近景攝影測量在斷裂結構精細化勘測中的應用

張培興ZHANG Pei-xing；劉紫嬋LIU Zi-chan；劉帥LIU Shuai

（①河北經貿大學管理科學與工程學院，石家莊 050061；②河北地質大學，石家莊 050031）

0 引言

斷裂是在長期地質歷史作用過程中形成的缺陷，廣泛地分布于地殼上，對于人類工程建設及生產生活具有不可忽視的影響，需要圍繞其展開地質勘測[1-3]。特別是重大工程項目，必須要對其周圍的斷裂進行詳細的勘測及分析，包括斷裂內在結構特點、斷裂的控穩控水特征等[4-6]，以便更穩妥地推動工程建設。

由于斷裂具有隱伏性，往往需要采用探槽、鉆孔及物探等方式對其進行探查，其中由于探槽受地形限制小且易于開挖揭露斷裂結構而被廣泛運用。如常祖峰等[7]在中緬交界蘇典斷裂根據探槽觀察結合樣品測年判識出其活動特征；張波等[8]在阿拉善地塊中通過探槽探究了斷裂的性質，并運用光釋光測年判斷了該活斷層的最新活動時代；畢楊楊等[9]借助斷層探槽觀測解譯的空間位置及斷層氣氡測量對石棉斷裂活動性形成了判斷；楊攀新等[10]在新疆博羅可怒-阿齊克都克活動斷裂研究中，基于新挖的探槽，利用沉積物光釋光年代和地震關系分析，確定了艾比湖段和精河以東段最新活動時代及古地震期次信息等。

然而針對上述斷裂開展的探槽觀測多為傳統的素描及部分拍照，對于如核廢料處置工程項目場址斷裂的內在結構及其控水特征相關探索顯然無法滿足實際需求。基于此，如遇到斷裂控水問題探究時，本文建議在已有探槽或新開挖的探槽基礎上，可考慮以近景攝影測量為主要技術手段，輔以地質素描與現場影音記錄，展開斷裂結構精細化勘測。

1 研究方法

近景攝影測量是近些年發展起來的非接觸式測量技術，得益于嚴密的測量理論與性能不斷升級的拍攝硬件，可以為研究人員提供帶有三維坐標的高精度影像模型，經過識別提取等，方便研究者較易獲得被測目標的幾何關系及數量等數字化信息，還可以將影像模型導入3D渲染軟件實現模型動態展示。目前近景攝影測量已廣泛應用于隧道內地質災害超前預報、古建筑保護與資源開發、高陡邊坡穩定性分析、建筑物數字測繪等[11-12]。

近景攝影測量解譯計算中的四個主要變量為圖像平面坐標系，空間三維坐標系，相機模型，外方位元素。每一個可以是輸入量或輸出量。建模的基本思路是：通過已定出的圖像中裂隙面標識點的平面坐標與圖像中控制點空間三維坐標求解出外方位元素，然后建立所求點的平面坐標系，與外方位元素作為輸入值，求解出所求點（裂隙面標識點）的三維坐標。建立三維探槽模型及解譯工作流程具體如圖1所示。

值得注意的是在進行攝影測量前，針對選取的典型斷裂探槽應進行必要的人工清理，以便揭露出新鮮的觀測面，然后在其內設立不少于6個的控制點，控制點可以是框架式控制點或者貼紙式控制點（如圖2），采用免棱鏡全站儀測取控制點高精度三維坐標。拍照設備建議采用不低于2400萬像素的單反相機，多角度進行連續拍攝時要盡量保證前后圖像重疊率在50%～70%以上為宜。

2 適用項目

本文所述研究方法主要是面向斷裂內部結構及其控水特征問題：斷裂多尺度裂隙水力聯系判定，場區邊界控水斷裂距離避讓與斷裂分區防滲注漿設計優化等。具體來說，文中提出的研究方法可適用于地下工程周圍區域有斷裂或項目本身需穿越斷裂的項目，典型的如核廢料地下深埋處置、隧道突水突泥識別與防治、巷道巷井滲涌水防治等項目，亦可兼顧服務于地下硐室穩定性分析與加固。

3 研究案例

案例一：本文所選的第一個探槽位于我國西北核廢料地下處置工程項目某預選場址邊界斷裂（走向大致為東北向）。作者等對該典型斷裂探槽進行擴槽清理后開展近景攝影測量獲得了三維模型（如圖3所示，其中Y軸為北方向），經過三維模型旋轉觀察判斷可對斷裂結構進行單元劃分，即可分為斷裂上盤損傷帶、斷裂核部碎裂碎粉偶夾斷層泥條帶以及下盤損傷帶，進一步可以利用模型展開“微創手術式”取樣點標記，作者等在斷裂核部標記選出斷層泥試驗樣品（031-1樣）、碎粉碎粒樣品（031-2樣）無尺寸效應的樣品2件，上盤損傷帶樣品1件（031-3樣），時隔數月再次調取三維取樣后的探槽模型與樣品資料，編錄人員能夠準確實現樣品與取樣點的一一對應，這將有助于預選區內探槽數字化批量化編錄與取樣。

通過旋轉探槽模型觀察定位核部與損傷帶邊界后利用測尺量測（已結合控制點將探槽模型轉化為實際尺寸），可較易獲得一次斷裂核部寬度為2.77m，其精度達厘米級，如圖4（a）所示，通過多次量測取均值，獲得核部寬度約為2.90m。此外，經過攝影測量建模及解譯初步獲得斷裂下盤損傷帶約30條裂隙面產狀統計數據經過Dips軟件成圖，可得裂隙優勢產狀（如其中一組優勢產狀為50°∠55°），如圖4（b）所示。對裂隙面優勢產狀聚類分析后，便能對近核部不同裂隙巖樣是按照無尺寸效應樣品還是按照具有尺寸效應的樣品提出針對性的取樣方案等。

綜合以上模型獲得數據可更進一步指導室內外精細化水文試驗設計以及開展斷裂控水規律探究，作者等已于近期展開了一部分有關斷裂結構及控水特征的定性探討工作，具體參閱文獻[13]。

案例二：本文所選取的第二個探槽位于我國西北核廢料處置工程某預選場址外數公里處的特大斷裂帶（走向大致為北東東向）。該探槽內清晰揭露出了斷裂從上盤至下盤整個結構單元的變化情況，李煜[14]選取槽內露頭良好的巖塊對其進行了近景攝影測量（如圖5（a）），在模型的基礎上通過影像灰度處理等過程，標記出此巖塊內含有三組不同產狀特征的裂隙面信息（如圖5（b）），在裂隙面跡線統計信息的基礎上對該塊進行了巖體體積節理數估測等，綜合條數法與間距法獲得了其巖體體積節理數為23條/m3，經轉換得該巖體完整性系數轉為0.31，查閱《工程巖體分級標準》中巖體完整性系數與定性劃分的巖體完整程度對應關系表判斷，該探槽內巖體屬于破碎巖體，進而推測其導水性能良好。顯然，本研究還可以進一步疊加對應位置的滲透試驗系數，對比分析節理密度與滲透系數之間的關系，斷裂橫向上則對比分析不同構造單元的參數變化等，這將是斷裂探槽攝影測量的一個有益探究方向。

4 結論

本文立足斷裂控水問題，提出應重視運用近景攝影測量技術對其探槽內揭露的斷裂信息進行捕獲，通過兩個典型案例研究可以看出其不僅可以提供三維模型，更能夠借助模型統計獲得斷裂內部各單元組構特征、裂核部寬度、裂隙面優勢產狀、取樣及裂隙密度等，不論從信息提取量還是從精細化程度與準確性上看，是以往傳統地質素描所不能比擬的，值得更深入的擴展研究并加強有關應用。

由于近景攝影測量技術形成的資料為數字化產品且便于計算機讀檔調取，可以考慮嘗試構建基于互聯網與云共享技術的數據研判分析協同平臺，以求更好地實現現場技術人員與異地專家共同“會診”。

最后，面對各類觀測技術如物探、化探、高精度航測、GPS-RTK以及本文研究的近景攝影測量技術等不斷發展的這一形勢，作為勘探行業的從業者與研究人員不要只關注一種方法，而應重視這些技術的融合應用，以便更好地服務于工程建設。

致謝：感謝南京理工大學章楊松教授在野外試驗觀測中提供的攝影測量技術指導與相關基礎資料支持。