高精度影像扫描仪在边坡稳定性分析中的应用

杨茂伟

(1. 山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队重点实验室，山东 济南 250014;2. 山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

矿产开采形成的尾矿库和料场等极易发生滑坡和泥石流等地质灾害。为了确保人民的美好生活环境和生产安全，对矿山的设计、建设、运营和治理必须是准确、有规划和可持续的，这就要求测绘提供准确可靠的数据。然而矿山测量种类繁多，地质地形情况复杂，采用全站仪和GPS等传统的测量手段进行高精度测绘往往费时费力[1]。

三维激光扫描技术为解决以上问题提供了新的技术手段[2]。本文结合工程实例介绍了采用高精度影像扫描仪获取矿山渣石堆的三维激光点云数据[3]，并辅助边坡稳定性分析的全过程，充分显示了该技术的优越性。

1 项目概况

1.1 项目综述

济南市章丘区市政工程处沥青搅拌站位于章丘区南约8 km的文祖镇甘泉村。本次评价的渣石堆为沥青混凝土搅拌站开挖基槽存放的渣石，堆放在沟谷两侧，共分两个区域，其中二区分为2-1区和2-2区两个分区，如图1所示。渣石作为沥青混凝土搅拌原材料，计划两年内消耗完毕。本次是对其消耗完毕前的边坡稳定性和泥石流形成情况进行分析和评价。

1.2 边坡特点

本项目渣石堆边坡的主要特点为：①渣石堆边坡高度达22 m，最大综合边坡角达31°～51°，为人工自然倾倒形成；②由于为自然倾倒形成，未经碾压，为松散状态；③沿沟谷倾倒，未考虑泄洪要求；④渣石堆上游迎水面积较大；⑤根据渣石堆现状及存放时间，其边坡确定为一级临时边坡。

1.3 测绘技术要求与难度

技术要求：①要求提供准确的渣石堆面积、体积和分布形态，作为边坡稳定性分析参数；②需要提供区域汇水面积和排水量计算所需的参数。

技术难度：①地形复杂、渣石堆顶部堆积杂乱；②未开采区域植被较多；③区域内高陡边坡较多，且没有防护；④工期紧张。

2 解决方案

笔者综合以上技术难点提出了应用Trimble SX10配合Trimble Access(TA)和 Trimble Business Center(TBC)对工作区进行三维扫描建模辅助边坡稳定性评价的方案。

2.1 仪器设备及软件

2.1.1 Trimble SX10的特点

(1) 可以同时获得高精度全站仪测量数据和三维扫描仪影像数据，其测程达到600 m，可对指定区域进行特定扫描。

(2) 具有高精度全站仪式的架站方式，导线式工作流，实现多测站误差控制，减少不同站点间误差的累积。SX10仪器本身精度在0.1～10 mm之间。

2.1.2 主要软件

Trimble Access和Trimble Business Center软件结合，可以完善和改进传统作业模式。TA可远程连接仪器，在手簿上进行手势控制、代码测绘、散点测量、坐标计算，以及简单土方计算。TBC Scanning模块可实现从获取外业数据、数据处理、分析，到最终生成地形图或三维模型的一体化工作流。

2.2 作业方法

工作区位置山岭环绕，地形地质条件复杂，高陡边坡林立，地形地貌以山地和植被覆盖为主。

作业步骤分为数据获取、数据配准、数据缩减、数据去噪、点云拼接等[4]。首先，应用Trimble R8进行控制点布设。针对工作区状况采用扫描仪分站方式对坡体进行大面积的扫描，采用“分站—分景”的扫描策略，每站进行全景扫描[5]。其次，应用Trimble SX10设站扫描。最后，应用TBC整合数据，内业分析处理，形成地形图和相关参数，并依据数据运用专业分析软件进行稳定性分析和泥石流形成条件分析。

2.3 数据处理

在TBC中导入原始数据，设置参数，自动生成地形图及土方报告。

2.3.1 生成地形图

应用TBC点云分层曲线拟合提取等高线作为反映滑坡地貌的地形信息，通过曲线平滑处理，保证等高线的光滑和连续性[6]，如图2所示。

2.3.2 土石方计算

复杂地形土石方计算常选择不规则三角网法(TIN)进行[7]。其原理是通过建立三角网计算每一个三棱锥柱的填挖方量，然后把每个三棱锥的方量累加，以计算指定范围内的填方和挖方方量[8]。

本文将原始地形图上高程点所构成的TIN与本次扫描点云所构成的TIN，应用TBC进行两期间土石方计算，即可得出待评价区的土石方量。虽然前期没有扫描数据，但由于前期渣石场地形起伏不大，其TIN精度能够满足边坡稳定性评价精度需要，如图3所示。

2.3.3 生成地形断面

依据软件生成的DEM模型，可以任意生成地形断面，从而获得指定位置的坡度、高差、倾角和方位等参数。本次评价所用的地形剖面均由模型直接生成，如图4所示。

2.4 测绘成果辅助分析评价

2.4.1 渣石堆统计

一号渣石堆：在沟谷东侧南段，距拟建厂区约80 m(如图1所示)。堆放面积为4480 m2，高度为1～21.0 m，坡度约35°；石床为北西向149°，倾角约4°。

二号渣石堆：在沟谷西侧，距拟建厂区约90 m(如图1所示)。2-1号渣石堆堆放面积为11 130 m2，高度为4～22.0 m，坡度约51°；石床为北东向174°，倾角约8°。2-2号渣石堆堆放面积为12 590 m2，高度为1～10.0 m，坡度约31°；石床为北东向174°，倾角约8°。

2.4.2 渣石堆边坡稳定性验算(有水工况)

这些成功案例表明，中小企业克服入门障碍、使用模拟仿真技术同样物有所值，由此节约的时间和成本会让中小型企业在市场上更具竞争力。

以1-1剖面为例，计算结果(最不利滑动面)为：

滑动圆心=(-9.684,28.090)m，滑动半径=29.713 m，滑动安全系数=0.389，总下滑力=2 727.288 kN，总抗滑力=1 061.005 kN，土体部分下滑力=2 727.288 kN，土体部分抗滑力=1 061.005 kN，筋带在滑弧切向产生的抗滑力=0.000 kN，筋带在滑弧法向产生的抗滑力=0.000 kN。如图5、表1所示。

2.4.3 渣石堆整体稳定性验算

滑坡剩余下滑力计算原始条件：滑动体重度=26.000 kN/m3，滑动体饱和重度=26.600 kN/m3，安全系数=1.300，考虑动水压力和浮托力，滑体土的孔隙度=0.300，不考虑承压水的浮托力，不考虑坡面外的静水压力的作用，不考虑地震力，见表2。

表1 各计算分区稳定性分析成果

表2 各计算分区整体稳定性计算分析成果

2.4.4 稳定性综合评价

稳定性评价见表3。

表3 渣石堆边坡稳定性综合评价成果

由表1—表3可以得出结论：渣石堆边坡不稳定。但是通过计算，安全系数在1.30的情况下，两种工况渣石堆下滑力均为负数，即下滑力小于抗滑力，渣石堆整体稳定。

区域汇水量计算：汇水面积约78 540 m2，济南地区最大降雨量为1962年7月13日6 h降雨量为298.4 mm，平均每小时降雨量为50 mm，可知

Q=ψ·q·F=0.56×0.05×78 540=2 199.12 m3/h

式中，Q为汇水量，单位为m3/h；ψ为径流系数，取0.56；q为降雨量，单位为mm/h；F为迎水投影面积，单位为m2。

沟谷排水量计算(如图6所示)：将渣石堆中间通道作为排水通道，根据谢才公式计算排水流量

53 640 m3/h

R=A/x=3.86 m

C=R1/6/n=1.26 m1/2/s

式中，Q为设计最大流量，单位为m3/s；A为排水沟断面面积，单位为m2；R为水力半径，单位为m；x为沟渠湿周；C为谢才系数，单位为m1/2/s；n为沟渠粗糙率，此处取0.2；i为沟渠比降(‰)。

根据渣石堆所处的地形地貌判断,短期大量流水能及时排出，评价结果是不会形成泥石流。

以上评价中的高程、坡度和坡高等参数均是在三维模型中实际量取；用到的地形图、土石方量及纵横断面均由TBC软件通过点云数据生成。

3 结 语

通过具体实例可知,高精度影像扫描仪在地质测绘中具有数据获取速度快、精度高、数据处理效率高、信息丰富等优点[9]， 应用于边坡稳定性评价可极

大地提高评价精度和效率。

作为新的空间数据采集手段，该方法还存在仪器设备昂贵和相关技术规范、生产定额不完善等问题，如果这些问题得到解决，相信该技术将会成为一种在测绘领域普遍应用的新技术手段[10]。