基于无人机与Rockfall的危岩体结构特征识别与运动规律模拟

2021-01-21谢金杨根兰覃乙根刘榜余

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年1期

谢金，杨根兰，覃乙根，刘榜余

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

崩塌是指陡坡上的岩土体，被节理裂隙切割成巨大岩块，在重力作用或其他外动力作用下突然脱离母岩向下倾倒、翻滚、坠落的现象[1-3]。危岩体崩塌是山区高陡边坡的主要地质灾害之一[4-6]，崩塌灾害对其影响范围内的居民、房屋建筑、公路桥梁等具有毁灭性的破坏作用，例如2013年贵州凯里龙场镇崩塌造成5人失踪；2017年贵州省纳雍崩塌造成35人死亡，因此崩塌灾害对人类生命财产安全影响巨大[7-8]，但发生崩塌灾害的危岩体大多具有位置高、坡度陡、隐蔽性强、勘察难度大等特点，导致人工现场调查危险性高、效率低[9]。

近年来，三维激光扫描技术、雷达探测技术、无人机技术和数字化处理技术等被用于地质灾害调查中，特别是无人机技术在崩塌灾害的调查中展现出高精度、高效率、危险性低等优势[10]。例如王栋等[11]利用无人机技术对成昆铁路吉尔木隧道口高陡边坡危岩体进行勘察并获取了危岩体结构面、体积等，为后期危岩体治理提供了依据；胡才源等[12]利用无人机技术对仙宇屯高位崩塌体进行了调查，建立了三维模型，并对崩塌体信息进行了统计分析；陈宙翔等[13]利用无人机技术对某强震区公路高位危岩体进行了调查，并对研究区19处危岩体进行了稳定性分析。故“无人机技术+地质灾害调查模式”近年来迅速被人们所接纳，特别是在崩塌灾害调查中，无人机倾斜摄影技术展现其独特的优势，利用轻便灵活的小型无人机搭载摄影设备，可以对崩塌区危岩体进行细致拍摄，基于航拍影像建立高清数字地表三维模型，从而将辛苦而又危险的野外调查转为舒适安全的室内作业，大大提高了地质工作者的工作效率和安全程度[12]。

在对危岩体崩塌影响范围研究方面，国内外学者一般采用现场调查、理论分析、数值模拟3种方法进行研究，而大部分研究方法都基于Hertz弹性碰撞理论和碰撞恢复系数。例如唐红梅等[14]以重庆市万州区天生城危岩落石为研究对象，运用Rocfall软件模拟落石影响范围，结果表明，落石对坡脚公路和学校影响概率为100%；覃乙根等[15]运用Rockfall软件模拟贵州寨子危岩崩塌，得出各危岩体到达房屋的概率。国外学者B.Pichler等[16]运用Rockfall软件模拟落石对砂砾土质垫层的冲击力,总结出一种冲击力计算公式；C.K.A.Dorren等[17]通过对意大利那不勒斯市区的崩塌落石规律研究，为降低崩塌落石的防治成本提供了一种新方法。崩塌灾害是赤水红层地区主要的地质灾害，唐家屋基边坡历史上发生了多次崩塌，经实地调查，最近一次崩塌发生于2015年雨季，在暴雨作用下危岩带岩体发生崩塌，崩塌体滚落后停积在坡脚公路上，未造成人员伤亡。唐家屋基边坡危岩带受结构面切割，导致部分危岩体已脱离母岩，在地震、降雨等作用下可能发生大规模崩塌破坏，威胁坡脚居民以及过往车辆的生命财产安全，因此,对唐家屋基边坡危岩带崩塌地质灾害的成因机理、破坏模式、影响范围的研究具有重要意义。

本文在总结前人对危岩体崩塌灾害研究的基础上，运用无人机倾斜摄影技术、Agisoft PhotoScan软件三维建模，结合现场调查、结构面统计、工程地质分析、赤平投影等研究方法，对唐家屋基边坡危岩体进行调查研究，实现传统方法与无人机技术相结合，提取危岩体结构面信息，分析研究危岩体的结构特征,并运用Rockfall软件对典型危岩体的运动特征和影响范围进行数值模拟分析，以期为崩塌灾害的防治工程设计提供依据，对崩塌灾害的防治提供指导。

1 研究区概况

唐家屋基边坡位于贵州省赤水市葫市镇唐家屋基村，地理坐标为东经105°57′27.59″，北纬28°28′07.76″，距离赤水市27 km。研究区属于侵蚀低山河谷地貌，岸坡地形，坡度呈缓-陡-缓分布，上部自然斜坡坡度约30°～40°，中部危岩带由于崩塌形成陡坎，坡度接近90°，陡坎下部软弱夹层由于差异风化形成凹岩腔，下部坡度40°～50°，研究区边坡长820 m，宽约430 m，危岩带顶部距坡脚公路高差在370～390 m间。属于中亚热带温热湿润季风气候区，其气候具有雨热同期的特点，多年平均降雨量为1 286.8 mm，主要集中在5—9月，占全年的68%。研究区岩性为白垩系嘉定群组(Kjd)砖红、紫红色巨厚层砂岩夹紫红色薄层泥岩，危岩带上部砂岩层厚2～10 m，下部紫红色泥岩厚0.2～0.6 m。

图1 研究区地质图Fig.1 Geological map of the study area

2 无人机高清数字地表三维模型建立

2.1 三维点云数据获取

2.1.1 基本原理

无人机倾斜摄影测量技术是将轻型无人机作为飞行平台，搭载航拍设备来获取地面信息的遥感方式[12]。使用无人机对研究区边坡危岩体进行多航线、多角度、全方位拍摄，使获取照片具有高度重叠率的特点，基于含有拍摄点地理坐标的高清数码照片，运用倾斜摄影测量建模的方法可以快速构建出研究区边坡的实景三维模型，基于三维模型可以360°无死角展示研究区危岩带与周围的环境。地质工作者可以从模型中对危岩体的形状、大小、结构面特征进行识别与测量，并可进一步分析计算危岩体的稳定性、研究危岩体崩塌后的运动特征。

2.1.2 无人机摄影航线规划

研究区边坡属于侵蚀低山河谷地貌，河谷边坡高差大，植被茂盛，加大了无人机航线设计的难度。故在航线规划时应充分考虑边坡高度、长度、倾角等因素。为了使获取照片具有高重叠率，使建立的三维模型能最大程度还原边坡特征，根据前人经验总结，应使无人机航向的重叠率不低于80%，旁向的重叠率不低于70%[8]。考虑研究区范围、高差及坡度等因素，本次无人机航拍共规划5条航线，航线间距为80 m，3个拍摄角度，分别为-90°，-45°，0°，无人机飞行高度分别为航线A200 m、航线B和C250 m、航线D和E300 m，对研究区边坡进行全面拍摄。最后对危岩带进行重点拍摄，全面获取危岩带结构面影像数据，共获取759张照片。无人机拍摄航线规划示意图如图2所示。

图2 无人机拍摄航线规划示意

2.2 高清数字地表模型建立

运用Agisoft PhotoScan软件对无人机野外拍摄的带有空间坐标的照片建立三维数字地表模型，基于高精度三维模型在室内便可以对研究区边坡结构面发育情况、危岩体的分布情况、空间信息等进行详细的统计分析，大大提高了工作效率，避免了实地调查的危险性，PhotoScan建模流程如图3所示：

图3 PhotoScan建模流程图Fig.3 PhotoScan modeling flow chart

(1)照片导入：在Agisoft PhotoScan软件中依次点击工作流程、添加照片，找到无人机拍摄的照片所在文件夹，选中研究区所有航拍照片，点击打开。

(2)对齐照片：添加照片完成后，依次点击工作流程、对齐照片，精度选择根据建模需求，可以选择最低、低、中、高，本模型精度选择为高精度，照片对齐后系统便自动提取稀疏点云。

(3)生成密集点云和空间白模：在对齐照片流程完成后，依次点击工作流程、生成密集点云，点云质量可根据模型需求选择最低、低、中、高、超高，本模型选择高质量，生成密集点云后系统会自动生成空间白模。

(4)生成网格：在密集点云建立完成后，依次点击工作流程、生成网格，本模型表面类型选择任意，数据源选择密集点云，面数选择高，点击确定。

(5)生成纹理：必须在生成网格后才能执行生成纹理，本模型映射模式选择通用，混合模式选择马赛克(默认)，点击确定，建模完成，如图4所示。

图4 边坡无人机三维实景模型的构建

3 结构面解译及典型危岩统计分析

3.1 结构面解译

3.1.1 基本原理

结构面是由走向、倾向和倾角三要素组成的具有一定方向、力学强度较低、两向延展的地质界面[18]。传统的岩体结构面获取方法是工作者使用地质罗盘在现场测量得出，本文基于无人机倾斜摄影技术建立高分辨率三维模型，实现室内全方位统计研究区结构面。结构面解译原理是获取三维模型中的结构面内三个不共线特征点的三维坐标，由数学计算得出岩体结构面产状，结构面产状表示方法如图5所示。

图5 结构面产状表示方法Fig.5 Appearance of structural plane

将结构面方程设为Z=AX+BY+C，则该结构面的一个法向量(以向上为准)为n=(-A，-B，1)。假设在同一个结构面内提取n(n≥3)个不共线特征点的坐标，通过最小二乘法可求解出A，B，C，如式(1)所示。

(1)

由法向量n计算结构面倾向β和倾角α的数学模型[19]为

(1)当A=0时，

(2)

(2)当A≠0时，

(3)

3.1.2 结构面统计分析

在无人机三维模型中对危岩带岩体结构面进行统计分析，选取结构面上不共线的3个点，导出其空间坐标，如图6所示，通过数学计算得出结构面的产状。本次共获取125个结构面数据，绘制结构面极点等密度图和倾向玫瑰花图如图7所示。

图6 结构面空间点数据获取

图7 危岩带结构面极点等密度图(左)及倾向玫瑰花图(右)Fig.7 Extreme density map of the structural surface of the dangerous rock zone(left)and tendency rose chart(right)

解译结果表明研究区危岩带主要发育两组优势结构面，将危岩带岩体切割成长方体块状，对唐家屋基危岩带的崩塌破坏起着控制作用，两组结构面几何参数如表1所示。

表1 结构面几何参数

3.2 典型危岩体特征统计

基于无人机三维模型对危岩带进行详细分析，确定了4个被裂隙严重切割，且凹岩腔发育较深的典型危岩体，自左至右编号依次为W1，W2，W3，W4。将三维模型生成的DEM文件导入ArcGIS中，切出4个危岩体所在位置的纵剖面图，由剖面图可知，危岩体下方均有居民楼房和公路，具体分布位置如图8所示。在三维模型中对4个危岩体的空间位置、几何尺寸进行统计测量，并对危岩体的稳定性进行定性评价。根据其所在剖面能直观看出危岩体威胁下方建筑物情况，结果如表2所示。

图8 危岩体位置及所在剖面示意Fig.8 Location and section diagram of the dangerous rock mass

表2 危岩体特征调查统计表

4 典型危岩体稳定性评价及运动特征分析

4.1 赤平投影分析

唐家屋基边坡危岩带基岩为砂泥岩不等厚互层，岩层产状为92°∠5°。由结构面统计分析可知，危岩带受J1：183°∠86°和J2：291°∠80°两组结构面控制，危岩带边坡倾向为201°，坡角为87°。绘制赤平投影图如图9所示。

由赤平投影分析可知，J1与J2的交线位于边坡外侧，倾向与坡向大致相同，且倾角略小于边坡坡脚，属于欠稳定结构，故危岩体处于欠稳定状态。

图9 危岩带结构面赤平投影图

4.2 典型危岩体运动特征分析

根据危岩体失稳破坏模式将危岩体崩塌分为坠落式、滑塌式、倾倒式3种类型[20-21]。本文运用Rockfall软件模拟危岩体发生崩塌后滚石运动轨迹。Rockfall软件是通过输入一些与斜坡和落石相关的基本参数，模拟滚石在斜坡上的运动路径、能量分布和弹跳高度等参数变化，从而为崩塌灾害的影响范围研究和防护治理设计提供直观有效的依据。

4.2.1 选择危岩体及所在坡面参数

通过统计分析，4个危岩体结构特征及尺寸大小如表2所示。危岩体距离坡脚房屋和公路的高差在170～210 m间。危岩体受裂隙切割基本已经脱离母岩，且下部发育有较深的凹岩腔，危险程度较高，一旦发生崩塌破坏，可能沿所在剖面向下滚落，对下方房屋建筑和公路将会造成严重破坏，其空间位置图及所在剖面图如图8所示。

通过三维模型分析可知，研究区边坡自上而下可分为7段，依次为植被土壤→基岩露头→清洁基岩面→碎石角砾堆积→土壤与植被→沥青公路路面→植被土壤。根据上述坡面特征选择各段坡面的法向恢复系数(Rn)、切向恢复系数(Rt)，具体参数结合前人学者研究成果综合确定，如表3所示。

表3 边坡坡面基本参数

4.2.2 模拟结果分析

运用Rockfall软件模拟危岩体崩塌破坏后滚石的运动轨迹，本次共模拟滚石数量设置为100个，崩塌体初始运动速度、转动速度均设为0，模拟后，滚石在坡面上的运动如图10所示。

由危岩体总动能、弹跳高度和运动速度分布曲线可知，W1,W2,W3,W4分别在125,220,200,220 m处运动速度和动能达到峰值。这是因为边坡中部修建了一条农村公路，在路面位置形成一个平台，W1,W2,W3,W4危岩体发生崩塌后落石分别在125,220,200,220 m处与路面平台发生强烈碰撞弹跳，在碰撞前运动速度和动能达到最大值，碰撞时能量发生损耗，运动速度和动能开始降低；据弹跳高度曲线显示，落石弹跳高度达到峰值时，其运动速度和动能减至谷值，这是由于落石与边坡发生碰撞后落石弹起，其动能转化为重力势能，导致动能降低，达到最高点时落石由上升运动逐渐转为下降运动，故速度明显下降；在崩塌落石到达房屋建筑时，即W1危岩体崩塌落石滚动至225 m处的总动能为493 012 kJ，速度为17.9 m/s，W2危岩体崩塌落石滚至252 m处的总动能为53 686.3 kJ，速度为6 m/s，W3危岩体崩塌落石滚至287 m处的总动能为153 187.5 kJ，速度为9.7 m/s，W4危岩体崩塌落石滚至320 m处的总动能为222 785.8 kJ，速度为14.8 m/s；W1,W2,W3,W4分别在距崩塌点305,275,315,370 m处运动速度、弹跳高度和动能均减小至0，此时落石运动到最远距离。

根据Rockfall模拟结果，对危岩体停积位置进行统计，结果如表4所示。

表4 危岩体停积位置统计

由表4可知，危岩1(W1)发生崩塌破坏后，2%的滚石会滚到公路上；危岩2(W2)发生崩塌破坏后，3%的滚石滚到公路上；危岩3(W3)发生崩塌破坏后，2%的滚石滚到公路上；危岩4(W4)发生崩塌破坏后，10%的滚石滚过公路，并停留在下方边坡上。

研究结果表明,4个危岩体发生崩塌破坏后均有一定概率到达房屋建筑和公路，且4个危岩体到达房屋建筑和公路时仍具有巨大的动能和运动速度，会对坡脚房屋建筑和公路造成严重破坏，威胁居民生命财产安全，影响车辆通行。故建议在房屋建筑后方缓坡处设置栏石坝，并在危岩带下方种植树木，对滚石起到阻挡拦截作用；还应该减少或杜绝在危岩带附近开山放炮，避免震动使危岩体发生崩塌。