基于红外热像技术的上海基岩残丘地质灾害隐患调查

姜剑峰，牟建华

（上海市岩土工程检测中心，上海 200436）

上海松江地区部分山体由于坡度较陡，毗邻人类活动密集区域，周边地区建筑工程活动频繁，且存在多处早年人工采石或开挖边坡出现小型悬崖，如果遇到雨季汛期、台风、暴雨、地震或人为开挖、爆破等振动时，可能发生落石或小范围崩塌，2013年以来开展松江山体边坡稳定性调查和预防监测工作，具有一定的社会效益和经济效益。

红外热像技术在中国发展了近30年，主要应用于军事、医学热像诊断、电力电缆热状态监测、建筑节能检测等众多方面。为配合松江山体边坡调查与监测的实施，首次将红外热像技术引入地质灾害防治领域，对松江地区裸露岩壁表面区域进行红外数据采集、数据处理和分析研究。

1 工作简介

自2013年以来，上海市规划和国土资源管理局一直开展松江山体边坡稳定性调查工作，结合国家主汛期间的工作部署，同时开展并加强上海西部地区非汛期地质灾害防治工作和山体边坡稳定性的地质调查和监测工作。

在辰山植物园矿坑花园、世贸深坑酒店、横山、天马山等岩壁进行地质巡查，并采用三维激光扫描、红外热像检测、无人机航空摄影等先进监测手段进行地灾隐患调查。

2 调查背景

2.1 松江地区地质环境

松江区大部分地势平坦，平均高程2.80～3.50m（吴淞高程），佘山地区有数座孤立的基岩残丘出露，海拔高程都不足百米，最高的是天马山（98.2m），均为侏罗纪火山岩，呈北东—南西向串珠状分布。山下地形平坦，河网密布。

2.2 裸露岩壁特性

松江山体裸露基岩以粗面流纹岩、流纹质熔结凝灰岩和流纹质玻屑凝灰岩等火山岩为主，部分条带状侵入状凝灰岩，局部岩体裸露且呈90 倾角。因受火山岩浆冷却、开采石料爆破及植被根系挤裂和雨水冲刷作用，岩体横向、纵向及斜向节理发育且有风化现象，局部呈现凹面状且上部支撑能力减弱，一系列自然条件、人为活动是造成落石、岩体崩塌等地质灾害的主要成因。

图1 松江区地质构造图Fig.1 Geological structure map of Songjiang district

2.3 松江区“十三五”规划

松江区“十三五”规划中提到：西北片区，包括佘山、小昆山镇，主要是发挥生态环境优势，强化自然和历史风貌保护，拓展休闲度假功能，彰显人文底蕴，提升城市魅力；以佘山国家旅游度假区为重点促进旅游休闲产业发展；充分整合松江山水、生态、文化、城市风貌等丰富资源，发挥浦南地区特色农业和江南水乡风貌等优势，加快旅游休闲产业发展。

2.4 地质灾害对城市发展的影响

松江区旅游产业发展多依托于佘山、辰山、天马山等10余座山体，同时世贸深坑酒店施工区、辰山植物园采石坑景区（位于辰山境内）、昆冈采石坑（位于小昆山境内）、罗山采石坑、庙头采石坑等7处采石坑（遗址）或正在旅游开发，或毗邻居民区，近几年时常发生山体落石、小范围岩体崩塌，对周边厂房、民居造成破坏，对附近工人、居民、游客造成人身伤害。

3 红外热像技术的应用

依托地质灾害预防监测项目，为配合松江山体边坡巡查与监测的实施，首次将红外热像技术引入地质灾害防治领域，对松江地区裸露岩壁表面区域进行红外数据采集、数据处理分析研究。

3.1 裸露岩壁红外热像数据基本特征

（1）相对某一岩壁表面，正常情况下可认为整个岩体表层（所有相似面）发生的红外辐射应是均匀一致的。反映在红外图像上，通过颜色的指示为：相应区域颜色是单一均匀的，不存在明显的色差，即无明显温度色差异常区。

（2）相对某一岩壁表面，如岩壁表面存在空壳、裂隙、严重风化、脱空、渗水等隐患时，这些部位由于表面与岩体的热导性发生了改变，因此会存在相对于正常部位的红外辐射异常。这种情况下，红外热能图片上反映颜色（温度场）非单一均匀，不同热辐射条件的表面对应不同的颜色区（温度异常）。

（3）处理红外热像图片上的颜色（温度场）异常区，通过与可见光照片的比较分析，可以直观明了的看到异常区在实际岩体的位置，综合现场地质灾害巡查情况，可以对这些异常区域作出地质灾害隐患判别与评价。

3.2 裸露岩壁红外热像数据分析

根据选取的裸露岩壁，结合岩壁的岩石脱空、裂隙发育、表面风化、岩壁渗水等隐患现象，对不同现象的红外数据进行测量、识别研究，解译出了相应的红外数据特性和特征，分析如下：

（1）岩壁脱空红外数据特性

该岩壁位于松江天马山某民居旁。如图2(a)所示，图中岩壁脱空隐患点a表面较光滑，下部岩石已掉落，形成脱空状态。可见光照片显示该处岩体附着黑色污渍，表面较平整。

温差特性：图2(b)中岩石脱空区域a处温度异常区域较为集中，经数据处理，脱空区域隐患点a附近温度相对较高，为38.3℃，正常区域b点附近温度为34.8℃，温差约+3.5℃。隐患点表面无明显裂隙，但红外数据显示该处为高温异常，分析推断该处岩石已形成脱空，脱空区域充满空气（空气为热的不良导体），形成红外高温异常，综合判断该处存在脱空区域，可能引起碎屑或脱空区域存在岩石掉落等地质灾害隐患。

图2 脱空岩石的可见光照片(a)与红外热像图(b)Fig.2 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b) of the rock

（2）岩石裂隙发育的红外数据特性

该岩壁位于松江辰山植物园矿坑花园内。如图3(a)所示，图中岩壁有一条水平走向的裂隙，裂隙区域下方测量点a，无裂隙正常测量点为b。可见光照片反映出裂隙处岩体凹凸明显，呈线状分布。

温差特性：图3(b)中岩石裂隙发育区域a处温度异常区域呈线性分布较为集中，经数据处理，裂隙发育区域a点附近温度相对较低，为27.5℃，正常区域b点附近温度为28.3℃，温差约-0.8℃。温差较为接近。综合判断该处因由于人工开凿爆破采石或岩壁长期自然风化，造成岩体表面形成不规则裂隙。

图3 岩石裂隙发育的可见光照片(a)与红外热像图(b)Fig.3 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b)of rock fracture development

（3）岩石风化的红外数据特性

该岩壁位于深坑酒店内。如图4(a)所示，图中a点岩壁为斜坡，表面凹凸不平，b点岩壁表面光滑。可见光照片显示a点下方存在一处碎石堆，疑似岩体风化后堆积。

温差特性：图4(b)中岩石风化区域a处温度异常区域呈块状分布且较为集中，经数据处理，风化区域a点附近温度相对较高，为42.4℃，正常区域b点附近温度为38.2℃，温差约4.2℃。温差很明显。综合判断该处可能为岩壁长期自然风化，造成岩体表面凹凸不平，形成松散堆积颗粒。

（4）岩壁渗水的红外数据特性

该岩壁位于辰山植物园矿坑花园内。如图5(a)所示，A区域表面为干燥处，无明显水迹；B区域表面为岩壁渗水处。

特性分析：图5(b)的A区域红外数据显示该处为低温异常，与B区域渗水处温度相当。结合可见光照片可知，A区域内部渗水，岩壁存在空隙，如长期在渗水水流的作用、烈日暴晒、结冰膨胀作用下，可能使现有岩石裂隙扩大，可能引起碎屑脱落等地质灾害隐患。

图4 岩石风化的可见光照片(a)与红外热像图(b)Fig.4 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b)of rock weathering

图5 岩壁渗水的可见光照片(a)与红外热像图(b)Fig.5 Visible light photos (a) and infrared thermal image (b)of seepage of rock wall

4 结语

通过红外热像技术在上海松江基岩残丘的多年来多次试验，总结出以下结论：

（1）松江佘山地区是上海唯一一个基岩集中出露的区，该区域主要发展旅游文化产业，部分山体时有零星落石或小范围崩塌，对城市安全及产业布局带来不利影响。

（2）本文首次将红外热成像法检测应用于地灾隐患点调查。该方法具有轻便、快速、直观、非接触、大面积、远距离探测等优点。

（3）对常见的4种隐患类型（脱空、裂隙发育、风化、裂隙渗水）进行典型数据分析，得出相应的红外数据特性，对地灾隐患调查具有一定的指导意义。

（4）红外热成像法在山体隐患调查的应用即是红外热成像的创新应用，也是为地质灾害隐患调查与监测提供了一种新型技术手段，同时也为地质灾害隐患预防监测提供了新思路。