0 前 言

我國(guó)西南地區(qū)位于青藏高原東側(cè)，青藏高原第四紀(jì)快速抬升的過(guò)程中，發(fā)育于此的河流都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的河谷下切，構(gòu)成了青藏高原東側(cè)典型的高山峽谷地貌形態(tài)，這對(duì)水電工程的建設(shè)提供了有力的地形地貌條件[1]。同時(shí)，由于西南地區(qū)特有的地質(zhì)背景，造就了西南地區(qū)較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件，在這些地區(qū)進(jìn)行水電開(kāi)發(fā)這類(lèi)大規(guī)模的人類(lèi)工程活動(dòng)，必然會(huì)產(chǎn)生大量的地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。因此，開(kāi)展對(duì)影響工程安全的自然邊坡危險(xiǎn)源調(diào)查，為邊坡的治理提供可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，具有非常重要的工程意義。

目前，水電工程危險(xiǎn)源調(diào)查主要為工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、激光掃描成像法、攝像等方法，但由于水電工程處在高山峽谷地區(qū)，通常山高路險(xiǎn)，交通不便，植被發(fā)育，通視條件差，造成部分危險(xiǎn)源調(diào)查結(jié)果誤差較大，達(dá)不到勘察精度要求。近些年，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其制造成本大為降低，同時(shí)性能也不斷增強(qiáng)，使其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，發(fā)展十分迅速，廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、航拍、攝影、遙感、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域[4-6]。其具有機(jī)體小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、安全性好、使用費(fèi)用低等特點(diǎn)，因此，使用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行水電工程危險(xiǎn)源調(diào)查較為合適。

本文以某水電站樞紐區(qū)自然邊坡為依托，利用小型無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)源調(diào)查，獲取危險(xiǎn)源景象圖、地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，為邊坡的治理提供依據(jù)。

1 某水電站基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)為凸向左岸弧形河灣，河流以流向N80°E流入壩區(qū)，經(jīng)壩區(qū)后，以近S向流出壩區(qū)。兩岸谷坡陡峻，右岸山體雄厚，相對(duì)高差1 000余米，左岸橫Ⅰ上游100 m發(fā)育深切支溝，與河流形成三面臨空的山脊。近支溝口山脊厚400～900 m，相對(duì)高差300～600 m。兩岸基巖多裸露，植被較發(fā)育，中高程2 160 m以上坡度一般為50°～55°，局部為緩坡地帶，高程2 160 m以下坡度達(dá)70°，多為懸崖峭壁。

1.2 地層巖性

研究區(qū)巖性為中粒花崗閃長(zhǎng)巖、少量黑云母花崗巖(γδ52)，黑云母花崗巖混雜在花崗閃長(zhǎng)巖中，局部較為集中；分布有后期熱氣液蝕變的花崗巖化和粘土巖化蝕變巖帶，蝕變巖帶中部多見(jiàn)方解石—石英巖脈等，巖性較為均勻，規(guī)模較大的蝕變巖帶發(fā)育規(guī)律性較強(qiáng)，與壩區(qū)構(gòu)造關(guān)系密切，同時(shí)發(fā)育較多不規(guī)則小蝕變巖帶，分布隨機(jī)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩區(qū)構(gòu)造較為發(fā)育，無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，發(fā)現(xiàn)兩條規(guī)模較大的斷層(F4、F5)外，主要為沿蝕變帶分布規(guī)模較小的次生斷層，延伸數(shù)百米至千米，破碎帶一般寬10～30 cm，F(xiàn)4、F5破碎帶較寬，F(xiàn)5斷層破碎帶寬0.3～1.0 m，F(xiàn)4斷層破碎帶寬0.5～2.0 m，除斷層F4、F5外，其他斷層基本無(wú)影響帶，局部斷層附近裂隙發(fā)育。

1.4 風(fēng)化卸荷特征

(1)巖體風(fēng)化特征。據(jù)勘探揭示，壩區(qū)低高程2 110 m弱風(fēng)化水平深度15～25 m，中高程2 180 m弱風(fēng)化水平深度20～40 m，壩肩高程2 160 m局部見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化，弱風(fēng)化水平深度30～50 m。河床弱風(fēng)化垂直深度1～9 m。隨高程增加，巖體風(fēng)化增強(qiáng)，局部見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化。

(2)巖體卸荷特征。據(jù)勘探揭示，左右岸低高程2 110 m強(qiáng)卸荷水平深度5～10 m，弱卸荷水平深度20～30 m；中高程2 180 m強(qiáng)卸荷水平深度20～30 m，弱卸荷水平深度40～50 m；壩肩高程強(qiáng)卸荷水平深度30～40 m，弱卸荷水平深度50～70 m，左右岸卸荷程度基本一致，差別較小。隨高程增加，卸荷深度變深和強(qiáng)烈，臨空面較多的山脊巖體卸荷強(qiáng)烈。

2 無(wú)人機(jī)在某水電站危險(xiǎn)源調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 無(wú)人機(jī)應(yīng)用背景

在自然條件或人類(lèi)工程活動(dòng)的影響作用下，自然邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到建設(shè)工程施工期和工程運(yùn)營(yíng)期的安全。為消除邊坡安全隱患，預(yù)測(cè)及防治危巖體及不穩(wěn)定塊體對(duì)工程區(qū)建筑物的影響，保障工程的順利施工和長(zhǎng)期運(yùn)行，以及施工期車(chē)輛、設(shè)備和人員的安全，需對(duì)工程樞紐區(qū)邊坡危險(xiǎn)源進(jìn)行調(diào)查。

水電工程處在高山峽谷地區(qū)，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，大多數(shù)危險(xiǎn)源分布在孤立的山脊上，通常山高路險(xiǎn)，交通不便，甚至個(gè)別部位人力無(wú)法到達(dá)，同時(shí)，部分區(qū)域山高林密，植被發(fā)育，通視條件差。這些客觀現(xiàn)實(shí)條件往往造成現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員對(duì)部分地質(zhì)現(xiàn)象看不到、看不清或者看不全，給危險(xiǎn)源的調(diào)查工作帶來(lái)極大的制約和安全隱患。現(xiàn)目前對(duì)危險(xiǎn)源的調(diào)查主要存在以下幾點(diǎn)困難：

(1)危險(xiǎn)源多分布在高程高或懸崖陡壁附近，調(diào)查人員很難實(shí)地靠近危險(xiǎn)源，只能遠(yuǎn)距離判斷危險(xiǎn)源的類(lèi)型，依靠參照物大致估算危險(xiǎn)源的尺寸，其誤差大，體積估算準(zhǔn)確性低；

(2)邊坡發(fā)育的植被對(duì)危險(xiǎn)源形成一定遮擋，導(dǎo)致估算體積時(shí)產(chǎn)生誤差；

(3)危險(xiǎn)源調(diào)查時(shí)，一般都沿已有勘探便道進(jìn)行觀測(cè)，并估算危險(xiǎn)源尺寸，由于勘探便道修筑較少，使得觀測(cè)方向較為單一，體積估算誤差較大。

由于無(wú)人機(jī)具有機(jī)體小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、安全性好、使用費(fèi)用低、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，利用小型無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)獲取危險(xiǎn)源景象圖、地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，能夠顯著提高危險(xiǎn)源類(lèi)型識(shí)別和體積計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.2 某水電站危險(xiǎn)源類(lèi)型及其特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，某水電站樞紐區(qū)自然邊坡潛在危險(xiǎn)源按成因及變形破壞類(lèi)型分為兩大類(lèi)：

(1)邊坡上部巖體發(fā)生崩塌等外動(dòng)力地質(zhì)作用，墜落的塊體沿坡面運(yùn)動(dòng)，能量耗盡或受阻而停止下來(lái)的堆積物，尤其是規(guī)模相對(duì)較大的孤塊石，在暴雨、地震等誘因下可能重新運(yùn)動(dòng)，定義為“孤石”或“孤石群”；

(2)邊坡表層巖體受各種結(jié)構(gòu)面切割后，在孔隙水壓力、自重應(yīng)力等作用下沿一組或若干組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉裂(或剪切)破壞，而使被切割的地質(zhì)體處于極限平衡狀態(tài)(或近極限平衡狀態(tài))，也包括強(qiáng)卸荷巖體淺表部位側(cè)向及順坡向拉張，巖體架空、松動(dòng)現(xiàn)象并呈塊裂～碎裂結(jié)構(gòu)，按規(guī)模大小定義為“危巖體”、“危石”或“危石群”，其中危巖體根據(jù)其變形破壞類(lèi)型又可進(jìn)一步分為崩塌式、滑動(dòng)式及傾倒式。上述危險(xiǎn)源具體分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 某水電站樞紐區(qū)自然邊坡危險(xiǎn)源類(lèi)型分類(lèi)

2.3 無(wú)人機(jī)航攝對(duì)危險(xiǎn)源的調(diào)查

針對(duì)該水電站危險(xiǎn)源類(lèi)型及其發(fā)育特征，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影資料的提取和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查得出該水電站樞紐區(qū)范圍內(nèi)自然邊坡共發(fā)育50處危險(xiǎn)源，其中左岸27處、右岸23處，獲取了各危險(xiǎn)源(左、右岸)位置、類(lèi)型、分布范圍、邊界條件等信息。該水電站危險(xiǎn)源類(lèi)型分別為危巖(WY)41處(見(jiàn)圖1)，危石(WS)3處(見(jiàn)圖2)，危石群(WSQ)3處(見(jiàn)圖3)，孤石群(GSQ)3處(見(jiàn)圖4)，樞紐區(qū)危險(xiǎn)源類(lèi)型以危巖(WY)為主，其占比達(dá)80%；左右兩岸危險(xiǎn)源數(shù)量上相當(dāng)(左岸27處、右岸23處)，說(shuō)明左右岸發(fā)育程度相當(dāng)，這與樞紐區(qū)左、右岸地質(zhì)條件相吻合，兩岸巖性、風(fēng)化卸荷及構(gòu)造斷裂發(fā)育程度及規(guī)律基本一致，僅局部地形完整性造成危險(xiǎn)源發(fā)育程度、類(lèi)型上的差異。

3 結(jié) 語(yǔ)

圖1 無(wú)人機(jī)航拍影像危巖(WY)提取 圖2 無(wú)人機(jī)航拍影像危石(WS)提取

圖3 無(wú)人機(jī)航拍影像危石群(WSQ)提取 圖4 無(wú)人機(jī)航拍影像孤石群(GSQ)提取

本文利用小型無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)獲取某水電站危險(xiǎn)源景象圖、地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，解決了高山峽谷地區(qū)水電工程中由于交通、安全等因素對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源調(diào)查的制約和安全隱患，顯著提高了危險(xiǎn)源類(lèi)型識(shí)別和體積計(jì)算的準(zhǔn)確性，為邊坡的治理提供了可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。該水電站危險(xiǎn)源類(lèi)型分別為危巖(WY)41處，危石(WS)3處，危石群(WSQ)3處，孤石群(GSQ)3處，樞紐區(qū)危險(xiǎn)源類(lèi)型以危巖(WY)為主。

小型無(wú)人機(jī)具有高機(jī)動(dòng)性、使用成本低、操作簡(jiǎn)單等顯著的優(yōu)點(diǎn)，其在危險(xiǎn)源調(diào)查中的成功運(yùn)用，表明了其能夠較好地解決工程勘察中人力不可到達(dá)部位的地質(zhì)調(diào)查，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)、精細(xì)地形測(cè)量、線路路徑選擇等方面具有廣闊的使用前景。

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2017-02-06

胡亞?wèn)|(1990-)，男，四川成都人，碩士，從事水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。

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