王周萼 蔡耀軍

摘要：高山峽谷區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，為確保水電工程正常運(yùn)行，需準(zhǔn)確評價(jià)不良地質(zhì)體的堵江風(fēng)險(xiǎn)，以便采取針對性的處理措施。在無人機(jī)航拍技術(shù)的不良地質(zhì)體判識方法與堵江風(fēng)險(xiǎn)判識準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，對旭龍水電站庫區(qū)的不良地質(zhì)體進(jìn)行了判識與堵江風(fēng)險(xiǎn)分析。結(jié)果表明：庫區(qū)分布不良地質(zhì)體共19處，現(xiàn)狀均穩(wěn)定，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn);蓄水后，僅17號堆積體可能存在堵江風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)各種工況計(jì)算分析，17號堆積體不會造成堵江。因此，旭龍水電站庫區(qū)不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)的不良地質(zhì)體。研究成果對保證旭龍水電站的正常運(yùn)行具有一定參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：不良地質(zhì)體; 堵江風(fēng)險(xiǎn); 判識方法; 判識準(zhǔn)則; 旭龍水電站

中圖法分類號： TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.020

0 引 言

不良地質(zhì)體是指江河兩岸分布的滑坡體、變形體和堆積體[1-3]?；麦w是指斜坡上的土體或巖體，受水流沖刷、地下水活動及地震等因素影響，沿著一定的軟弱面（帶）向下滑動形成的堆積體;變形體是指斜坡上已存在明顯變形，但未發(fā)生整體失穩(wěn)的巖土體;堆積體是指除滑坡堆積以外的冰川、崩塌、凍融泥石流等各種成因形成的具有一定規(guī)模的堆積物。另外，處于高位的潛在不穩(wěn)定體、緩坡平臺堆積體、地形凸出的破碎斜坡以及陡傾層狀順向河谷等地段也是產(chǎn)生邊坡變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

在水電工程建設(shè)中，不良地質(zhì)體對工程建設(shè)有重要影響。水庫蓄水后，不良地質(zhì)體失穩(wěn)入庫可能造成堵江，也可能產(chǎn)生高速涌浪摧毀大壩或翻過大壩威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全。如1963年意大利瓦依昂水庫滑坡，造成2 600余人死亡，滑坡體堵塞了水庫，使大壩和水庫完全報(bào)廢;2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震造成唐家山山體崩塌形成堰塞湖，對下游造成巨大威脅，后經(jīng)緊張?zhí)幹?，未造成人員傷亡;2018年10月和11月金沙江西藏境內(nèi)2次滑坡形成堰塞湖，下泄洪水波及到云南境內(nèi)，導(dǎo)致房屋、公路及跨江橋梁被沖毀，損失嚴(yán)重。可見，研究不良地質(zhì)體的地質(zhì)條件，進(jìn)而開展穩(wěn)定性評價(jià)與堵江風(fēng)險(xiǎn)分析，對水電工程正常運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)許多學(xué)者對不良地質(zhì)體相關(guān)問題進(jìn)行了比較深入的研究。針對已確定的不良地質(zhì)體，對工程地質(zhì)條件、物理力學(xué)參數(shù)和穩(wěn)定性分析等方面開展的研究，一般采用人工地形測量、現(xiàn)場地質(zhì)測繪、勘探及室內(nèi)外試驗(yàn)等手段進(jìn)行[4-7]。對于不良地質(zhì)體的辨識，尤其是如何快速準(zhǔn)確辨識高山峽谷區(qū)大范圍的不良地質(zhì)體，仍然是個(gè)全新的課題。

2018年10月和11月金沙江白格滑坡-堰塞堵江事件發(fā)生后，為全面排查金沙江上游河段不良地質(zhì)體安全隱患，國家有關(guān)部委組織開展了金沙江上游水電梯級風(fēng)險(xiǎn)評估。筆者有幸參與了水電梯級之一的旭龍水電站風(fēng)險(xiǎn)評估，主要任務(wù)是識別庫區(qū)不良地質(zhì)體，進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)與堵江風(fēng)險(xiǎn)分析。

在評估工作中，針對庫區(qū)地形復(fù)雜、交通閉塞、傳統(tǒng)勘察手段難以實(shí)施等特點(diǎn)，以無人機(jī)航拍獲取高清影像，結(jié)合地形、巖性及構(gòu)造等因素，識別不良地質(zhì)體并進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，對堵江風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，成果匯入金沙江上游水電梯級風(fēng)險(xiǎn)評估總報(bào)告，并通過了由國內(nèi)知名院士、大師和專家組成的專家組評審。

本文以上述工作成果為基礎(chǔ)，建立了基于無人機(jī)航拍技術(shù)的不良地質(zhì)體判識方法及不良地質(zhì)體堵江風(fēng)險(xiǎn)判識準(zhǔn)則，再現(xiàn)了旭龍水電站庫區(qū)不良地質(zhì)體的堵江風(fēng)險(xiǎn)分析過程，以期為高山峽谷區(qū)不良地質(zhì)體的識別與評價(jià)提供一定的借鑒。

1 基于無人機(jī)航拍技術(shù)的不良地質(zhì)體判識方法

高山峽谷區(qū)地形復(fù)雜、溝壑縱橫、交通閉塞，傳統(tǒng)勘察工作困難，不易實(shí)地開展不良地質(zhì)體的辨識工作，基于無人機(jī)航拍技術(shù)辨識不良地質(zhì)體具有獨(dú)特優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感與常規(guī)航拍，無人機(jī)航拍具有布置靈活、輕便快捷、地面分辨率高、成本低等優(yōu)勢。采用無人機(jī)飛行平臺攜帶光學(xué)攝影設(shè)備，從多個(gè)不同角度對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將地形信息轉(zhuǎn)化為圖像色彩數(shù)據(jù)，最終以點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)，實(shí)現(xiàn)地形信息的快速、高效獲取[8-9]。通過無人機(jī)航拍判識不良地質(zhì)體，關(guān)鍵步驟包括三維高清影像的獲取和不良地質(zhì)體的判識。

（1） 三維高清影像的獲取。

首先利用無人機(jī)航拍獲取二維影像，然后把二維影像進(jìn)行一系列處理形成實(shí)景三維模型。即通過攝影測量對相鄰影像進(jìn)行計(jì)算，獲得空間上的三維距離信息，亦即通過相鄰影像之間重疊部分的同名點(diǎn)進(jìn)行影像匹配，獲得相鄰影像之間的視差和深度（距離）信息的一種技術(shù)。結(jié)合每張影像的位置、姿態(tài)信息，然后利用攝影測量技術(shù)解算出相鄰影像之間的空間關(guān)系，從而處理出三維影像成果。航拍時(shí)，可以根據(jù)地質(zhì)的需要設(shè)定無人機(jī)的航高拍攝出不同分辨率的照片，根據(jù)高分辨率照片可以進(jìn)行精細(xì)化建模從而達(dá)到毫米級分辨率的三維影像。

（2） 不良地質(zhì)體的判識。

借助無人機(jī)航拍獲取的三維高清影像，經(jīng)地質(zhì)專業(yè)人員進(jìn)行影像解譯，識別出目標(biāo)區(qū)域分布的滑坡體、變形體及堆積體等不良地質(zhì)體[10-11]。該項(xiàng)工作相當(dāng)于把現(xiàn)場地質(zhì)測繪搬到電腦上，極大地提高了工作效率，而且能更好把握不良地質(zhì)體的空間形態(tài)。

不良地質(zhì)體識別后，還需確定其前后緣高程、平面尺寸等幾何信息，有2個(gè)途徑：① 在電腦上安裝Acute3D Viewer瀏覽器軟件，該瀏覽器具備查看三維模型影像功能，可以查看三維影像的坐標(biāo)、高程，并能進(jìn)行平面距離測量;② 在電腦上安裝南方CASS成圖系統(tǒng)軟件，該軟件具備與Acute3D Viewer瀏覽器軟件相似的功能。

2 不良地質(zhì)體堵江風(fēng)險(xiǎn)判識準(zhǔn)則

不良地質(zhì)體是否堵江與多個(gè)因素有關(guān)，主要有穩(wěn)定性、規(guī)模、河谷形態(tài)以及失穩(wěn)模式4個(gè)方面。具體到某一不良地質(zhì)體變形失穩(wěn)是否可能堵江，需結(jié)合多方面因素綜合考量。

（1） 穩(wěn)定性。

穩(wěn)定的不良地質(zhì)體不會變形失穩(wěn)，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn);穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定的不良地質(zhì)體可能失穩(wěn)下滑造成堵江風(fēng)險(xiǎn)。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

（2） 規(guī)模。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及研究，可能導(dǎo)致堵江的不良地質(zhì)體規(guī)模300萬m3以上。

（3） 河谷形態(tài)。

寬谷河段不易堵江，“U”型或深“V”型河谷地段易于堵江，且滿足堵江條件的失穩(wěn)規(guī)?？赡苄∮?00萬m3[12-13]。

（4） 失穩(wěn)模式。

失穩(wěn)模式主要有塌岸與滑坡兩種類型。塌岸型失穩(wěn)為逐步解體過程，一次性解體方量小，且部分會被江水帶走，不會發(fā)生堵江風(fēng)險(xiǎn);滑坡型失穩(wěn)方量一般較大，存在堵江風(fēng)險(xiǎn)，這方面有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究[14-15]。

3 旭龍水電站庫區(qū)不良地質(zhì)體判識與堵江風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 庫區(qū)地質(zhì)概況

旭龍水電站位于金沙江上游，以發(fā)電為主要開發(fā)任務(wù)，是西電東送骨干電源點(diǎn)之一。電站正常蓄水位2 302.00 m，死水位2 294.00 m，最大壩高213.00 m，裝機(jī)容量2 400 MW，水庫長約62.5 km，總庫容8.29億m3，為Ⅰ等大（1）型工程。庫區(qū)屬高原高山氣候區(qū)，降水量小，多年平均降水量不超過400 mm，蒸發(fā)量大，多年平均蒸發(fā)量超過1 800 mm。庫區(qū)為高山峽谷地貌（見圖1），河谷深切，岸坡陡峻，山頂高程達(dá)3 500～5 180 m，河谷切割深度1 000～2 800 m。出露基巖主要為變質(zhì)巖與巖漿巖，變質(zhì)巖主要為中元古界雄松群（Pt2x）的含硅質(zhì)結(jié)晶灰?guī)r、絹云石英千枚巖與云母片巖;巖漿巖主要為金沙江蛇綠巖群（DTJ）的基性-超基性巖及其他外來巖塊形成的蛇綠混雜巖，局部有石英閃長巖、花崗閃長巖及輝長輝綠巖出露。第四系堆積體成因類型多樣，有崩坡積、崩積、洪積、冰積、滑坡堆積等，零星分布于岸坡相對平緩地段。區(qū)內(nèi)構(gòu)造十分發(fā)育，主要以南北向斷裂構(gòu)造為主。基巖場地50 a超越概率10%的水平向地震動峰值加速度為0.20g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。庫區(qū)岸坡以巖質(zhì)岸坡為主，一般處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部存在崩塌、掉塊等;土質(zhì)岸坡較少，一般穩(wěn)定或基本穩(wěn)定，未見明顯變形跡象。

3.2 庫區(qū)不良地質(zhì)體判識

旭龍水電站庫區(qū)植被稀少，巖土層多裸露，有利于無人機(jī)航拍作業(yè)（見圖2），獲取的影像清晰，滿足不良地質(zhì)體的辨識要求（見圖3）。按照不良地質(zhì)體判識方法，確定庫區(qū)不良地質(zhì)體共19處（見圖4）。

3.3 堵江風(fēng)險(xiǎn)分析

對無人機(jī)航拍獲取的不良地質(zhì)體影像數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，生成1∶1 000比例地形圖，繪制不良地質(zhì)體的典型地質(zhì)剖面，結(jié)合三維高清影像，確定不良地質(zhì)體的基本特征（見表1）。19處不良地質(zhì)體總方量1.537億m3，單個(gè)方量平均約809萬m3;18號體積最小為140萬m3;4號體積最大，為4 650萬m3。不良地質(zhì)體成因類型多樣，有崩坡積、崩積、洪積、冰積、滑坡堆積等?，F(xiàn)狀穩(wěn)定性判別主要根據(jù)高清影像判斷是否存在變形跡象，如裂縫、下錯(cuò)陡坎等，現(xiàn)狀均為整體穩(wěn)定，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。水庫蓄水后，不受庫水影響的不良地質(zhì)體穩(wěn)定條件沒有變化，仍將保持原有穩(wěn)定狀態(tài)，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。受庫水影響的不良地質(zhì)體有2號、4號、7號、10號、11號、12號、14號、17號共8處。根據(jù)不良地質(zhì)體地質(zhì)條件及堵江風(fēng)險(xiǎn)判識準(zhǔn)則綜合分析，變形破壞以塌岸為主，不會發(fā)生堵江風(fēng)險(xiǎn);個(gè)別可能產(chǎn)生滑坡，如17號堆積體，存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。為此，以可能產(chǎn)生滑坡的17號堆積體對堵江風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

3.4 17號堆積體堵江風(fēng)險(xiǎn)分析

3.4.1 基本地質(zhì)特征

17號堆積體距壩址約3.8 km，無人機(jī)航拍影像如圖5所示。堆積體前緣抵金沙江河床，高程2 186 m左右，順江寬約750 m，后緣高程2 650 m左右，縱向長750～780 m，總面積約40萬m2。堆積體地形總體較陡，平均坡度35°左右。據(jù)地表調(diào)查與鉆孔揭示，組成物質(zhì)主要有碎石、角礫及礫砂等碎石土，細(xì)粒土很少，碎石巖性主要是石英閃長巖，間夾云母片巖。堆積體平均厚約25 m，體積約1 000萬m3。

堆積體典型地質(zhì)剖面如圖6所示。2 400 m高程以下下伏基巖為雄松群第三段石榴石云母片巖，2 400 m高程以上及后緣高陡岸坡大面積出露晚三疊系石英閃長巖，兩者之間呈斷層接觸（F6-1）。

從成因分析來看，堆積體的形成是地形與構(gòu)造兩因素共同作用的結(jié)果。堆積體所在的金沙江右岸地形陡峻，第一岸坡坡頂高程3 500～4 000 m，平均坡度在50°以上，多處呈近似直立的陡崖狀，結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，崩塌、掉塊時(shí)有發(fā)生，局部比較頻繁，多年來經(jīng)常發(fā)生數(shù)十方至數(shù)百方規(guī)模的崩塌現(xiàn)象，坡底可見大量塊石堆積。

3.4.2 穩(wěn)定性分析評價(jià)

現(xiàn)狀條件下，堆積體無論是整體還是局部均沒有明顯變形跡象，表明堆積體處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。堆積體下游側(cè)曾經(jīng)局部失穩(wěn)形成滑坡，其后緣滑坡壁保留清晰，滑坡體形態(tài)完整，表明滑坡時(shí)代較近。水庫蓄水后，因堆積體前部已抵河床，分析認(rèn)為堆積體可能產(chǎn)生牽引式整體低速滑動。穩(wěn)定性計(jì)算采用不平衡推力法，該方法適用于滑面為任意形狀的滑坡，并考慮堆積體中的動水壓力、浮托力、地震等動荷載及各個(gè)滑塊不同抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。

影響穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的2個(gè)主要因素是地下水水位與滑面抗剪強(qiáng)度。庫區(qū)降雨量很小，加之堆積體主要以粗顆粒為主，透水性強(qiáng)，堆積體中地下水位很低，長期觀測表明鉆孔水位與江水位齊平，即使偶有較大降雨，鉆孔水位也未見明顯變化。因此，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，地下水位確定原則：2 302.00 m庫水位條件下，庫水位以上的堆積體無地下水;2 302.00 m水位降至2 294.00 m水位條件下，假定庫水位快速下降，該水位之間的堆積體仍維持2 302.00 m水位;暴雨條件下，堆積體按1/3飽水考慮。這種地下水位的確定方法偏保守，計(jì)算獲得的穩(wěn)定系數(shù)相對實(shí)際的穩(wěn)定系數(shù)偏低，有利于堆積體的穩(wěn)定性評價(jià)。滑面抗剪強(qiáng)度主要參照堆積體下游側(cè)滑坡體的抗剪強(qiáng)度取值，該滑坡體基本穩(wěn)定，穩(wěn)定系數(shù)處于1.05～1.15之間，按1.05進(jìn)行參數(shù)反演，結(jié)合堆積體物質(zhì)組成并參考其他類似堆積體的抗剪強(qiáng)度，天然狀態(tài)下，黏聚力取10 kPa，獲得內(nèi)摩擦角為29°;飽和狀態(tài)下，黏聚力取8 kPa，獲得內(nèi)摩擦角為26°。計(jì)算工況與結(jié)果如表2所列。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

計(jì)算表明：17號堆積體在工況1即現(xiàn)狀條件下整體基本穩(wěn)定;工況2～5條件下均處于極限平衡狀態(tài);工況6與工況7條件下穩(wěn)定性進(jìn)一步下降;表明水庫運(yùn)行期堆積體可能變形失穩(wěn)，疊加地震時(shí)失穩(wěn)可能性增大。水庫蓄水、暴雨及地震是影響堆積體穩(wěn)定的重要因素。

3.4.3 堵江風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)穩(wěn)定性分析成果，17號堆積體在水庫蓄水疊加暴雨工況及地震工況時(shí)可能產(chǎn)生失穩(wěn)滑動。

水庫蓄水前，17號堆積體整體穩(wěn)定，地表無明顯變形跡象，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。工程建設(shè)期，圍堰水位抬升小，對堆積體的穩(wěn)定性影響微弱，與現(xiàn)狀工況相似，對工程建設(shè)影響小。水庫運(yùn)行期，17號堆積體失穩(wěn)可能性大，失穩(wěn)后主要堆積在右岸坡腳附近，河道過水?dāng)嗝姹皇?，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)（見圖7）。

堆積體的典型地質(zhì)斷面水上面積約17 700 m2，正常庫水位時(shí)該處水庫斷面面積約34 600 m2，即使堆積體水上部分全部入江，也僅約占該處水庫斷面面積的50%，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

（1） 鑒于高山峽谷區(qū)的地形特點(diǎn)，采用無人機(jī)航拍獲取三維高清影像，通過影像解譯、地形圖繪制、穩(wěn)定性評價(jià)等環(huán)節(jié)，辨識不良地質(zhì)體并進(jìn)行堵江風(fēng)險(xiǎn)分析，主要工作過程為無人機(jī)航拍獲取三維高清影像→影像解譯辨識不良地質(zhì)體→對不良地質(zhì)體影像進(jìn)行矢量化處理→繪制1∶1 000比例地形圖與地質(zhì)剖面→結(jié)合影像評價(jià)不良地質(zhì)體穩(wěn)定性→針對重點(diǎn)地段進(jìn)行勘探→堵江風(fēng)險(xiǎn)分析及結(jié)論。

（2） 基于無人機(jī)航拍技術(shù)的不良地質(zhì)體判識方法與不良地質(zhì)體堵江風(fēng)險(xiǎn)判識準(zhǔn)則，確定旭龍水電站庫區(qū)分布不良地質(zhì)體共有19處，現(xiàn)狀均穩(wěn)定，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。水庫蓄水后，11處不受庫水影響的不良地質(zhì)體仍將保持原有穩(wěn)定狀態(tài)，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn);8處受庫水影響的不良地質(zhì)體中，有7處為塌岸型失穩(wěn)，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)，17號堆積體可能產(chǎn)生滑坡型失穩(wěn)，存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 根據(jù)穩(wěn)定性分析成果，水庫蓄水前，17號堆積體整體穩(wěn)定，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn);工程建設(shè)期，圍堰水位抬升小，對17號堆積體影響微弱，不存在堵江風(fēng)險(xiǎn);水庫運(yùn)行期，17號堆積體失穩(wěn)可能性大，失穩(wěn)后主要堆積在右岸坡腳附近，不會造成堵江。因此，旭龍水電站庫區(qū)不存在堵江風(fēng)險(xiǎn)的不良地質(zhì)體。

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（編輯：劉 媛）

Risk analysis of river blocking by unfavorable geological bodies in alpine-gorge area：

case of Xulong Hydropower Station

WANG Zhou′e1，CAI Yaojun1，2

（1.Changjiang Institute of Survey Technical Research，The Ministry of Water Resources，Wuhan 430011，China; 2.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The geological conditions in alpine-gorge area are complex.To ensure the normal operation of hydropower projects，it is necessary to accurately evaluate the river blocking risk by unfavorable geological bodies，so that targeted treatment measures can be taken.Based on the identification method of unfavorable geological bodies and the risk identification criteria of river blocking by UAV aerial photography，the identification and river blocking risk analysis of unfavorable geological bodies in the Xulong Hydropower Station reservoir area were carried out.The results showed that there were 19 unfavorable geological bodies in the reservoir area，whose current situations were stable，and there was no risk of river blocking.After water storage，only the No.17 accumulation body may had the risk of blocking the river.Through calculation and analysis of various working conditions，the No.17 accumulation body would not cause river blocking.Therefore，there was no unfavorable geological body that would block the river in the reservoir area of Xulong Hydropower Station.The research results have certain reference value for ensuring the normal operation of Xulong Hydropower Station.

Key words：

unfavorable geological body;identification method;identification criteria;risk of blocking river;Xulong Hydropower Station1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50