涂 昊

東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 東莞 523000

在水利水電工程的施工過(guò)程中，地質(zhì)勘探是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)先決條件，它的詳細(xì)和準(zhǔn)確將直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)方案的可行性。比如，在工程地質(zhì)勘探的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域中有斷裂破碎帶或溶洞等不利地質(zhì)，那么在工程設(shè)計(jì)中，就必須對(duì)這些不利地質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以確保水利工程的總體安全[1]。所以，將衛(wèi)星影像技術(shù)運(yùn)用于工程地質(zhì)勘查，對(duì)于提高工程地質(zhì)勘查工作，保證工程質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 遙感技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，遙感技術(shù)在地籍調(diào)查、工程勘查和環(huán)境保護(hù)等方面，都取得了較大的進(jìn)展。對(duì)于水利水電項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，將衛(wèi)星遙感技術(shù)用于早期勘查具有三大優(yōu)點(diǎn)：1)勘查范圍廣，信息處理快速。從理論上來(lái)講，一顆遙感衛(wèi)星能夠精確地獲得3.34×105km2的范圍內(nèi)的內(nèi)陸物信息，與地面站一起，可以對(duì)遙測(cè)信息進(jìn)行迅速的處理，最后將勘探成果以照片的方式呈現(xiàn)出來(lái)，一般只需要幾秒鐘就能完成；使勘探成果具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。2)獲取大量信息。在衛(wèi)星影像資料中，除了能夠清晰地呈現(xiàn)人類眼睛所能看見(jiàn)的地形地勢(shì)之外，也能夠利用紅外線、紫外線及微波波段，提供人類眼睛所無(wú)法看見(jiàn)的數(shù)據(jù)，如：水體深度、巖層密度、含鹽量等[2]。例如，利用衛(wèi)星遙感設(shè)備，可以獲得地下水的動(dòng)態(tài)變化；為水利水電施工提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。3)獲得的數(shù)據(jù)不容易被外部因素影響，具有較高的精確性。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行的工程地質(zhì)勘探工作，其抗干擾性很高，基本不會(huì)受到雨、雪和大霧等惡劣氣候的影響，能夠全天候不間斷地獲得項(xiàng)目所在地的地質(zhì)資料。通過(guò)這種方式，既可以獲得大量的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)也保證了資料的完整、準(zhǔn)確，使其更好的反映了工程地質(zhì)勘查工作的實(shí)際價(jià)值[3]。

2 遙感技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘查中的實(shí)施

2.1 工程概況

以某座水庫(kù)的大壩為研究對(duì)象，其上游的主干河流為115km，其控制的流域?yàn)?881km2。該水電站為2號(hào)型，為一座長(zhǎng)526m、寬3.3m、最大高60.5m的粘土斜心墻碾壓堆石壩，其庫(kù)容達(dá)3.83億m3。水庫(kù)內(nèi)安裝了四座發(fā)電機(jī)，總計(jì)2050kW。本項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)周期為240天，竣工后具有明顯的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。為了確保該項(xiàng)目的成功實(shí)施，將衛(wèi)星遙感技術(shù)運(yùn)用于前期工程地質(zhì)勘察。

2.2 遙感技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘查中的具體應(yīng)用

2.2.1 利用遙感技術(shù)勘查工程地區(qū)的構(gòu)造穩(wěn)定性

對(duì)于大型水利水電工程，由于大壩的重量很大，給大壩基礎(chǔ)帶來(lái)很大的荷載，所以需要確保大壩周圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；才能防止在工程施工過(guò)程中和投入使用后，由于壩基沉降而造成壩體滲漏。對(duì)工程地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行的穩(wěn)定性分析，主要是要確定是否存在顯著的斷裂，若存在，則要了解斷裂的大小和密度等有關(guān)的信息，以便為設(shè)計(jì)者在制定工程設(shè)計(jì)方案時(shí)，提供必要的基礎(chǔ)。將遙感技術(shù)用于工程地質(zhì)勘探，能將項(xiàng)目所在地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)清晰地反映出來(lái)。通過(guò)對(duì)兩條斷裂的研究，可以發(fā)現(xiàn)了兩條斷裂帶彼此平行，并在地表上被第四系的蓋層所覆蓋，這兩條斷裂具有很強(qiáng)的隱蔽性。傳統(tǒng)的地表探測(cè)方法難以探測(cè)到地層裂縫，而利用遙感技術(shù)不但可以探測(cè)到斷裂裂縫，還可以獲取裂縫走向和最大寬度等細(xì)節(jié)信息。設(shè)計(jì)師可以據(jù)此對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，為水利水電工程設(shè)計(jì)與施工提供必要的支撐。

2.2.2 利用遙感技術(shù)分析工程泄漏的可能性

壩基滲漏是水利工程中普遍存在的一種質(zhì)量問(wèn)題，若不能及時(shí)有效地解決，將極大地提高大壩的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。為此，在水利工程地質(zhì)勘察工作中，必須對(duì)壩址區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)可能引起壩址區(qū)滲漏的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的施工對(duì)策，以防止后期水壩投用后發(fā)生滲漏。在工程地質(zhì)方面，古河道，地下暗河，溶洞，斷層，破碎帶，強(qiáng)風(fēng)化巖等是導(dǎo)致大壩或壩基發(fā)生滲漏的主要原因。通過(guò)衛(wèi)星技術(shù)獲取的工程現(xiàn)場(chǎng)的衛(wèi)星圖就能清晰地反映出埋于地下的古河流、斷裂斷裂帶以及喀斯特溶洞。在此次施工過(guò)程中，利用遙感手段對(duì)該地區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該地區(qū)存在斷層、破裂帶，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它可能引起該地區(qū)地下水滲漏的因素，如古河道、巖溶洞穴等。在此基礎(chǔ)上，施工單位在制定施工方案時(shí)，采用帷幕灌漿施工技術(shù)封堵、加固斷裂破碎帶，對(duì)于防止壩基滲漏，提高壩基承載力，具有積極的作用。

2.2.3 利用遙感技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程周邊不良地質(zhì)現(xiàn)象

在水利建設(shè)中，除了地表的巖層風(fēng)化和斷層破裂帶等不良地質(zhì)環(huán)境以外，地表的各種不利地質(zhì)條件還會(huì)對(duì)水利工程產(chǎn)生不利影響?；拢嗍?，堤岸沖刷是較為普遍的災(zāi)害。尤其是像滑坡、泥石流這樣的自然災(zāi)害，它的發(fā)生是突然的，而且是非常嚴(yán)重的，如果不能事先做好地質(zhì)調(diào)查，及時(shí)作出相應(yīng)的預(yù)防和處理方法，不僅會(huì)影響工程進(jìn)度和工程質(zhì)量，而且還會(huì)危及到工地工人的人身安全。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以對(duì)項(xiàng)目周圍的環(huán)境及研究區(qū)起伏度空間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控（圖1），并對(duì)項(xiàng)目周圍環(huán)境進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。該項(xiàng)目發(fā)生于2021年4月至12月期間，項(xiàng)目所處區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏天降水比較密集，降雨較多。同時(shí)采用衛(wèi)星影像技術(shù)，在雨季期間，對(duì)工程區(qū)內(nèi)的邊坡進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)生了顯著的變形，就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行早期預(yù)警，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的加固；在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的防滑型防滑體設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，當(dāng)項(xiàng)目周圍發(fā)生了泥石流時(shí)，還可以利用衛(wèi)星圖像技術(shù)，明確崩塌區(qū)，堆積區(qū)，中間涌流區(qū)等區(qū)域，并針對(duì)這些區(qū)域做出相應(yīng)的反應(yīng)，確保項(xiàng)目建設(shè)的正常進(jìn)行。

圖1 研究區(qū)起伏度空間分布

2.2.4 利用遙感技術(shù)為天然建筑材料的開(kāi)發(fā)利用提供指導(dǎo)

在水利水電工程施工過(guò)程中，需要大量的建材。若采用自行式自卸車遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，則很難確保穩(wěn)定、連續(xù)的建材供給，且會(huì)提高建設(shè)費(fèi)用。若項(xiàng)目周圍有豐富的自然建材（如土、石等），項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)就近取材，在節(jié)約成本的同時(shí)，提高施工效率。利用遙感技術(shù)進(jìn)行的工程地質(zhì)勘查，能夠在周邊的特定地區(qū)，找到可用的、可開(kāi)采的自然建材。另外，利用衛(wèi)星影像資料，可以制定出交通路徑，并尋找出最優(yōu)交通路徑；使材料的運(yùn)輸費(fèi)用降低。該項(xiàng)目利用遙感技術(shù)，在工程區(qū)東側(cè)6.8km的地方，找到了一片質(zhì)量較好的砂質(zhì)粘粒，為筑壩提供了方便。

3 水利水電工程地質(zhì)勘查中遙感技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 “3S”技術(shù)的融合應(yīng)用

最近幾年，在我國(guó)的水利工程建設(shè)中，對(duì)勘察工作的重視程度越來(lái)越高，并積極采用新技術(shù)、新設(shè)備。盡管遙感技術(shù)已顯示出其在工程地質(zhì)勘探領(lǐng)域的許多優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)踐中仍有許多缺陷，如：定位精度低，后續(xù)資料處理能力弱等。要解決上述問(wèn)題，就需要大力推動(dòng)“3 S (RS、 GPS和 GIS)”技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的綜合運(yùn)用。將衛(wèi)星遙感與 GPS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程區(qū)的精確定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程區(qū)地質(zhì)情況的精確測(cè)量。例如把遙感技術(shù)和 GIS （GIS）結(jié)合起來(lái)，可以把遙感衛(wèi)星獲得的大量地物信息，通過(guò) GIS軟件對(duì)其進(jìn)行加工，進(jìn)而輸出對(duì)水利水電工程建設(shè)有利的信息。當(dāng)前， GIS系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的工程地質(zhì)三維建模，為建設(shè)單位更好的了解工程地質(zhì)情況奠定了基礎(chǔ)。

3.2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

從目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此問(wèn)題的研究現(xiàn)狀來(lái)看，大部分的研究工作都是基于從衛(wèi)星上獲得的圖像進(jìn)行的。同時(shí)，在實(shí)踐中還面臨著勘探工作成本高，信息獲取的靈活性差等問(wèn)題。此外，目前衛(wèi)星圖像的空間分辨率一般僅為1m，不能適應(yīng)新時(shí)代對(duì)高精度的工程地質(zhì)勘探和設(shè)計(jì)的需求。隨著我國(guó)航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，航空航天領(lǐng)域也在不斷發(fā)展壯大。將小型遙感裝置與無(wú)人駕駛飛機(jī)相結(jié)合，能夠根據(jù)人工計(jì)劃好的路線進(jìn)行航空測(cè)量，從而提高了遙感圖像的準(zhǔn)確率，并且易于操控，費(fèi)用也更低。另外，無(wú)人機(jī)也能在同一地區(qū)進(jìn)行多次飛行。地面工作人員可以隨時(shí)觀看無(wú)人機(jī)的航測(cè)畫面，如果畫面清晰程度不夠，或者某些重點(diǎn)區(qū)域沒(méi)有被拍到，還可以操作無(wú)人機(jī)再次對(duì)其進(jìn)行多次拍照；直至獲得清楚或完整的消息[4]。

3.3 在構(gòu)造穩(wěn)定性勘查中的應(yīng)用

施工人員在進(jìn)行施工作業(yè)之前，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析，以防止外界環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞，從而延長(zhǎng)項(xiàng)目的服務(wù)年限。有些地區(qū)的地表地質(zhì)具有穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻有裂縫，當(dāng)?shù)乇淼刭|(zhì)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，其穩(wěn)定就不能得到保障。因此可以采用衛(wèi)星遙感技術(shù)，既可以保證項(xiàng)目的安全，又可以全面了解項(xiàng)目的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲取更為精確的分析資料。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以提高地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性，并通過(guò)對(duì)斷裂的活性進(jìn)行分析，對(duì)監(jiān)控的內(nèi)容進(jìn)行綜合分析；在工程開(kāi)始之前，對(duì)斷裂的活動(dòng)程度進(jìn)行判定，并將資料以報(bào)告的方式進(jìn)行總結(jié)和轉(zhuǎn)換。更為關(guān)鍵的是，通過(guò)遙感技術(shù)可以反映出特定的地質(zhì)狀況，并與局部的地形要素相聯(lián)系，判斷存在溶洞、地上河等的可能性，并對(duì)可能發(fā)生的不利的自然狀況進(jìn)行預(yù)報(bào)，以便及早采取相應(yīng)的對(duì)策，保證水利水電工程的成功進(jìn)行。邊坡部位施工極易誘發(fā)泥石流、滑坡等災(zāi)害，對(duì)整個(gè)邊坡的穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為保證該項(xiàng)目的平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)，可依托于衛(wèi)星遙感技術(shù)，對(duì)該項(xiàng)目的地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察等作業(yè)手段，對(duì)影響河岸穩(wěn)定的各種因素進(jìn)行識(shí)別，以防止對(duì)河岸穩(wěn)定造成危害[5]。

3.4 在水利水電工程泄露問(wèn)題勘查中的應(yīng)用

在水利工程中，由于存在著大量的滲漏現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不僅會(huì)嚴(yán)重地降低其服役壽命，而且還會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。所以，在施工過(guò)程中，有關(guān)工作人員應(yīng)注意防止大壩泄漏事故的發(fā)生。泄漏事故發(fā)生的原因，是因?yàn)榈叵氯芏春蛿鄬訋е写嬖诖罅康膸r體，從而引起了巖體的風(fēng)化。在進(jìn)行之前，施工人員要對(duì)大壩漏水問(wèn)題的產(chǎn)生原因進(jìn)行精確的判定，依托于遙感技術(shù)來(lái)對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況進(jìn)行認(rèn)識(shí)，并將注意力集中在地質(zhì)分布上；進(jìn)一步確定巖溶地區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)成，特別是發(fā)生了滲流問(wèn)題的部位，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的勘察，并提出了相應(yīng)的對(duì)策；加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)防滲加固[6]。

3.5 可視化技術(shù)的應(yīng)用

可視化的遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)勘探具有重要的意義。其中，利用三維地形模擬技術(shù)，主要有3類：①分形地形模擬；該方法以幾何特征為基礎(chǔ)，采用遞推方法獲取有關(guān)數(shù)據(jù)。但這種模式所獲得的資料很少，而且其運(yùn)算過(guò)程也很繁瑣，不能很好地反映出地形地貌的特征，因此，其應(yīng)用范圍不夠廣泛[7]。②地形模擬模型的表面擬合。它可以表現(xiàn)出相鄰面斜率的連續(xù)特性，但很難對(duì)方程的參數(shù)進(jìn)行控制。③建立以真實(shí)條件為基礎(chǔ)的地形資料仿真模型。該模型基于實(shí)際地形數(shù)據(jù)，對(duì)多邊形進(jìn)行仿真，主要是通過(guò)對(duì)實(shí)際地形的踩點(diǎn)，構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的集合，來(lái)仿真地表形態(tài)。運(yùn)用此模式，可對(duì)有關(guān)的地形進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，其使用的優(yōu)越性比較顯著。盡管這種仿真模式可以表現(xiàn)出顯著的線型特征，并且可以與繪制模式融合，但是隨著地形數(shù)據(jù)量的不斷增大，相應(yīng)的多邊形數(shù)也會(huì)隨之增大；對(duì)最后的實(shí)時(shí)繪制工作產(chǎn)生影響。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目提出了一種新的方法，該項(xiàng)目采用三維地形的可視化技術(shù)，在清晰地形圖特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)地形圖特征的描述，實(shí)現(xiàn)地形圖特征的動(dòng)態(tài)分析，進(jìn)一步體現(xiàn)出可視化技術(shù)的優(yōu)越性[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

在水利水電工程建設(shè)中，地質(zhì)勘探是最基本的一個(gè)步驟，以勘探得到的信息為依據(jù)，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工，有利于防止壩基滲漏、壩體沉降等質(zhì)量問(wèn)題。所以，在進(jìn)行工程地質(zhì)勘探時(shí)，應(yīng)盡量全面準(zhǔn)確地獲得項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況。遙感技術(shù)不但能夠利用直接攝影的方法，獲取地面的物理、地質(zhì)數(shù)據(jù)，還能夠利用紅外線、微波等方法，獲取人類眼睛看不到的地下水分布、巖層含鹽量的變化等信息，為水利工程設(shè)計(jì)提供了重要的參考數(shù)據(jù)。