廉旭剛,胡海峰,陳鵬飛

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.太原理工大學(xué) 地震與地質(zhì)災(zāi)害防治研究所,太原 030024)

地下開采造成了上覆巖層及地表的移動變形,并以不同的地面災(zāi)害類型存在,地面裂縫、臺階、塌陷坑、滑坡為最基本的開采沉陷災(zāi)害類型。傳統(tǒng)的測量方法通過沿工作面走向與傾向布設(shè)地表離散監(jiān)測點,獲取開采沉陷引起的地表移動變形規(guī)律,而對于地面災(zāi)害僅能通過素描、拍照、量取幾何尺寸、邊界測量等方法對其進行描述。地面災(zāi)害的空間采集及形態(tài)描述是目前研究的一個熱點。專家學(xué)者應(yīng)用InSAR技術(shù)、GPS技術(shù)等方法相結(jié)合,探究地面沉降災(zāi)害及山體滑坡地面災(zāi)害。張詩玉等對河北廊坊市、霸州市勝芳鎮(zhèn)2003年至2007年ENVISAT衛(wèi)星的SAR影像進行了差分干涉測量處理。通過該地區(qū)的GPS站網(wǎng),削弱了部分大氣對流層折射延遲的影響,并融合SRTM3 DEM對平地效應(yīng)殘留誤差進行了估計,從而精確地獲取了該時期的地面沉降量及沉降漏斗中心[1]。王愛國針采用數(shù)據(jù)融合方法對水準和InSAR進行融合,較好地解決了水準監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空分辨率低和InSAR數(shù)據(jù)中部分地區(qū)失相干的弊端,使融合后的數(shù)據(jù)能更好地描述地面沉降的現(xiàn)狀,為更好地預(yù)測地面沉降的發(fā)展趨勢,減少沉降災(zāi)害對經(jīng)濟社會的危害[2]。喻永平等采用兩種不同波段、覆蓋區(qū)域相同、時間跨度幾乎相同的ASAR數(shù)據(jù)和PALSAR數(shù)據(jù)分別監(jiān)測廣花盆地,并相互驗證,結(jié)果顯示部分地區(qū)沉降比較明顯[3]。龍四春等利用雷達差分干涉測量與GPS集成可實現(xiàn)對礦區(qū)的三維形變監(jiān)測[4]。王利研究了地質(zhì)災(zāi)害高精度GPS快速定位關(guān)鍵技術(shù)[5]。張杏清等探索一種應(yīng)用In SAR、GPS、精密水準高效協(xié)同監(jiān)測和相關(guān)監(jiān)測資料精密處理、高效融合的理論、技術(shù)與方法,建立高時空分辨率的地面沉降監(jiān)測體系成為當務(wù)之急。針對廣州南沙試驗區(qū)開展的高時空分辨率沉降監(jiān)測體系的研究實踐[6]。

InSAR、GPS、水準測量技術(shù)的融合解決了高精度大范圍內(nèi)地表移動的沉降監(jiān)測問題,而對于地面災(zāi)害的局部特征仍無法詳細描述。汪燕麟將地面三維激光掃描技術(shù)引入到地震災(zāi)區(qū)多個大型滑坡體體積測量與分析中,該技術(shù)可以高精度、高速度、高密度地測量物體表面三維空間坐標,從而詳細描述表面細部狀況,對滑坡災(zāi)害的治理防護提供了寶貴的研究資料[7]。舒飛等以四川雅安市天全縣南部某地暴發(fā)特大規(guī)模泥石流災(zāi)害為工程實例,通過地面三維激光掃描儀實地測量,獲取此次泥石流滑坡高精度三維地理信息數(shù)據(jù),為以后的災(zāi)后重建與防御工作提供第一手資料[8]。宿淵源等介紹了三維激光掃描在震后三維重建以及分析中的一些應(yīng)用,包括地震應(yīng)急、活動構(gòu)造信息提取、倒塌建筑物識別分類、次生災(zāi)害監(jiān)測,如滑坡、堰塞湖等[9]。馮光勝通過利用激光雷達對不良地質(zhì)進行掃描,快速獲取其三維信息,確定不良地質(zhì)規(guī)模、空間位置分布范圍和發(fā)展趨勢等,為工程地質(zhì)勘察提供較準確的地質(zhì)資料[10]。趙騫等應(yīng)用地面三維激光掃描儀(TLS)進行了快速獲取滑坡區(qū)域數(shù)據(jù)和幾何特征提取的科學(xué)試驗,通過ILRIS地面三維激光掃描儀和PolyWorks軟件獲取和處理數(shù)據(jù),提取了滑坡幾何特征,數(shù)據(jù)可供相關(guān)部門對滑坡災(zāi)害進行快速科學(xué)處置[11]。徐進軍等研究了基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理,滑坡變形體的諸多細節(jié)變化對正確的變形分析有著重要的作用,將該技術(shù)引入到滑坡變形監(jiān)測與分析中,可充分利用滑坡體上的大量點自然地物作為監(jiān)測點,來完整監(jiān)測和分析其變形[12]。李強等以重慶市某采煤沉陷區(qū)內(nèi)地表變形明顯、沉陷趨勢顯著的地表為研究對象,采用三維激光掃描技術(shù)對其進行地表沉降變形監(jiān)測研究[13]。三維激光掃描作為一種采集數(shù)據(jù)的手段,能夠快速的提取地面災(zāi)害的特征數(shù)據(jù),對地面災(zāi)害三維點云數(shù)據(jù)的空間分析有待進一步提升。本文主要圍繞采動山體滑坡及裂縫的點云數(shù)據(jù)進行空間特征分析,為采動地面災(zāi)害的監(jiān)測及評估提供新途徑。

1 采動坡體三維激光掃描

山區(qū)某工作面上方地表區(qū)域相對高差約130 m,屬于典型的山區(qū)開采。采用Leica MS50全站掃描儀(1″)對工作面上方危險邊坡及大型臺階裂縫進行了重點監(jiān)測,并對其它類型的地面災(zāi)害進行分析。工作面開采寬度200 m,平均采深300 m,開采厚度8.7 m,黃土層厚度66 m～123 m。應(yīng)用三維激光掃描儀分別在2016年3月11日,工作面推進至518 m,超越圖1-a所示坡體100 m,及2016年4月8日,工作面推進至578 m處,超越圖1-b所示坡體160 m,對兩個時間點的崩落及滑坡進行掃描。點云的垂直與水平間距均為1 cm。

1-a 2016年3月11日

1-b 2016年4月8日圖1 采動山體滑坡Fig.1 Landslides caused by mining

1.1 滑坡體剖面分析

分別對上述兩期掃描獲得的點云數(shù)據(jù)進行處理,經(jīng)過點云去噪、三角網(wǎng)建模、等高線生成、剖面線處理等,形成了如圖2所示可視化地表滑坡三維模型。三條剖面線分析可知,2016年4月8日由于采動程度的加劇,導(dǎo)致坡頂大量土體下滑,基本掩蓋了3月11日形成的坡體表面。

圖2 采動滑坡體三維建模與剖面分析Fig.2 3D Modeling and profile analysis of mining landslide

1.2 山體坡度分析

坡度是地表單元陡緩的程度,即坡面的垂直高度和水平距的比,根據(jù)坡度的不同對滑坡進行不同顏色的渲染,即得到如圖3所示的更能直觀表達地形坡度的坡度色彩圖。

3-a 2016年3月11日

3-b 2016年4月8日圖3 滑坡前后期坡度渲染圖Fig.3 Rendering of slopes before and after landslide

分析圖3-a,坡體上部地形多處顏色較深,說明坡度較大,潛在較大的坍塌趨勢。對比圖3-a與3-b,可以發(fā)現(xiàn),前期滑坡坡度最大為80°左右,且存在多處顏色較深,后期坡體坡度最大為70°左右,只有個別小范圍地形顏色較深,說明在掃描間隔的時間內(nèi),坡體經(jīng)過了較大程度的坍塌,整個坡體開始趨于穩(wěn)定。

1.3 坡體周圍測點的傳統(tǒng)監(jiān)測

通過對坡體周圍監(jiān)測點進行位移分析,見圖4,發(fā)現(xiàn)坡體測點O14的傾向水平移動最大,達到7 602 mm,測點O13距離O14僅30 m,而該點的傾向水平移動為235 mm,充分說明了測點O14受山體滑坡的影響,向土體內(nèi)部產(chǎn)生了水平滑移。坡頂測點O16受山體滑坡擾動較小,傾向水平移動為1 394 mm。同理,可見測點W11位于坡底處,產(chǎn)生走向水平移動4 666 mm,而W12距離坡體較遠,其走向水平移動為1 731 mm。

圖4 坡體周圍監(jiān)測點水平移動Fig.4 Horizontal movement of monitoring points around the slopes

2 采動地表臺階裂縫三維激光掃描

工作面在推進過程中在地表形成了如圖5所示的臺階裂縫,其中圖5-a位于測點W9附近,屬于坡頂區(qū)域;圖5-b位于測點O10附近,屬于坡底區(qū)域。分析圖6可知W9與O10位于工作面推進方向線上,二者在采動過程中的主要以水平移動為主,且大小基本一致;而O10點的下沉值顯著的大于W9點的下沉,相差約1 500 mm,盡管W9點經(jīng)歷的開采擾動時間要長于O10點,其原因主要是由于O10點位于坡底,W9位移坡頂平坦區(qū)域,O10點的下沉量包含了坡體在未發(fā)生水平移動的下沉量,與坡體滑移后地形高差起伏產(chǎn)生的下沉量,充分驗證了山區(qū)采動坡體滑移對下沉的附加影響規(guī)律。

圖5 采動地表臺階裂縫Fig.5 Ground stepped cracks caused by mining

圖6 W9與O10測點移動變形分析Fig.6 Mobile deformation analysis of monitoring points: W9 and O10

為了充分的描繪大型臺階裂縫的幾何形態(tài),采用三維激光掃描對裂縫進行了掃描,并對所得到點

云數(shù)據(jù)進行了去噪、建模、剖面等處理,得到臺階裂縫三維膜型與剖面圖，見圖7。

圖7 臺階裂縫三維模型與剖面Fig.7 3D model and profile of stepped cracks

通過三維激光掃描監(jiān)測裂縫的特征變化,能夠準確真實、全方位的得到裂縫的特征信息,在不同位置進行斷面提取,能夠得到了裂縫的寬度及臺階高度,圖7-b斷面1裂縫寬度為2.04 m,臺階高度1.09 m;斷面2的裂縫寬度為1.70 m,臺階高度2.12 m,斷面3的裂縫寬度為0.82 m,臺階高度2.11 m。

3 結(jié)論

應(yīng)用三維激光掃描對采動過程中的地面災(zāi)害進行監(jiān)測,并對點云數(shù)據(jù)進行三維建模及空間分析,得到了以下結(jié)論:

1)應(yīng)用三維激光掃描儀對采動山體的崩落、滑坡進行了監(jiān)測及三維空間分析,證明了應(yīng)用該技術(shù)能夠?qū)ι襟w滑坡的局部空間特征進行采集分析,并通過傳統(tǒng)方法對坡體周圍的移動變形進行了監(jiān)測,對比發(fā)現(xiàn)點云數(shù)據(jù)對坡體破壞現(xiàn)狀詳細描述具有較大的優(yōu)勢,而傳統(tǒng)方法在點位的絕對位移監(jiān)測方面具有較大優(yōu)勢。

2)三維激光掃描對采動地面大型裂縫進行掃描及空間分析,提取了不同斷面裂縫的寬度、臺階高度等,為采動地表裂縫的描述提供了新的途徑。

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