基于三维激光扫描技术的危岩体特征快速识别方法及稳定性评价

2020-01-08陈爱云曾唯恐瞿晓浩

水利与建筑工程学报 2019年6期

陈爱云，曾唯恐，王哲，瞿晓浩

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司道路院，湖北武汉 430063;2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) , 四川成都 610059)

危岩体的稳定性评价是危岩体防治工程的重要一环，需要工程技术人员实地进行危岩体识别和勘测，以提供危岩体基础资料[1],并综合确定崩塌的形成机制与工程防治手段[2]。传统的危岩体测绘方法一般是依靠工程地质工程师接触地质实体，通过罗盘和皮尺来统计结构面的结构特征，借此获取到结构面的地质信息。人工接触测量方法工作强度大、测量效率低，容易受到地形、天气等因素制约，且不能排除测量过程中的人工误差[3]。

三维激光扫描技术是一种新兴的测量手段，能够高精度地扫描并重建实物的三维点云数据，具有远距离、非接触、实体化等优势，在危岩体调查中有着不可比拟的优势[4]，并得到了广泛应用[5]。本文以高山铺危岩体为例，研究三维激光扫描技术在危岩体调查和点云数据在Riscan Pro软件中的处理流程，并将结果用于稳定性评价。

1 高山铺危岩体三维激光扫描

1.1 研究区概况

危岩体位于黔江过境高速公路冯家街道后侧陡坡地段，该地段地形临空条件发育，岩层为巨砾岩，砾岩成分主要为灰岩、泥灰岩、灰质白云岩，钙质胶结，溶蚀现象明显，受平行坡面的外倾卸荷裂隙控制，与岩层层面、坡面组合将岩体切割成大小不等的块体形成三处高位危岩体，见图1。

根据现场初步调查，WY01危岩体长约9.2 m，宽约1.0 m，体积73.6 m，岩性为砾岩，岩体被两条主要裂隙切割成长条状块体，块体下部岩体由于地表水、裂隙水的溶蚀作用，形成半裸露岩腔，出现较大的临空面。上部岩石为临空面上的“悬挂”危岩，处于不稳定状态，危岩所处坡向215°，危岩前缘倾角85°，破坏方式为坠落式，WY02危岩体长9.5 m，宽2 m，体积144 m3，危岩体总体呈不规则块体。危岩体受后壁裂隙和下部层面控制，形成大小不一块状不稳定块体，上部块体较小，大小为1 m×2 m，下部岩体块体大小2 m×8 m，岩体具有向前方倾倒的趋势，处于不稳定状态，危岩所处坡向189°，危岩前缘倾角89°，底部坡脚为55°～65°，临空条件发育，周围植被发育，破坏方式为倾倒式。

图1 危岩体分布及特征

WY03危岩体长17 m，宽3 m，体积561 m3，危岩体层间软弱带以及重力卸荷裂缝的共同切割作用下，形成1号、2号、3号滑移危岩块体，岩性为砾岩，发育两条主要控制型节理面，分为L1、L2，加之在重力累积作用下，岩体发育3处潜在滑移块体，呈顺次滑移剥落破坏特征，首先出现滑移破坏的是1号块体，依次为2号、3号，滑移方向为98°，危岩所处坡向170°，临空条件发育，破坏方式为滑塌式。

1.2 点云影像数据获取

由于三处危岩体(WY01、WY02、WY03)均发育在高位，无法对危岩体信息(危岩体尺寸、控制结构面产状等)进行实地调查，工程人员的经验估计值误差较大，难以满足后期分析的需要。因此选用了加拿大Optech公司生产的Polaris TLS1600三维激光扫描仪对其扫描，其采样速率为22万点/s，采样间距1 mm，远距离测量精度<15 mm，能有效控制点云精度[6]。扫描过程中用RTK-GPS同时测量了各站点的大地坐标，用于后期对点云数据进行地理配准[7]。

1.3 点云坐标与大地坐标拟合

每处危岩体都需要多站扫描数据拼接得到，因此需要进行坐标配准将各站数据转换为统一坐标系。这一步通过选取同名点进行匹配得到[8]。再处理软件Riscan Pro中进行匹配得到。同时导入前期采集的各站点实际坐标信息，最终将该区域的原始坐标系转换为大地坐标系。并选取了三处拟合点与实测大地坐标进行误差分析(见表1)，最大的误差值<10 cm，满足危岩体调查的要求[9]。

表1 坐标误差分析

2 危岩体特征数据自动化提取

2.1 几何尺寸及体积量测

通过三维激光扫描技术，能够精确地获取到危岩体的长、宽、高、坡度、相对高差等几何尺寸数据，为危岩体的稳定性评价、防治措施等提供了可靠的基础资料。该方法需要在点云数据中识别出这两处危岩体的点云数据后，量测其整体轮廓，测量方式将其视为不规则长方体处理，这种测量方式比传统的估算更精准(见图2)。图中，A为WY01体积量测过程；B为WY02体积量测过程；C为WY03体积量测过程。

图2 点云获取的危岩体几何特征及快速测定

针对危岩体的体积的量测，该方法方便简单，且能够满足调查要求。若要测得更精准的体积数据，需要对点云数据进行去噪处理，去除植被、粉尘等干扰点，再对点云数据进行三角网格化，测出该封闭网格体积得到[10]。测量结果见表2。

表2 危岩体尺寸测量结果

2.2 结构面产状量测

岩体的控制性结构面是后期稳定性计算的重要资料，传统方法需要测量人员用罗盘近距离测量，受环境因素限制大[11]。前人总结了在点云中提取结构面的方法，分别为“三点法”和“多点法拟合”，“三点法”适用于解译出露明显的结构面，从而选取具有代表性的三点建立平面，符合三点构面法则[12]。对于以一定的面状出露的结构面，采用“多点拟合法”更为准确。

本文的拟合过程主要基于“多点拟合法”，使用Riscan Pro软件对点云结构面进行拟合测量。通过选取危岩体裂隙出露平面的点云数据以创建平面，该软件能根据平面法向量自动计算其产状，减少了后期计算步骤(见图3)。测量得到的三处危岩体的控制性裂隙产状数据见表3。

图3 结构面拟合过程(以WY2为例)

表3 控制性结构面测量数据

2.3 危岩体剖面图的获取

传统上通过两种方法获取地形剖面图[13]，一种是利用皮尺、罗盘进行现场测量，但在高陡边坡难以满足测量条件;第二种是通过地形等高线切取剖面，但对于不同比例尺图件切制出的剖面线差异很大，难以反映局部微地形的起伏。点云数据中能反映更精细的地表起伏和局部的微地形，利用三维激光扫描数据获取危岩二维剖面图是简单有效的。

需要注意的是，扫描仪获取的原始地形数据还包括了地表上的植被以及树木等干扰数据，通过通过Riscan Pro软件中的“Filter data”工具过滤植被。

在Riscan软件中，剖面线提取的方法首先需要确定好目标危岩体的位置，同时根据主崩方向在点云视图中点击"创建平面"以模拟剖面线(见图4(A))，创建的面与点云的交线即为地形断面线(见图4(B))。将截取到的点云数据导入CAD中加以修饰就能得到精确的剖面图，图5为三处危岩体的剖面图中的WY01剖面。

图4 危岩体剖面获取过程(以WY01为例)

图5 危岩体剖面结构(以WY01为例)

3 危岩体稳定性评价

3.1 稳定性定性评价

危岩体的稳定性定性评价应用极射赤平投影法进行分析[14]，该方法需要获取危岩体控制性结构面的产状。根据前文中量测到的危岩体切割裂隙的信息，对三块危岩体分别做赤平投影分析(见图6(a)、图6(b)、图6(c))。

图6 危岩体赤平投影图

根据WY01的赤平投影图，危岩体所在坡面产状为215°∠87°，危岩体受到172°∠88°、78°∠86°两组结构面所切割。结构面交点落在边坡投影弧外，组成结构较稳定，但在降雨条件下雨水容易沿裂隙面入渗形成坠落式破坏。

WY02坡面产状189°∠85°，层面产状为125°∠18°，主要发育一组深切割裂隙，产状为298°∠75°。裂隙和层面的交线与坡面倾向一致，但倾角远远缓于坡角，属于较不稳定结构。

根据WY03的赤平投影图，危岩体所在坡面产状为206°∠87°，此外发育两组侧向裂隙123°∠86°，94°∠80°和近水平层面125°∠17°。从图中可以看出，两条裂隙的交点落在坡面投影弧的对侧，是较稳定的状态。但层面与裂隙1、裂隙2形成的交线与坡面投影弧为同一侧，且倾角比坡面更缓，因此为不稳定状态。判断危岩体在天然状态下较稳定，在降雨条件下层面黏聚力降低容易导致危岩体失稳。