庫區(qū)水位影響下基于無人機測繪的滑坡易發(fā)性預測研究

陳小雄

(江西省吉安市水利水電中心,江西 吉安 343009)

0 引 言

水電站的修建會給周邊地區(qū)的地形、地貌、生態(tài)等帶來不同程度的變化,并將對周邊地區(qū)的坡體穩(wěn)定性產生不同的影響[1]。在水庫修建竣工并蓄水后,庫水位線的改變將導致庫岸斜坡失穩(wěn),從而導致新滑坡體的產生與舊滑坡體的活化。因此,有必要對庫區(qū)滑坡災害易發(fā)性進行研究[2]。

為此,許多學者進行了相關研究。王毅等[3]為了挖掘滑坡系統(tǒng)存在的規(guī)律性問題,提出一種結合神經網絡與Stacking集成學習技術的滑坡災害易發(fā)性預測手段,最終的仿真實驗驗證了所提出方法的有效性。周秀全等[4]針對水庫復雜的地質條件和水位條件,構建了一種基于層次分析法的滑坡危險性計算評價方法,在MapGIS軟件上的評價結果表明所提出方法的有用性。韓笑男[5]構建了一種基于卷積神經網絡的水庫滑坡預測模型,該模型結合經驗模態(tài)分解算法和高斯函數,以實現對滑坡位移的預測,最終實驗驗證了所提出模型的良好預測性能。

上述文獻均未考慮庫水位的升降對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。因此,本文在考慮庫水位因素對庫岸邊坡易發(fā)性影響的基礎上,構建合適的庫區(qū)滑坡災害易發(fā)性評價指標體系。同時,基于無人機測繪技術,構建滑坡三維表面模型,研究成果可為庫區(qū)滑坡災害的防治工作提供參考。

1 基于無人機測繪的滑坡易發(fā)性預測模型研究

1.1庫區(qū)水位影響下庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標體系構建

水庫水位在一定范圍內呈現出周期性和規(guī)律性的波動,這是由于自然降雨和人工調蓄等多種因素的影響所致。水庫不同階段的運行方式,對其產生的效果也不一樣。在水位充沛時期,河的流量相當可觀,因此水庫通常會通過放水來維持低水位的運行狀態(tài)。在干旱季節(jié),水庫水位則會保持在高位運行[6]。

庫水升降是一個復雜的動態(tài)過程,其變化規(guī)律和地下水運動相似。圖1為地下水位線與庫水位變化之間的相互關系。在水庫的運行過程中,庫水位的上升和下降將對庫岸邊坡坡度產生多種不同的影響。當水位處于一定高度或在某一位置時,由于水體浮力的原因,將引起庫區(qū)內巖體產生位移,并導致岸坡變形破壞[7]。在低水位時期,庫岸邊坡一直處于淹沒狀態(tài),這是由于庫岸邊坡水巖間的物理、化學和力學相互作用所導致。隨著高水位期的到來,水庫水位的上升導致被水淹沒的區(qū)域面積擴大,同時水巖作用的影響范圍也相應擴大。

圖1 地下水位線與庫水位變化之間的相互關系

當水庫蓄水時,由于土中存在一定的自由水,導致土顆粒間發(fā)生相對位移,從而產生滲流作用。地下水位線隨著庫水位線的升高而升高,使邊坡受水位線影響的區(qū)域逐步增大。地下水從坡頂向上滲透至上部巖層,形成裂隙并向外發(fā)展,同時沿層面向下滲流。在這種情況下,由于水對巖體的潤滑,使其摩擦系數減小,斜坡下層的穩(wěn)定程度下降,斜坡更易發(fā)生變形。隨著庫水位的下降,坡體內的地下水位也隨之呈下降趨勢。當庫岸處于浸潤線以上時,在降雨或地震等因素作用下,坡體中容易出現滑坡現象。在考慮地下水滲流作用時,坡體內形成超靜孔壓。隨著水位的逐漸降低,超孔隙水總體上呈現出逐漸減小的態(tài)勢。當達到一定高度時,邊坡土體中發(fā)生應力重分布現象。在水庫運行過程中,庫水周期漲落、干濕交替等因素會對庫岸坡地巖土產生強烈的物理、化學及力學效應,從而降低庫岸坡地的巖土強度和坡地的穩(wěn)定性。

在評估水庫擾動對滑坡易發(fā)性的影響時,必須建立一個全面的評價指標框架。通過對已有研究成果進行總結分析發(fā)現,目前對于庫水位變化下坡腳處巖體強度參數的確定方法有很多種。本研究主要探討庫水位升降對庫岸坡巖體穩(wěn)定及滑坡體變形破壞過程的影響。首要考慮巖土體所處的地質環(huán)境因素[8];其次為與人類工程活動有關的水庫擾動因素;自然因素如降雨、地震等所引發(fā)的影響,也是不可忽視的。在研究庫水位擾動對滑坡易發(fā)性影響因素時,必須綜合考慮地質環(huán)境、誘發(fā)因素以及庫水位變化對邊坡的影響,以確保研究結果的準確性和可靠性。通過分析不同指標間的相互關系及權重確定方法,可將上述各方面的影響因子作為一個整體進行考量。本次研究所構建的庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標體系見圖2。

圖2 庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標體系

滑坡是由各種因素引起的,除水庫水位漲落外,還與地形、降雨和地震等因素有關。其中,高程的變化會對滑坡的植被覆蓋率、坡體應力以及巖土體的含水率產生影響。滑坡災害的發(fā)生與坡度息息相關,隨著坡度的增大,巖土體向下滑動的勢能也隨之增大,從而增加了滑坡發(fā)生的風險。地形地貌是滑坡災害形成的重要因素之一,其凸起程度越高,所受外力的影響也越大,從而更容易導致破壞和形變。降雨使巖體的容重增大,使巖土體的抗剪切強度和摩擦系數減小。在此情況下,雨水會沿著軟弱結構面進入到坡體內,從而誘發(fā)邊坡失穩(wěn)并產生滑坡災害。地震常常伴隨著地質災害的發(fā)生,如滑坡、崩塌、地裂縫、泥石流等,這些災害對滑坡穩(wěn)定性構成了巨大的威脅。此外,斷層距離、距河流距離等也可作為評價滑坡易發(fā)性的指標。

假設庫區(qū)A的易滑性指標為DA,距大壩的距離為S,運行周期為T,河流速度為V,則其易滑性指標的函數表達式為:

DA=f(S,T,V)

(1)

將地質環(huán)境因素、與人類工程活動相關的水庫擾動因素以及自然誘發(fā)因素進行分析后,可得出水庫滑坡易發(fā)性評價指標公式:

P=f(H,M,N)

(2)

式中:P為水庫滑坡易發(fā)性指標;H為地質環(huán)境因素;M為自然誘發(fā)因素;N為與人類工程活動有關的水庫擾動因素。

1.2結合無人機測繪技術的滑坡易發(fā)性預測方法研究

隨著無人機航測技術的日益精進和不斷拓展,其在多個領域中展現出卓越的應用成效。其中,以測繪工程領域最為突出。無人機航測具備靈活多變等優(yōu)勢,具有快速起飛的能力,在測繪過程中能夠有效發(fā)揮應急功能,從而大大提高測繪工作效率[9]。其次,運用無人機進行航測,可使測繪工作的科學性和安全性得到有效保障。目前,我國大部分地區(qū)的水利工程中已經開始采用無人機的測量方式,來完成對地形地貌等信息的采集工作,使水利工程的施工建設更加便捷、高效[10-11]。在復雜環(huán)境中,無人機航測以其小巧的體積和無需使用其他技術處理即可實現清晰數據收集的特點,極大地提升了水利測繪的效率和質量。第三,在無人機的航測起飛和降落過程中,無需耗費過多的能源成本,在一定程度上實現了資金成本的節(jié)約。圖3為固定翼型無人機,具有較好的控制性和抗風能力。

圖3 固定翼無人機結構及其數據傳輸示意

無人機遙感技術以其高度的機動性、卓越的實時性和低廉的成本,快速成為獲取地理數據的高效平臺。小型數碼相機搭載于無人機上,能夠捕捉到滑坡的影像和表面信息?；诘涂蛰o助飛控數據建立的影像拓撲關系,可實現滑坡地形的全自動三維建模,并生成包含色彩信息的三維點云數據,從而提升建模效率。所獲得的數據能夠以形象、直觀的方式,呈現滑坡體的空間分布特征和局部細節(jié)結構,從而為建立滑坡預測模型和有效評估滑坡穩(wěn)定性提供了可靠的基礎。利用無人機進行航拍,可直觀地評估滑坡的影響范圍和體積,為初步估算滑動力和制定滑坡治理方案提供可靠依據。

通過分析機載激光雷達原理,本研究建立一套高精度的激光測距算法。該算法利用三維激光獲取的滑坡面點云數據,經過點云配準、數據重采樣、去噪和數據分割等多個步驟,構建一個高精度的滑坡三維表面模型。為了處理無人機影像相幅較小的問題,需要進行影像拼接,并對拼接后的無人機影像進行幾何校正。即先將成像數據投射到一個平面,再對成像結果進行修正,使成像結果符合校正的要求。最后,將無人機航測數據作為紋理信息添加到點云表面模型上,即可得到一個滑坡現場三維模型。

2 基于無人機測繪的滑坡易發(fā)性預測模型性能檢驗

本研究以一處引水工程區(qū)域為案例,預測其滑坡易發(fā)性。研究區(qū)范圍88.33km2,陸相巖層主要為板巖,降水、地震等多個因子與研究區(qū)的總體情況相近。因此,本次研究中采用定性與定量相結合的方法,對該地區(qū)開展滑坡地質災害調查工作。通過對本研究區(qū)域的地形地貌、地質構造和災害特征進行綜合研究,選取高程、坡度和坡向、距斷層距離等評價因子,構建庫區(qū)滑坡災害易發(fā)性評價指標,以預測該區(qū)域的滑坡易發(fā)性,最終確定出各影響要素對于滑帶土強度參數的重要程度,從而指導當地地質災害防治工作的開展。

首先,運用無人機的測繪技術獲取相關數據,并對其所得的測繪結果進行全面的評估和分析。圖4為該區(qū)域某一滑坡的地形地貌和點云三維模型,該模型是通過無人機技術所得。利用三維激光掃描技術,能夠獲取滑坡的點云數據,并對其進行精細的處理和建模,從而得出滑坡現場的地形地貌信息,為后續(xù)的分析工作提供可靠依據。

圖4 滑坡的地形地貌和點云三維模型

圖5為滑坡災害空間分布特征。圖5(a)顯示,滑坡災害點主要集中于2 000m之下。植被覆蓋率、植被類型、土壤類型、土壤含水量和地形梯度對土壤水分的影響,在不同的海拔水平下具有明顯的差異。由于人為活動影響較小,因此高海拔區(qū)域發(fā)生滑坡地質災害的幾率也相對較低,滑坡災害的分布呈現出逐漸減少的趨勢。從圖5 (b)可以看出,在15°～30°之間,大部分發(fā)生了滑坡災害;在30°以上,隨著坡度的增加,滑坡危險性逐漸減小;坡面的坡度不但影響著坡面上的植被覆蓋與松散堆積,還影響著坡面內外含水量;對于坡面較陡和坡高較大的地區(qū)而言,坡體上可能會形成一個穩(wěn)定或不穩(wěn)定的區(qū)域。因此,如果沒有足夠的降雨就很難導致滑坡的出現。隨著坡度的增加,滑坡發(fā)生的概率呈現出一個先上升后下降的趨勢;當坡度趨近于垂直時,崩塌災害的風險顯著增加。圖5(c)顯示,滑坡災害點主要集中在距離斷層500m范圍內。圖5(d)顯示,滑坡災害點在順傾關系區(qū)域分布較多,在垂直區(qū)域分布較少。

圖5 滑坡災害的空間分布特征

圖6為不同坡度方向下滑坡災害的分布狀況。斜坡表面的物質發(fā)育、地下水分布以及巖土物理力學性質,受到不同坡向光照強度的影響程度各異。通過對滑坡災害點分布和坡向圖的疊加分析可以發(fā)現,東、東南和南向的滑坡災害點分布較為密集,且在各個坡向均有分布。

圖6 不同坡度方向下滑坡災害的分布狀況

表1為庫水位變化對滑坡易發(fā)性的影響和其潛在的滑坡風險。在水位下降時期,高易發(fā)區(qū)所占比例達到最高水平。在同一時期內,不同區(qū)域受降雨因素的作用程度也不一樣,其中高發(fā)區(qū)所占比重最大。在低水位期,研究區(qū)總面積中,高發(fā)區(qū)面積較小,主要分布在東部和西南部地區(qū)。在水位上升階段,研究區(qū)總面積中,高風險區(qū)占比8.67%;中風險區(qū)占比17.98%;低風險區(qū)占比53.66%;極低風險區(qū)占比19.69%。隨著水庫水位的上升,滑坡易發(fā)性面積呈擴大趨勢。庫岸滑坡災害的易發(fā)性受水位下降期的影響最為顯著,這一時期在庫水位4個時期中占據著重要地位。在不同的水位條件下,滑坡的易發(fā)性程度存在差異。

表1 不同庫水位影響下的滑坡災害易發(fā)性結果

3 結 論

針對庫區(qū)水位周期性變化對庫岸邊坡穩(wěn)定性的不利影響,本次研究構建了基于庫水位變化的庫區(qū)滑坡災害易發(fā)性評價指標體系。同時,提出了基于無人機測繪的滑坡三維表面模型。本研究以一處引水工程區(qū)域為案例進行實證分析,研究結果顯示,滑坡災害點主要分布在高程2 000m以下、坡度15°～30°之間;東、東南和南向的滑坡災害點分布較為密集;隨著水庫水位的上升,滑坡易發(fā)性面積呈現出擴大的趨勢。