基于三維激光掃描技術的金沙江“11·03”白格堰塞湖應急測繪研究

李洪梁 施富強 王立娟 ，4 尹 恒 ，4 賈虎軍 唐 堯 1

（1.四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610000；2.重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610000；3.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；4.成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059）

2018年10月11日晚，西藏自治區昌都市江達縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣交界處金沙江右岸山體發生高位滑坡（簡稱“10·11滑坡”），堵塞金沙江干流河道，形成了堰塞湖，堰塞湖最大蓄水量達2.9億m3；10月12日17時，堰塞湖開始緩慢自然泄流，至13日20時，堰塞湖基本恢復常態，壩下水位平穩，險情得到有效控制。2018年11月3日17時，“10·11滑坡”的滑坡點后緣巖土體再次發生失穩滑坡（簡稱“11·03滑坡”），形成的堰塞壩比“10·11滑坡”堰塞壩高出約50 m，金沙江再次斷流，西藏自治區防汛抗旱指揮部迅速將堰塞湖防汛應急響應從Ⅳ級提升至Ⅱ級；11月7日凌晨，堰塞湖蓄水量達2.71億m3，水位上漲速度達0.3 m/h，形勢危急。災害發生后，國家各部委、西藏自治區和四川省各級人民政府迅速啟動應急響應，積極有序開展應急工作，為緩解災情和次生災害的發生起到了重要作用。重大危險源測控四川省重點實驗室迅速組織隊伍攜帶專業測繪儀器趕往現場，開展應急測繪工作。

堰塞湖一般為多種地質營力共同形成的自然地貌，主要是指在一定的地質與地貌條件下，由火山噴發或溢流巖漿、冰磧物、泥石流堆積體以及滑坡體等轉化為碎屑流，在河道內堆積形成橫向堤壩造成河道堵塞回水而形成的湖泊［1］。按其成因可分為滑坡堰塞湖、冰川堰塞湖和地震堰塞湖3類［2］。其中，滑坡堰塞湖主要發育在地形深切割區，是滑坡導致的嚴重次生災害之一。由于滑坡堰塞湖壩體為快速堆積形成，其結構處于未固結的松散狀態，在水流滲透作用下極易發生潰壩，嚴重威脅著下游公共基礎設施和人民生命財產的安全，同時隨著河道堵塞回水，上游村莊等也面臨淹沒危害［3-5］。因此，快速地科學預判堰塞湖壩體現狀、合理設置泄洪方式與泄流通道是解決上述潛在威脅的關鍵。

對于此類突發性地質災害，需在災害發生后快速、高效、高精度地獲取地質災害體區域的基礎地形數據，為應急處置工作提供基礎保障性資料。但由于地質環境惡劣、地形切割強烈，加上巖土體破碎，斜坡存在再次失穩的可能，傳統測繪手段難以滿足應急測繪的要求。與傳統測量手段相比，三維激光掃描技術具有數據獲取速度快、數據量大、精度高等特點，在非接觸式快速獲取地質災害體三維坐標信息的同時，還能存儲其真彩色信息，因此又稱為“實景復制”［6-9］。為此，本研究將三維激光掃描技術應用到金沙江“11·03”白格堰塞湖應急測繪工作中，利用應急測繪數據建立了堰塞壩三維模型，輔助進行了滑塌方量計算以及排洪設計等工作，并取得了良好的效果，為今后類似災害的應急處置工作提供了技術參考。

1 堰塞湖區域地質環境概況

金沙江“11·03”白格堰塞湖位于金沙江上游河段，發育典型的“V”型谷，山脊與河流走向大致呈NW—SE向展布，海拔2 850～3 750 m，相對高差近900 m，屬于高山深切割區。區內風化作用極為強烈，晝夜溫差大，年均氣溫約5℃，年均降雨量近630 mm，為高原型大陸季風氣候。

在大地構造位置上，白格堰塞湖地處金沙江蛇綠巖帶SN向構造混雜巖帶北段（圖1（a））。受板塊俯沖、碰撞及造山作用的影響，區域構造線主體呈NW—SE向展布，發育特征性的褶沖構造體系（圖1（b））。地層由老至新依次為：元古界雄松群（Ptxna）花崗片麻巖，海西期（D2-P1）蛇紋巖（ψω4），上石炭統石人溝組（C2sh）生物碎屑灰巖，上三疊統松多組（T3x）灰巖與碎屑巖互層，上三疊統金古組（T3jn）灰巖。區內巖漿巖分布廣泛，但巖性單一，主要為二長花崗巖（ηγ52b）和花崗閃長巖（γδ52a）。與本次山體滑坡形成的白格堰塞湖密切相關的地層單元為元古界雄松群（Ptxna）花崗片麻巖和海西期（D2-P1）蛇紋巖（ψω4），其中花崗片麻巖巖石破碎，除了發育產狀為251°∠44°的片麻理外，還發育典型的“X”型共軛剪節理，產狀分別為55°∠81°和124°∠77°。區內蛇紋巖結構松散，已發生強烈的黏土化?？梢?，大陸碰撞造山形成了復雜的構造組合體系，加上高原地區特有的強物理風化作用，導致區內巖土體極為破碎，是導致本次災害發生的主要因素。

2 數據采集與處理

本次應急測繪工作選取的掃描儀為奧地利RIEGL公司生產的VZ2000i三維激光掃描儀，具體參數如表1所示。

由于高位滑坡形成的堰塞壩上亂石堆積（圖2），極易阻擋掃描視線，為保證壩體區域數據采集的完整性和相鄰站點之間的重疊度，本次掃描共設置了10個掃描站點，并通過建立基準站的方式利用RTK精確采集各站點坐標。數據采集時間為2018年11月7日14—18時。

點云數據獲取后，首先利用RiSCAN PRO軟件對各站點點云數據進行坐標賦值，將點云配準到WGS-84坐標系下；然后通過數據精拼（MSA）獲得了精度為0.008 4 m的點云數據；最后進行去燥、植被剔除等處理之后，得到符合要求的堰塞壩及周緣區域的點云數據（圖3）。

3 應急測繪應用

3.1 快速地形測量

地形圖是災情發生后決策指揮部門制定應急決策的依據，更是后期設計及施工單位進行災害治理的基礎數據。三維激光掃描技術作為測繪領域的新技術，突破了傳統的單點測量，能在短時間內快速獲取地質災害區域的地形數據，并且經過眾多專家學者驗證，其精度完全能滿足大比例尺地形測繪的要求［11-16］。

在獲取堰塞湖壩體區域的三維激光點云數據之后，按照1 m間距利用RiSCAN PRO將圖3所示的點云抽稀，導出.dat文件，采用CASS9.1軟件展點繪制地形線，經整飾后得到堰塞湖壩體區域的最終地形圖，如圖4所示。

3.2 滑坡方量計算

本研究通過兩期DEM疊加的方式計算本次滑坡方量。采用MapTek I-Site Studio軟件將白格堰塞湖區地形數據生成DEM（圖5（a）），并以四川省測繪地理信息局測繪技術服務中心提供的滑坡之前的1∶50 000 DEM數據為底圖（圖5（b）），將兩期DEM數據疊加得到滑坡體的堆積范圍（圖6），利用“填挖方”模塊計算得出本次滑坡方量約554萬m3。

3.3 排洪斜槽參數設計

堰塞湖形成后，堵塞體通常會被沖刷、侵蝕、溶解，一旦發生大規模破壞，湖水便漫溢而出，傾瀉而下，形成洪災，極具破壞力。因此，堰塞湖形成后的關鍵問題是采用何種方式處置該堰塞湖，以減輕或消除后續災害的損失［4，17-22］。一般情況下，常見的堰塞湖處理方式有爆破、挖槽、加固3種方式［23］。經實地調查后發現，本次滑塌形成的堆積體以泥土或粉沙質泥土為主，與大顆粒碎石角礫的比例約為7∶3，若采用爆破方式處置，極易造成兩岸山體的二次滑坡，此外，面臨水位的快速上漲，加固處理顯得效率較低。鑒于嚴峻的形勢，經過論證，本研究采用人工挖槽泄流的方式處置白格堰塞湖。

為此，在利用三維激光掃描數據獲得的壩體區域高精度DEM數據的基礎上，利用3D Mine軟件對排洪斜槽進行了參數設計。在壩體DEM上，選取地勢相對低洼處作為排水斜槽通道（圖7），合理設置斜槽坡降，并充分考慮水位上漲速度，設計了分級“倒梯形”斷面（圖8），泄流槽長度約226 m，最大頂寬38.1 m，底寬3 m，最大開挖深度13.3 m，坡度約1∶1.11，計算得出排洪斜槽開挖方量約26 716.5 m3。

按照排洪斜槽參數，本研究于2018年11月9日組織首批施工隊伍進駐現場開挖排洪斜槽。2018年11月12日，金沙江“11·03”白格堰塞湖通過人工開挖的排洪斜槽開始過流，并于11月16日水位基本穩定（圖9），險情得到有效緩解。

4 結 論

（1）將三維激光掃描技術應用于金沙江“11·03”白格堰塞湖的應急處置工作中，利用掃描的點云數據獲得了壩體區域的大比例尺地形圖，建立了壩體區域的DEM，通過滑坡前后兩期DEM數據疊加概算了滑坡方量，并利用3D Mine軟件輔助設計了排洪斜槽參數，為堰塞湖搶險工作的科學、快速決策提供了堅實的技術支撐。

（2）本次堰塞湖搶險工作的成功處置也證實了三維激光掃描技術在地質災害應急測繪中優勢明顯，不僅能快速精確地獲取地質災害區域的大量點云數據，有效節約時間和人力、物力，而且能非接觸式地對深切割、易垮塌區等危險區域進行外業數據采集，保證了人員和設備的安全，對于今后類似地質災害應急測繪工作具有一定的借鑒意義。

致 謝

現場數據采集過程中得到了中華人民共和國水利部、中國安能建設集團（原武警水電部隊）、西藏昌都市安全生產監督管理局等單位現場救援人員的鼎力支持；陸軍工程大學野戰工程學院龍源教授、謝興博教授，國家水利部水利科學院張永哲工程師，長江水利委員會長江科學院爆破與震動研究所劉美山總工程師和西藏自治區國土資源局劉鴻飛高級工程師等在現場進行了諸多有益指導，在此一并表示感謝！