三维激光扫描技术在危岩体勘查中的应用

张新磊

1 危岩体定义

危岩体(dangerous rock mass)作为地质灾害的主要类型，同时也是一类重要的边坡工程问题。陈洪凯认为“危岩体是由多组岩体结构面组合而构成，在重力、地震、水体等诱发因素作用下处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的结构体。”[1]赵允辉认为“危岩体崩塌是单个或群体岩块在重力及其他外力作用突然从陡峻岩石山坡上分离，并以自由落体、滑移、弹跳、滚动或其他的某种组合方式顺坡向下猛烈运动，最后散集于坡脚的一种常见地质灾害现象。”[2]通俗地讲，狭义上的危岩体即破坏形式为崩塌的边坡岩土体，在范围上要比潜在崩塌体更广一些，包括了部分潜在滑落体。

2 研究区边坡岩体的结构特征

青石岩双线特大桥边坡总体上坡度较小，约40°，边坡岩性组合在空间上差异较大，主要为泥砂互层型边坡，高差约140 m。其中，第一级边坡(即为研究区)上部为硬质砂岩，底部为软质泥岩，总体表现呈陡坎状边坡，高差10 m～25 m，岩体风化较强，结构面均较松弛，见图1。

图1 边坡典型工程地质剖面图

3 边坡点云的获取及处理

三维激光扫描仪所获取的边坡点云，可以在RISCAN_PRO软件中进行显示(见图2)。

图2 青石岩双线特大桥利川段第一级边坡三维激光扫描3D影像

边坡的点云数据经过剔除冗余数据、噪声去除、数据缩减、数据平滑，最后建立边坡的数字模型(见图3)。

4 边坡等高线及地形剖面图

在RISCAN_PRO软件中进行等高线的生成，等高线间距设置为3 m，采样间距0.2 m，从赋上等高线的实体模型可以看出这个边坡的地貌形态。我们可以清楚的看出等高线较密的地方就是第一级边坡所在的位置(见图4)。

图3 边坡三维模型图

图4 边坡等高线图

地形剖面分析是判断该地区是否有危岩体存在的一个重要手段。为了准确、快捷得出陡崖、凹岩腔等坡段的形态特征和岩体结构特征，将三维数字模型按间距5 m，从而获得边坡的精细测量剖面，可进行边坡危岩体剖面法搜索。第一级边坡的剖面线见图5。

图5 第一级边坡的剖面线图

5 结构面产状获取及危岩体体积量算

在Polyworks9.0处理软件中，提供了多种量测工具包括量测距离(水平、垂向、两点间、任意方向、点到线)、角度(水平、垂向、任意)、半径及方位角等，利用众多的量测工具能够满足一般工程需要。

通过现场三维激光扫描获得的点云数据，进行方位校正后，在Polyworks9.0中用三个点生成拟合平面功能，通过多次尝试确定一个相对理想的平面完成对危岩体结构面的拟合，生成一个平面(即模拟的结构面)，应用计算平面方程参数的方法，得到危岩体W4的两组节理面产状和一组层面产状。同时利用体积量算功能，计算危岩体的体积大小，见图6。

图6 危岩体W4

危岩体W4位于高程约618.0 m处，岩体在岩层面及两组互成一定夹角的纵向结构面切割下成楔形岩块，其结构面的组合不利岩体的稳定。其中，plane13层面产状为:N85°E/NW∠10°，层面厚度为3.74 m;plane15结构面产状为:N77°W/SW∠73°，这组结构面的间距约5.68 m;plane8结构面产状为:N7°W/NE∠75°，这组结构面的间距约4.79 m。危岩体的方量约15.46 m3。

6 结语

本文将三维激光扫描技术应用到铁路线危岩体勘查，只是这项技术的一种应用。三维激光扫描技术具有先进的技术优势，将其应用到工程地质领域的其他方面有着巨大的潜力。比如，在地形变化监测中，通过比较不同时段模型数据中的坐标变化来提取变形信息，这较其他技术手段(如全站仪、精密水准仪、GPS和近景摄影等)在数据采集的效率、模型的数据精度、监测工作的难易程度、数据处理的速度和数据分析的准确性等方面都具有较为明显的优势。

[1]陈洪凯，王 蓉，唐虹梅.危岩研究现状及趋势综述[J].重庆交通学院学报，2003(8):32-33.

[2]赵允辉.危岩崩塌地质灾害调查评价与防治[J].中国地质灾害与防治学报，2004(6):80-81.

[3]铁道第二勘察设计院，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室.渝利线重点边坡危岩体勘察报告(初步报告)[R].2009.