陳小雄

(江西省吉安市水利水電中心,江西 吉安 343009)

0 引 言

水電站的修建會給周邊地區(qū)的地形、地貌、生態(tài)等帶來不同程度的變化,并將對周邊地區(qū)的坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響[1]。在水庫修建竣工并蓄水后,庫水位線的改變將導(dǎo)致庫岸斜坡失穩(wěn),從而導(dǎo)致新滑坡體的產(chǎn)生與舊滑坡體的活化。因此,有必要對庫區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性進行研究[2]。

為此,許多學(xué)者進行了相關(guān)研究。王毅等[3]為了挖掘滑坡系統(tǒng)存在的規(guī)律性問題,提出一種結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Stacking集成學(xué)習(xí)技術(shù)的滑坡災(zāi)害易發(fā)性預(yù)測手段,最終的仿真實驗驗證了所提出方法的有效性。周秀全等[4]針對水庫復(fù)雜的地質(zhì)條件和水位條件,構(gòu)建了一種基于層次分析法的滑坡危險性計算評價方法,在MapGIS軟件上的評價結(jié)果表明所提出方法的有用性。韓笑男[5]構(gòu)建了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水庫滑坡預(yù)測模型,該模型結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法和高斯函數(shù),以實現(xiàn)對滑坡位移的預(yù)測,最終實驗驗證了所提出模型的良好預(yù)測性能。

上述文獻均未考慮庫水位的升降對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。因此,本文在考慮庫水位因素對庫岸邊坡易發(fā)性影響的基礎(chǔ)上,構(gòu)建合適的庫區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系。同時,基于無人機測繪技術(shù),構(gòu)建滑坡三維表面模型,研究成果可為庫區(qū)滑坡災(zāi)害的防治工作提供參考。

1 基于無人機測繪的滑坡易發(fā)性預(yù)測模型研究

1.1庫區(qū)水位影響下庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)體系構(gòu)建

水庫水位在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出周期性和規(guī)律性的波動,這是由于自然降雨和人工調(diào)蓄等多種因素的影響所致。水庫不同階段的運行方式,對其產(chǎn)生的效果也不一樣。在水位充沛時期,河的流量相當(dāng)可觀,因此水庫通常會通過放水來維持低水位的運行狀態(tài)。在干旱季節(jié),水庫水位則會保持在高位運行[6]。

庫水升降是一個復(fù)雜的動態(tài)過程,其變化規(guī)律和地下水運動相似。圖1為地下水位線與庫水位變化之間的相互關(guān)系。在水庫的運行過程中,庫水位的上升和下降將對庫岸邊坡坡度產(chǎn)生多種不同的影響。當(dāng)水位處于一定高度或在某一位置時,由于水體浮力的原因,將引起庫區(qū)內(nèi)巖體產(chǎn)生位移,并導(dǎo)致岸坡變形破壞[7]。在低水位時期,庫岸邊坡一直處于淹沒狀態(tài),這是由于庫岸邊坡水巖間的物理、化學(xué)和力學(xué)相互作用所導(dǎo)致。隨著高水位期的到來,水庫水位的上升導(dǎo)致被水淹沒的區(qū)域面積擴大,同時水巖作用的影響范圍也相應(yīng)擴大。

圖1 地下水位線與庫水位變化之間的相互關(guān)系

當(dāng)水庫蓄水時,由于土中存在一定的自由水,導(dǎo)致土顆粒間發(fā)生相對位移,從而產(chǎn)生滲流作用。地下水位線隨著庫水位線的升高而升高,使邊坡受水位線影響的區(qū)域逐步增大。地下水從坡頂向上滲透至上部巖層,形成裂隙并向外發(fā)展,同時沿層面向下滲流。在這種情況下,由于水對巖體的潤滑,使其摩擦系數(shù)減小,斜坡下層的穩(wěn)定程度下降,斜坡更易發(fā)生變形。隨著庫水位的下降,坡體內(nèi)的地下水位也隨之呈下降趨勢。當(dāng)庫岸處于浸潤線以上時,在降雨或地震等因素作用下,坡體中容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。在考慮地下水滲流作用時,坡體內(nèi)形成超靜孔壓。隨著水位的逐漸降低,超孔隙水總體上呈現(xiàn)出逐漸減小的態(tài)勢。當(dāng)達到一定高度時,邊坡土體中發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象。在水庫運行過程中,庫水周期漲落、干濕交替等因素會對庫岸坡地巖土產(chǎn)生強烈的物理、化學(xué)及力學(xué)效應(yīng),從而降低庫岸坡地的巖土強度和坡地的穩(wěn)定性。

在評估水庫擾動對滑坡易發(fā)性的影響時,必須建立一個全面的評價指標(biāo)框架。通過對已有研究成果進行總結(jié)分析發(fā)現(xiàn),目前對于庫水位變化下坡腳處巖體強度參數(shù)的確定方法有很多種。本研究主要探討庫水位升降對庫岸坡巖體穩(wěn)定及滑坡體變形破壞過程的影響。首要考慮巖土體所處的地質(zhì)環(huán)境因素[8];其次為與人類工程活動有關(guān)的水庫擾動因素;自然因素如降雨、地震等所引發(fā)的影響,也是不可忽視的。在研究庫水位擾動對滑坡易發(fā)性影響因素時,必須綜合考慮地質(zhì)環(huán)境、誘發(fā)因素以及庫水位變化對邊坡的影響,以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過分析不同指標(biāo)間的相互關(guān)系及權(quán)重確定方法,可將上述各方面的影響因子作為一個整體進行考量。本次研究所構(gòu)建的庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)體系見圖2。

圖2 庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)體系

滑坡是由各種因素引起的,除水庫水位漲落外,還與地形、降雨和地震等因素有關(guān)。其中,高程的變化會對滑坡的植被覆蓋率、坡體應(yīng)力以及巖土體的含水率產(chǎn)生影響?；聻?zāi)害的發(fā)生與坡度息息相關(guān),隨著坡度的增大,巖土體向下滑動的勢能也隨之增大,從而增加了滑坡發(fā)生的風(fēng)險。地形地貌是滑坡災(zāi)害形成的重要因素之一,其凸起程度越高,所受外力的影響也越大,從而更容易導(dǎo)致破壞和形變。降雨使巖體的容重增大,使巖土體的抗剪切強度和摩擦系數(shù)減小。在此情況下,雨水會沿著軟弱結(jié)構(gòu)面進入到坡體內(nèi),從而誘發(fā)邊坡失穩(wěn)并產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。地震常常伴隨著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,如滑坡、崩塌、地裂縫、泥石流等,這些災(zāi)害對滑坡穩(wěn)定性構(gòu)成了巨大的威脅。此外,斷層距離、距河流距離等也可作為評價滑坡易發(fā)性的指標(biāo)。

假設(shè)庫區(qū)A的易滑性指標(biāo)為DA,距大壩的距離為S,運行周期為T,河流速度為V,則其易滑性指標(biāo)的函數(shù)表達式為:

DA=f(S,T,V)

(1)

將地質(zhì)環(huán)境因素、與人類工程活動相關(guān)的水庫擾動因素以及自然誘發(fā)因素進行分析后,可得出水庫滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)公式:

P=f(H,M,N)

(2)

式中:P為水庫滑坡易發(fā)性指標(biāo);H為地質(zhì)環(huán)境因素;M為自然誘發(fā)因素;N為與人類工程活動有關(guān)的水庫擾動因素。

1.2結(jié)合無人機測繪技術(shù)的滑坡易發(fā)性預(yù)測方法研究

隨著無人機航測技術(shù)的日益精進和不斷拓展,其在多個領(lǐng)域中展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用成效。其中,以測繪工程領(lǐng)域最為突出。無人機航測具備靈活多變等優(yōu)勢,具有快速起飛的能力,在測繪過程中能夠有效發(fā)揮應(yīng)急功能,從而大大提高測繪工作效率[9]。其次,運用無人機進行航測,可使測繪工作的科學(xué)性和安全性得到有效保障。目前,我國大部分地區(qū)的水利工程中已經(jīng)開始采用無人機的測量方式,來完成對地形地貌等信息的采集工作,使水利工程的施工建設(shè)更加便捷、高效[10-11]。在復(fù)雜環(huán)境中,無人機航測以其小巧的體積和無需使用其他技術(shù)處理即可實現(xiàn)清晰數(shù)據(jù)收集的特點,極大地提升了水利測繪的效率和質(zhì)量。第三,在無人機的航測起飛和降落過程中,無需耗費過多的能源成本,在一定程度上實現(xiàn)了資金成本的節(jié)約。圖3為固定翼型無人機,具有較好的控制性和抗風(fēng)能力。

圖3 固定翼無人機結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)傳輸示意

無人機遙感技術(shù)以其高度的機動性、卓越的實時性和低廉的成本,快速成為獲取地理數(shù)據(jù)的高效平臺。小型數(shù)碼相機搭載于無人機上,能夠捕捉到滑坡的影像和表面信息。基于低空輔助飛控數(shù)據(jù)建立的影像拓?fù)潢P(guān)系,可實現(xiàn)滑坡地形的全自動三維建模,并生成包含色彩信息的三維點云數(shù)據(jù),從而提升建模效率。所獲得的數(shù)據(jù)能夠以形象、直觀的方式,呈現(xiàn)滑坡體的空間分布特征和局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu),從而為建立滑坡預(yù)測模型和有效評估滑坡穩(wěn)定性提供了可靠的基礎(chǔ)。利用無人機進行航拍,可直觀地評估滑坡的影響范圍和體積,為初步估算滑動力和制定滑坡治理方案提供可靠依據(jù)。

通過分析機載激光雷達原理,本研究建立一套高精度的激光測距算法。該算法利用三維激光獲取的滑坡面點云數(shù)據(jù),經(jīng)過點云配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)重采樣、去噪和數(shù)據(jù)分割等多個步驟,構(gòu)建一個高精度的滑坡三維表面模型。為了處理無人機影像相幅較小的問題,需要進行影像拼接,并對拼接后的無人機影像進行幾何校正。即先將成像數(shù)據(jù)投射到一個平面,再對成像結(jié)果進行修正,使成像結(jié)果符合校正的要求。最后,將無人機航測數(shù)據(jù)作為紋理信息添加到點云表面模型上,即可得到一個滑坡現(xiàn)場三維模型。

2 基于無人機測繪的滑坡易發(fā)性預(yù)測模型性能檢驗

本研究以一處引水工程區(qū)域為案例,預(yù)測其滑坡易發(fā)性。研究區(qū)范圍88.33km2,陸相巖層主要為板巖,降水、地震等多個因子與研究區(qū)的總體情況相近。因此,本次研究中采用定性與定量相結(jié)合的方法,對該地區(qū)開展滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作。通過對本研究區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害特征進行綜合研究,選取高程、坡度和坡向、距斷層距離等評價因子,構(gòu)建庫區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo),以預(yù)測該區(qū)域的滑坡易發(fā)性,最終確定出各影響要素對于滑帶土強度參數(shù)的重要程度,從而指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害防治工作的開展。

首先,運用無人機的測繪技術(shù)獲取相關(guān)數(shù)據(jù),并對其所得的測繪結(jié)果進行全面的評估和分析。圖4為該區(qū)域某一滑坡的地形地貌和點云三維模型,該模型是通過無人機技術(shù)所得。利用三維激光掃描技術(shù),能夠獲取滑坡的點云數(shù)據(jù),并對其進行精細(xì)的處理和建模,從而得出滑坡現(xiàn)場的地形地貌信息,為后續(xù)的分析工作提供可靠依據(jù)。

圖4 滑坡的地形地貌和點云三維模型

圖5為滑坡災(zāi)害空間分布特征。圖5(a)顯示,滑坡災(zāi)害點主要集中于2 000m之下。植被覆蓋率、植被類型、土壤類型、土壤含水量和地形梯度對土壤水分的影響,在不同的海拔水平下具有明顯的差異。由于人為活動影響較小,因此高海拔區(qū)域發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害的幾率也相對較低,滑坡災(zāi)害的分布呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。從圖5 (b)可以看出,在15°～30°之間,大部分發(fā)生了滑坡災(zāi)害;在30°以上,隨著坡度的增加,滑坡危險性逐漸減小;坡面的坡度不但影響著坡面上的植被覆蓋與松散堆積,還影響著坡面內(nèi)外含水量;對于坡面較陡和坡高較大的地區(qū)而言,坡體上可能會形成一個穩(wěn)定或不穩(wěn)定的區(qū)域。因此,如果沒有足夠的降雨就很難導(dǎo)致滑坡的出現(xiàn)。隨著坡度的增加,滑坡發(fā)生的概率呈現(xiàn)出一個先上升后下降的趨勢;當(dāng)坡度趨近于垂直時,崩塌災(zāi)害的風(fēng)險顯著增加。圖5(c)顯示,滑坡災(zāi)害點主要集中在距離斷層500m范圍內(nèi)。圖5(d)顯示,滑坡災(zāi)害點在順傾關(guān)系區(qū)域分布較多,在垂直區(qū)域分布較少。

圖5 滑坡災(zāi)害的空間分布特征

圖6為不同坡度方向下滑坡災(zāi)害的分布狀況。斜坡表面的物質(zhì)發(fā)育、地下水分布以及巖土物理力學(xué)性質(zhì),受到不同坡向光照強度的影響程度各異。通過對滑坡災(zāi)害點分布和坡向圖的疊加分析可以發(fā)現(xiàn),東、東南和南向的滑坡災(zāi)害點分布較為密集,且在各個坡向均有分布。

圖6 不同坡度方向下滑坡災(zāi)害的分布狀況

表1為庫水位變化對滑坡易發(fā)性的影響和其潛在的滑坡風(fēng)險。在水位下降時期,高易發(fā)區(qū)所占比例達到最高水平。在同一時期內(nèi),不同區(qū)域受降雨因素的作用程度也不一樣,其中高發(fā)區(qū)所占比重最大。在低水位期,研究區(qū)總面積中,高發(fā)區(qū)面積較小,主要分布在東部和西南部地區(qū)。在水位上升階段,研究區(qū)總面積中,高風(fēng)險區(qū)占比8.67%;中風(fēng)險區(qū)占比17.98%;低風(fēng)險區(qū)占比53.66%;極低風(fēng)險區(qū)占比19.69%。隨著水庫水位的上升,滑坡易發(fā)性面積呈擴大趨勢。庫岸滑坡災(zāi)害的易發(fā)性受水位下降期的影響最為顯著,這一時期在庫水位4個時期中占據(jù)著重要地位。在不同的水位條件下,滑坡的易發(fā)性程度存在差異。

表1 不同庫水位影響下的滑坡災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果

3 結(jié) 論

針對庫區(qū)水位周期性變化對庫岸邊坡穩(wěn)定性的不利影響,本次研究構(gòu)建了基于庫水位變化的庫區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系。同時,提出了基于無人機測繪的滑坡三維表面模型。本研究以一處引水工程區(qū)域為案例進行實證分析,研究結(jié)果顯示,滑坡災(zāi)害點主要分布在高程2 000m以下、坡度15°～30°之間;東、東南和南向的滑坡災(zāi)害點分布較為密集;隨著水庫水位的上升,滑坡易發(fā)性面積呈現(xiàn)出擴大的趨勢。