小型無人機在某水電站危險源調(diào)查中的應(yīng)用

胡亞東，梅稚平，崔中濤，陳長江

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

小型無人機在某水電站危險源調(diào)查中的應(yīng)用

胡亞東，梅稚平，崔中濤，陳長江

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文以某水電站樞紐區(qū)自然邊坡為依托，利用小型無人機航攝技術(shù)獲取某水電站危險源景象圖、地質(zhì)點坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，解決了高山峽谷地區(qū)水電工程中由于交通、安全等因素對現(xiàn)場危險源調(diào)查的制約和安全隱患，顯著提高危險源類型識別和體積計算的準(zhǔn)確性，為邊坡的治理提供可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，同時也為無人機在類似工程中的應(yīng)用提供參考。

水電站；無人機；危險源；邊坡

0 前 言

我國西南地區(qū)位于青藏高原東側(cè)，青藏高原第四紀(jì)快速抬升的過程中，發(fā)育于此的河流都出現(xiàn)了強烈的河谷下切，構(gòu)成了青藏高原東側(cè)典型的高山峽谷地貌形態(tài)，這對水電工程的建設(shè)提供了有力的地形地貌條件[1]。同時，由于西南地區(qū)特有的地質(zhì)背景，造就了西南地區(qū)較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件，在這些地區(qū)進(jìn)行水電開發(fā)這類大規(guī)模的人類工程活動，必然會產(chǎn)生大量的地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。因此，開展對影響工程安全的自然邊坡危險源調(diào)查，為邊坡的治理提供可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，具有非常重要的工程意義。

目前，水電工程危險源調(diào)查主要為工程地質(zhì)現(xiàn)場測繪、激光掃描成像法、攝像等方法，但由于水電工程處在高山峽谷地區(qū)，通常山高路險，交通不便，植被發(fā)育，通視條件差，造成部分危險源調(diào)查結(jié)果誤差較大，達(dá)不到勘察精度要求。近些年，隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，其制造成本大為降低，同時性能也不斷增強，使其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，發(fā)展十分迅速，廣泛應(yīng)用于地形測繪、航拍、攝影、遙感、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域[4-6]。其具有機體小、重量輕、操作簡單、安全性好、使用費用低等特點，因此，使用小型無人機進(jìn)行水電工程危險源調(diào)查較為合適。

本文以某水電站樞紐區(qū)自然邊坡為依托，利用小型無人機航攝技術(shù)進(jìn)行危險源調(diào)查，獲取危險源景象圖、地質(zhì)點坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，為邊坡的治理提供依據(jù)。

1 某水電站基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)為凸向左岸弧形河灣，河流以流向N80°E流入壩區(qū)，經(jīng)壩區(qū)后，以近S向流出壩區(qū)。兩岸谷坡陡峻，右岸山體雄厚，相對高差1 000余米，左岸橫Ⅰ上游100 m發(fā)育深切支溝，與河流形成三面臨空的山脊。近支溝口山脊厚400～900 m，相對高差300～600 m。兩岸基巖多裸露，植被較發(fā)育，中高程2 160 m以上坡度一般為50°～55°，局部為緩坡地帶，高程2 160 m以下坡度達(dá)70°，多為懸崖峭壁。

1.2 地層巖性

研究區(qū)巖性為中粒花崗閃長巖、少量黑云母花崗巖(γδ52)，黑云母花崗巖混雜在花崗閃長巖中，局部較為集中；分布有后期熱氣液蝕變的花崗巖化和粘土巖化蝕變巖帶，蝕變巖帶中部多見方解石—石英巖脈等，巖性較為均勻，規(guī)模較大的蝕變巖帶發(fā)育規(guī)律性較強，與壩區(qū)構(gòu)造關(guān)系密切，同時發(fā)育較多不規(guī)則小蝕變巖帶，分布隨機。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩區(qū)構(gòu)造較為發(fā)育，無區(qū)域性斷裂通過，發(fā)現(xiàn)兩條規(guī)模較大的斷層(F4、F5)外，主要為沿蝕變帶分布規(guī)模較小的次生斷層，延伸數(shù)百米至千米，破碎帶一般寬10～30 cm，F(xiàn)4、F5破碎帶較寬，F(xiàn)5斷層破碎帶寬0.3～1.0 m，F(xiàn)4斷層破碎帶寬0.5～2.0 m，除斷層F4、F5外，其他斷層基本無影響帶，局部斷層附近裂隙發(fā)育。

1.4 風(fēng)化卸荷特征

(1)巖體風(fēng)化特征。據(jù)勘探揭示，壩區(qū)低高程2 110 m弱風(fēng)化水平深度15～25 m，中高程2 180 m弱風(fēng)化水平深度20～40 m，壩肩高程2 160 m局部見強風(fēng)化，弱風(fēng)化水平深度30～50 m。河床弱風(fēng)化垂直深度1～9 m。隨高程增加，巖體風(fēng)化增強，局部見強風(fēng)化。

(2)巖體卸荷特征。據(jù)勘探揭示，左右岸低高程2 110 m強卸荷水平深度5～10 m，弱卸荷水平深度20～30 m；中高程2 180 m強卸荷水平深度20～30 m，弱卸荷水平深度40～50 m；壩肩高程強卸荷水平深度30～40 m，弱卸荷水平深度50～70 m，左右岸卸荷程度基本一致，差別較小。隨高程增加，卸荷深度變深和強烈，臨空面較多的山脊巖體卸荷強烈。

2 無人機在某水電站危險源調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 無人機應(yīng)用背景

在自然條件或人類工程活動的影響作用下，自然邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到建設(shè)工程施工期和工程運營期的安全。為消除邊坡安全隱患，預(yù)測及防治危巖體及不穩(wěn)定塊體對工程區(qū)建筑物的影響，保障工程的順利施工和長期運行，以及施工期車輛、設(shè)備和人員的安全，需對工程樞紐區(qū)邊坡危險源進(jìn)行調(diào)查。

水電工程處在高山峽谷地區(qū)，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，大多數(shù)危險源分布在孤立的山脊上，通常山高路險，交通不便，甚至個別部位人力無法到達(dá)，同時，部分區(qū)域山高林密，植被發(fā)育，通視條件差。這些客觀現(xiàn)實條件往往造成現(xiàn)場地質(zhì)人員對部分地質(zhì)現(xiàn)象看不到、看不清或者看不全，給危險源的調(diào)查工作帶來極大的制約和安全隱患。現(xiàn)目前對危險源的調(diào)查主要存在以下幾點困難：

(1)危險源多分布在高程高或懸崖陡壁附近，調(diào)查人員很難實地靠近危險源，只能遠(yuǎn)距離判斷危險源的類型，依靠參照物大致估算危險源的尺寸，其誤差大，體積估算準(zhǔn)確性低；

(2)邊坡發(fā)育的植被對危險源形成一定遮擋，導(dǎo)致估算體積時產(chǎn)生誤差；

(3)危險源調(diào)查時，一般都沿已有勘探便道進(jìn)行觀測，并估算危險源尺寸，由于勘探便道修筑較少，使得觀測方向較為單一，體積估算誤差較大。

由于無人機具有機體小、重量輕、操作簡單、安全性好、使用費用低、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點，利用小型無人機航攝技術(shù)獲取危險源景象圖、地質(zhì)點坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，能夠顯著提高危險源類型識別和體積計算的準(zhǔn)確性。

2.2 某水電站危險源類型及其特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，某水電站樞紐區(qū)自然邊坡潛在危險源按成因及變形破壞類型分為兩大類：

(1)邊坡上部巖體發(fā)生崩塌等外動力地質(zhì)作用，墜落的塊體沿坡面運動，能量耗盡或受阻而停止下來的堆積物，尤其是規(guī)模相對較大的孤塊石，在暴雨、地震等誘因下可能重新運動，定義為“孤石”或“孤石群”；

(2)邊坡表層巖體受各種結(jié)構(gòu)面切割后，在孔隙水壓力、自重應(yīng)力等作用下沿一組或若干組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉裂(或剪切)破壞，而使被切割的地質(zhì)體處于極限平衡狀態(tài)(或近極限平衡狀態(tài))，也包括強卸荷巖體淺表部位側(cè)向及順坡向拉張，巖體架空、松動現(xiàn)象并呈塊裂～碎裂結(jié)構(gòu)，按規(guī)模大小定義為“危巖體”、“危石”或“危石群”，其中危巖體根據(jù)其變形破壞類型又可進(jìn)一步分為崩塌式、滑動式及傾倒式。上述危險源具體分類見表1。

表1 某水電站樞紐區(qū)自然邊坡危險源類型分類

2.3 無人機航攝對危險源的調(diào)查

針對該水電站危險源類型及其發(fā)育特征，通過對無人機航空攝影資料的提取和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查得出該水電站樞紐區(qū)范圍內(nèi)自然邊坡共發(fā)育50處危險源，其中左岸27處、右岸23處，獲取了各危險源(左、右岸)位置、類型、分布范圍、邊界條件等信息。該水電站危險源類型分別為危巖(WY)41處(見圖1)，危石(WS)3處(見圖2)，危石群(WSQ)3處(見圖3)，孤石群(GSQ)3處(見圖4)，樞紐區(qū)危險源類型以危巖(WY)為主，其占比達(dá)80%；左右兩岸危險源數(shù)量上相當(dāng)(左岸27處、右岸23處)，說明左右岸發(fā)育程度相當(dāng)，這與樞紐區(qū)左、右岸地質(zhì)條件相吻合，兩岸巖性、風(fēng)化卸荷及構(gòu)造斷裂發(fā)育程度及規(guī)律基本一致，僅局部地形完整性造成危險源發(fā)育程度、類型上的差異。

3 結(jié) 語

圖1 無人機航拍影像危巖(WY)提取 圖2 無人機航拍影像危石(WS)提取

圖3 無人機航拍影像危石群(WSQ)提取 圖4 無人機航拍影像孤石群(GSQ)提取

本文利用小型無人機航攝技術(shù)獲取某水電站危險源景象圖、地質(zhì)點坐標(biāo)及地質(zhì)邊界等信息，解決了高山峽谷地區(qū)水電工程中由于交通、安全等因素對現(xiàn)場危險源調(diào)查的制約和安全隱患，顯著提高了危險源類型識別和體積計算的準(zhǔn)確性，為邊坡的治理提供了可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。該水電站危險源類型分別為危巖(WY)41處，危石(WS)3處，危石群(WSQ)3處，孤石群(GSQ)3處，樞紐區(qū)危險源類型以危巖(WY)為主。

小型無人機具有高機動性、使用成本低、操作簡單等顯著的優(yōu)點，其在危險源調(diào)查中的成功運用，表明了其能夠較好地解決工程勘察中人力不可到達(dá)部位的地質(zhì)調(diào)查，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測、精細(xì)地形測量、線路路徑選擇等方面具有廣闊的使用前景。

[1] 黃潤秋，王士天，張倬元,等. 中國西南地殼淺表層動力學(xué)過程及其工程環(huán)境效應(yīng)研究[M]. 成都: 四川大學(xué)出版社, 2001.

[2] 孫云志,王頌,冉隆田,劉大顯,於汝山. 錦屏水電站大奔流溝料場高邊坡破壞模式分析[J]. 人民長江,2013(6):6-10.

[3] 徐奴文,唐春安,周鐘,等.基于三維數(shù)值模擬和微震監(jiān)測的水工巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013(7):1373-1381.

[4] 梁京濤,成余糧,王軍,等.基于無人機遙感技術(shù)的汶川震區(qū)典型高位泥石流動態(tài)監(jiān)測——以綿竹市文家溝泥石流為例[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2013(9):54-61.

[5] 高姣姣,顏宇森,盛新蒲,等.無人機遙感在西氣東輸管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010(6):126-129.

[6] 王鶴,劉軍,王秋玲.利用無人機影像進(jìn)行滑坡地形三維重建[J].測繪與空間地理信息,2015(12):68-71.

2017-02-06

胡亞東(1990-)，男，四川成都人，碩士，從事水電工程勘測設(shè)計工作。

P231;TV223

B

1003-9805(2017)02-0056-03