楊茂偉

(1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014;2. 山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

礦產(chǎn)開采形成的尾礦庫(kù)和料場(chǎng)等極易發(fā)生滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。為了確保人民的美好生活環(huán)境和生產(chǎn)安全，對(duì)礦山的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和治理必須是準(zhǔn)確、有規(guī)劃和可持續(xù)的，這就要求測(cè)繪提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。然而礦山測(cè)量種類繁多，地質(zhì)地形情況復(fù)雜，采用全站儀和GPS等傳統(tǒng)的測(cè)量手段進(jìn)行高精度測(cè)繪往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1]。

三維激光掃描技術(shù)為解決以上問(wèn)題提供了新的技術(shù)手段[2]。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹了采用高精度影像掃描儀獲取礦山渣石堆的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]，并輔助邊坡穩(wěn)定性分析的全過(guò)程，充分顯示了該技術(shù)的優(yōu)越性。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目綜述

濟(jì)南市章丘區(qū)市政工程處瀝青攪拌站位于章丘區(qū)南約8 km的文祖鎮(zhèn)甘泉村。本次評(píng)價(jià)的渣石堆為瀝青混凝土攪拌站開挖基槽存放的渣石，堆放在溝谷兩側(cè)，共分兩個(gè)區(qū)域，其中二區(qū)分為2-1區(qū)和2-2區(qū)兩個(gè)分區(qū)，如圖1所示。渣石作為瀝青混凝土攪拌原材料，計(jì)劃兩年內(nèi)消耗完畢。本次是對(duì)其消耗完畢前的邊坡穩(wěn)定性和泥石流形成情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1.2 邊坡特點(diǎn)

本項(xiàng)目渣石堆邊坡的主要特點(diǎn)為：①渣石堆邊坡高度達(dá)22 m，最大綜合邊坡角達(dá)31°～51°，為人工自然傾倒形成；②由于為自然傾倒形成，未經(jīng)碾壓，為松散狀態(tài)；③沿溝谷傾倒，未考慮泄洪要求；④渣石堆上游迎水面積較大；⑤根據(jù)渣石堆現(xiàn)狀及存放時(shí)間，其邊坡確定為一級(jí)臨時(shí)邊坡。

1.3 測(cè)繪技術(shù)要求與難度

技術(shù)要求：①要求提供準(zhǔn)確的渣石堆面積、體積和分布形態(tài)，作為邊坡穩(wěn)定性分析參數(shù)；②需要提供區(qū)域匯水面積和排水量計(jì)算所需的參數(shù)。

技術(shù)難度：①地形復(fù)雜、渣石堆頂部堆積雜亂；②未開采區(qū)域植被較多；③區(qū)域內(nèi)高陡邊坡較多，且沒(méi)有防護(hù)；④工期緊張。

2 解決方案

筆者綜合以上技術(shù)難點(diǎn)提出了應(yīng)用Trimble SX10配合Trimble Access(TA)和 Trimble Business Center(TBC)對(duì)工作區(qū)進(jìn)行三維掃描建模輔助邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方案。

2.1 儀器設(shè)備及軟件

2.1.1 Trimble SX10的特點(diǎn)

(1) 可以同時(shí)獲得高精度全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)和三維掃描儀影像數(shù)據(jù)，其測(cè)程達(dá)到600 m，可對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行特定掃描。

(2) 具有高精度全站儀式的架站方式，導(dǎo)線式工作流，實(shí)現(xiàn)多測(cè)站誤差控制，減少不同站點(diǎn)間誤差的累積。SX10儀器本身精度在0.1～10 mm之間。

2.1.2 主要軟件

Trimble Access和Trimble Business Center軟件結(jié)合，可以完善和改進(jìn)傳統(tǒng)作業(yè)模式。TA可遠(yuǎn)程連接儀器，在手簿上進(jìn)行手勢(shì)控制、代碼測(cè)繪、散點(diǎn)測(cè)量、坐標(biāo)計(jì)算，以及簡(jiǎn)單土方計(jì)算。TBC Scanning模塊可實(shí)現(xiàn)從獲取外業(yè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、分析，到最終生成地形圖或三維模型的一體化工作流。

2.2 作業(yè)方法

工作區(qū)位置山嶺環(huán)繞，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，高陡邊坡林立，地形地貌以山地和植被覆蓋為主。

作業(yè)步驟分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云拼接等[4]。首先，應(yīng)用Trimble R8進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)。針對(duì)工作區(qū)狀況采用掃描儀分站方式對(duì)坡體進(jìn)行大面積的掃描，采用“分站—分景”的掃描策略，每站進(jìn)行全景掃描[5]。其次，應(yīng)用Trimble SX10設(shè)站掃描。最后，應(yīng)用TBC整合數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)分析處理，形成地形圖和相關(guān)參數(shù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)用專業(yè)分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析和泥石流形成條件分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在TBC中導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，自動(dòng)生成地形圖及土方報(bào)告。

2.3.1 生成地形圖

應(yīng)用TBC點(diǎn)云分層曲線擬合提取等高線作為反映滑坡地貌的地形信息，通過(guò)曲線平滑處理，保證等高線的光滑和連續(xù)性[6]，如圖2所示。

2.3.2 土石方計(jì)算

復(fù)雜地形土石方計(jì)算常選擇不規(guī)則三角網(wǎng)法(TIN)進(jìn)行[7]。其原理是通過(guò)建立三角網(wǎng)計(jì)算每一個(gè)三棱錐柱的填挖方量，然后把每個(gè)三棱錐的方量累加，以計(jì)算指定范圍內(nèi)的填方和挖方方量[8]。

本文將原始地形圖上高程點(diǎn)所構(gòu)成的TIN與本次掃描點(diǎn)云所構(gòu)成的TIN，應(yīng)用TBC進(jìn)行兩期間土石方計(jì)算，即可得出待評(píng)價(jià)區(qū)的土石方量。雖然前期沒(méi)有掃描數(shù)據(jù)，但由于前期渣石場(chǎng)地形起伏不大，其TIN精度能夠滿足邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)精度需要，如圖3所示。

2.3.3 生成地形斷面

依據(jù)軟件生成的DEM模型，可以任意生成地形斷面，從而獲得指定位置的坡度、高差、傾角和方位等參數(shù)。本次評(píng)價(jià)所用的地形剖面均由模型直接生成，如圖4所示。

2.4 測(cè)繪成果輔助分析評(píng)價(jià)

2.4.1 渣石堆統(tǒng)計(jì)

一號(hào)渣石堆：在溝谷東側(cè)南段，距擬建廠區(qū)約80 m(如圖1所示)。堆放面積為4480 m2，高度為1～21.0 m，坡度約35°；石床為北西向149°，傾角約4°。

二號(hào)渣石堆：在溝谷西側(cè)，距擬建廠區(qū)約90 m(如圖1所示)。2-1號(hào)渣石堆堆放面積為11 130 m2，高度為4～22.0 m，坡度約51°；石床為北東向174°，傾角約8°。2-2號(hào)渣石堆堆放面積為12 590 m2，高度為1～10.0 m，坡度約31°；石床為北東向174°，傾角約8°。

2.4.2 渣石堆邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算(有水工況)

這些成功案例表明，中小企業(yè)克服入門障礙、使用模擬仿真技術(shù)同樣物有所值，由此節(jié)約的時(shí)間和成本會(huì)讓中小型企業(yè)在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

以1-1剖面為例，計(jì)算結(jié)果(最不利滑動(dòng)面)為：

滑動(dòng)圓心=(-9.684,28.090)m，滑動(dòng)半徑=29.713 m，滑動(dòng)安全系數(shù)=0.389，總下滑力=2 727.288 kN，總抗滑力=1 061.005 kN，土體部分下滑力=2 727.288 kN，土體部分抗滑力=1 061.005 kN，筋帶在滑弧切向產(chǎn)生的抗滑力=0.000 kN，筋帶在滑弧法向產(chǎn)生的抗滑力=0.000 kN。如圖5、表1所示。

2.4.3 渣石堆整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

滑坡剩余下滑力計(jì)算原始條件：滑動(dòng)體重度=26.000 kN/m3，滑動(dòng)體飽和重度=26.600 kN/m3，安全系數(shù)=1.300，考慮動(dòng)水壓力和浮托力，滑體土的孔隙度=0.300，不考慮承壓水的浮托力，不考慮坡面外的靜水壓力的作用，不考慮地震力，見表2。

表1 各計(jì)算分區(qū)穩(wěn)定性分析成果

表2 各計(jì)算分區(qū)整體穩(wěn)定性計(jì)算分析成果

2.4.4 穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)見表3。

表3 渣石堆邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)成果

由表1—表3可以得出結(jié)論：渣石堆邊坡不穩(wěn)定。但是通過(guò)計(jì)算，安全系數(shù)在1.30的情況下，兩種工況渣石堆下滑力均為負(fù)數(shù)，即下滑力小于抗滑力，渣石堆整體穩(wěn)定。

區(qū)域匯水量計(jì)算：匯水面積約78 540 m2，濟(jì)南地區(qū)最大降雨量為1962年7月13日6 h降雨量為298.4 mm，平均每小時(shí)降雨量為50 mm，可知

Q=ψ·q·F=0.56×0.05×78 540=2 199.12 m3/h

式中，Q為匯水量，單位為m3/h；ψ為徑流系數(shù)，取0.56；q為降雨量，單位為mm/h；F為迎水投影面積，單位為m2。

溝谷排水量計(jì)算(如圖6所示)：將渣石堆中間通道作為排水通道，根據(jù)謝才公式計(jì)算排水流量

53 640 m3/h

R=A/x=3.86 m

C=R1/6/n=1.26 m1/2/s

式中，Q為設(shè)計(jì)最大流量，單位為m3/s；A為排水溝斷面面積，單位為m2；R為水力半徑，單位為m；x為溝渠濕周；C為謝才系數(shù)，單位為m1/2/s；n為溝渠粗糙率，此處取0.2；i為溝渠比降(‰)。

根據(jù)渣石堆所處的地形地貌判斷,短期大量流水能及時(shí)排出，評(píng)價(jià)結(jié)果是不會(huì)形成泥石流。

以上評(píng)價(jià)中的高程、坡度和坡高等參數(shù)均是在三維模型中實(shí)際量??；用到的地形圖、土石方量及縱橫斷面均由TBC軟件通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)具體實(shí)例可知,高精度影像掃描儀在地質(zhì)測(cè)繪中具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理效率高、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)[9]， 應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)可極

大地提高評(píng)價(jià)精度和效率。

作為新的空間數(shù)據(jù)采集手段，該方法還存在儀器設(shè)備昂貴和相關(guān)技術(shù)規(guī)范、生產(chǎn)定額不完善等問(wèn)題，如果這些問(wèn)題得到解決，相信該技術(shù)將會(huì)成為一種在測(cè)繪領(lǐng)域普遍應(yīng)用的新技術(shù)手段[10]。