基于地面三維激光掃描的南港危巖崩塌穩定性評價

冉淑紅 鄭藝龍 張長敏 賀瑾瑞 郝春燕 楊博 吳家悅 于兆林 張文麗

摘 要：崩塌是北京地區最為頻發的突發地質災害類型，因多分布于高陡斜坡，具有較高突發性和危害性，其勘查工作是長期困擾工程技術人員的難題。利用三維激光掃描技術對北京市門頭溝區南港崩塌進行調查，結合點云數據和高清影像數據，構建崩塌三維空間模型，獲取崩塌結構面和危巖體特征參數，評估危巖體穩定性和危害性。基于空間模型，自動識別及提取69組結構面信息，將其歸納為4組。利用4組節理面對坡體和危巖體的穩定性進行計算，結果表明，研究區易沿J1結構面發生傾倒式崩塌，易沿J2和J3結構面切割形成的楔形體發生滑移式崩塌。3處典型危巖體，在正常工況下1處為欠穩定，2處為基本穩定，在暴雨和地震條件下，1處為不穩定，2處為欠穩定。落石運動軌跡模擬分析顯示98，6%的落石會撞擊或經過居民房屋，直接威脅居民人身安全。

關鍵詞：三維激光掃描；南港崩塌；危巖體；穩定性評價

Stability evaluation of rock collapses in Nangang village with 3D laser scanning

RAN Shuhong1， ZHENG Yilong1， ZHANG Changmin1， HE Jinrui1， HAO Chunyan1，

YANG Bo2， WU Jiayue1， YU Zhaolin1， ZHANG Wenli2

（1.Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China；

2.Beijing Tianhe Daoyun Technology Co.， Ltd. ， Beijing 10085， China）

Abstract： Rock collapse is the most frequent type of sudden geological hazards in Beijing area. Mostly developed on high-steep slopes， this kind of collapses is difficult to investigate through the traditional contact survey method. In this paper， the three-dimensional （3D） laser scanning is used to investigate Nangang rock collapse in Mentougou District， Beijing. By combining the point cloud data and high-definition image data， the 3D space model of the Nangang collapse is constructed. On this Basis， the development characteristics of structural planes in the study area are analyzed， and three typical dangerous rock masses are selected for characteristic parameters. These parameters provide data support for the stability analysis of dangerous rock masses. Rockfall software is used to simulate and analyze the movement track of these typically dangerous rock masses， and the danger posed by rock collapses to nearby houses is studied. The results of this work provide important references for the exploration and stability evaluation of rock collapses in Beijing.

Keywords： 3D laser scanning; Nangang collapse; dangerous rock mass; stability evaluation

北京是世界上地質災害較為嚴重的首都城市之一，其中崩塌災害發生的頻度和廣度最大（王海芝等，2020；李巖等，2023）。在北京現有的突發地質災害隱患點中，崩塌隱患點占比約75%，北山的一個隱患點僅2022年就發生了3次崩塌。相對于滑坡、泥石流等地質災害，崩塌災害分布更廣，更具隱蔽性、突發性和多發性，其監測工作也更為困難，因而快速實現應急勘查和穩定性評價工作極為重要。

自20世紀90年代中期以來，三維激光掃描技術已被廣泛應用于土木工程、自然災害調查、文物古跡保護等各個行業領域（馬福貴等，2017；朱杭琦等，2022；王永剛等，2023），在地質災害防治工作中體現出較大優勢，取得了理想的應用效果（董秀軍等，2006）。Du Jiachong等（2007）通過三維激光掃描和GPS技術對臺灣西北部山區的一處滑坡進行了體積估算；褚宏亮等（2015）以重慶南川甑子巖危巖體為例，提出采用三維激光掃描技術對高陡危巖、大型崩滑災害變形進行監測、分析；劉昌軍等（2011）應用激光掃描技術對巖體結構面進行了半自動統計研究，得到了邊坡裂隙結構面分布規律和幾何信息，提高了分析的效率和精度；Ji Haowei等（2019）通過融合三維激光掃描和無人機影像數據，對滑坡區3D地形特征進行重建；李俊寶等（2020）以重慶市武隆縣雞冠嶺的危巖體為研究對象，探討了3D激光掃描技術在危巖體變形監測中的應用；Tarolli等（2020）總結了三維激光掃描的原理和發展現狀，并以AKatani 滑坡為例探討了其在滑坡分析中的應用。綜上所述，三維激光掃描技術越來越多地被應用于地質災害工作中。

與全站儀、GPS等傳統的單點測量不同，三維激光掃描技術實現了對觀測對象面的測量，在地質災害勘查中具有非接觸測量、數據采樣率高、精度高等優勢（許偉等，2015；劉錦程，2012；Barbarella et al.，2015）。對于坡體較陡，且相對高差較大的斜坡，人工現場調查難度大，危險性高，采用以地面三維激光掃描技術為主，現場調查為輔的手段對研究區全面調查、分析、評價，取得了良好效果。本文采用地面三維激光掃描技術開展南港崩塌調查，獲取地形點云數據和高清影像資料，建立空間模型，獲取崩塌結構面和危巖體特征參數，分析評估危巖體穩定性和危害性，研究成果對三維激光掃描技術在北京地區崩塌災害防治和預警工作具有重要參考價值。

1 ?研究區概況

南港崩塌位于北京市門頭溝區王平鎮東部的低山區，屬地質災害高易發區（趙越等，2015；葉澤宇等，2023）（圖1）。該區總體地勢西高東低，崩塌所在坡體相對高差31 m，傾向50～110°，傾角較陡，約35～90°；坡寬約72 m；斜坡頂部較為平整，有長約40 m、寬約10 m的空地。坡體下方為村民房屋，一旦發生崩塌災害，將威脅下方村民生命財產安全。

邊坡頂部和底部有雜草灌木，以灌木為主，覆蓋率達80%以上。通過地質雷達、電法勘探和槽探揭示，研究區坡體物質組成主要為第四系坡積物和侏羅系窯坡組一段砂巖，砂巖上部強風化，中下部為中風化。第四系坡積物厚度0.5～1.5 m，以碎石土為主；強風化砂巖厚度4～5 m，呈破碎狀，無優勢節理；中風化砂巖主要分布在坡體中下部，厚約13 m，呈灰黑色，總體傾向165～175°，傾角15～25°。

研究區構造上處于北京西山坳陷，九龍山向斜北翼西北部。九龍山向斜為一復式向斜，軸的走向大致為北東60°，軸長逾30 km。向斜核部由九龍山、龍門組、窯坡組及南大嶺組構成，外圍間斷分布二疊紀、石炭紀地層，北翼還出露奧陶紀、寒武紀地層，兩翼地層北翼陡南翼緩（唐春雷等，2015）。區內巖體節理裂隙發育，大部分裂隙上下貫通，裂隙寬5～100 mm，巖體在切割作用下呈裂隙塊狀，裂隙內多有泥土充填（圖2-a）。受構造影響，研究區易發生崩塌災害，已出現落石現象，坡腳可見大量崩落的石塊（圖2-b），塊徑0.2～0.8 m，隱患點對坡下居民、建筑有較大威脅。

2 ?三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，是測繪領域繼GPS 技術后的又一次技術革命。它采用非接觸式高速激光的測量方式，無需在現場布設標靶，在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量，獲得點云數據。海量點云數據經過三維重構可再現危巖崩塌現狀，并輸出相關成果，為危巖體穩定性分析提供基礎數據（王首智，2014；王梓龍等，2016）。

三維激光掃描儀主要由硬件和軟件兩部分組成，可分為手持激光掃描儀、地面激光掃描儀和星載（機載）激光掃描儀。針對南港崩塌隱患點的特殊地質條件，考慮到精度和儀器有效工作距離因素，本次掃描工作選用了地面激光掃描儀——Maptek I-Site 8820超長距離三維激光掃描儀。其有效測距為2.5～2 000 m，采樣率為80 kHz，精度為毫米級（表1）。Maptek I-Site 8820集成高分辨全景同步數碼相機，采用配套的I-Site Studio 6.0數據后處理軟件完成數據處理工作。

2.1 ?外業數據采集

外業數據采集主要是選擇合適的架站位置（圖3）和合適的掃描檔位，以增加通達度和點云數據密度。Maptek I-Site 8820可實現水平360°全景掃描，但由于南港崩塌的邊坡范圍較小，無需進行全景掃描。可先進行全景預覽，然后圈定需要的掃描區域，對圈定區域進行精細化掃描。Maptek I-Site 8820內置了測量型望遠鏡，可通過其進行后視定向，此時采集的點云數據無需拼接；如在現場無法進行后視定向，則可選用內置羅盤進行定向，但此時采集的數據需要后期進行方位校正。研究區邊坡測量共架設9站，采集點2 692萬個，同時還采集了邊坡影像數據。

數據拼接由I-Site Studio 6.0軟件完成，采用的算法為迭代就近點法，即ICP數據匹配算法，該算法是點云匹配最常用的算法，也是點云匹配精度較高的算法（周春艷等，2011）。

2.2 ?內業數據處理

三維激光掃描技術在地質災害勘查中應用的核心工作是數據處理，通過I-Site Studio 6.0軟件，可進一步建立邊坡模型、提取節理信息，這些數據對于崩塌穩定性的定性分析、定量計算以及提出治理方案起著重要作用（周游，2023）。

1）建立邊坡模型

首先建立工程數據庫，在對外業采集的原始點云數據（圖4）進行數據拼接的基礎上，進行數據噪聲點去除和數據抽稀，包括按范圍過濾、地形過濾和植被過濾，最后采用簡單常用的建模方法——地形建模，建立邊坡模型（黨杰等，2022）。南港邊坡模型如圖5所示。

2）提取節理信息

結構面是影響巖體穩定的主要因素，傳統調查方法主要利用羅盤現場接觸裸露巖體進行結構面測量，但當巖體存在崩塌危險時，人工測量存在較大危險性。利用三維激光掃描數據可以在遠距離操作的情況下，清楚反映結構面微小變化，通過點云坐標重構結構面，生成結構面產狀，同時還可以得到不同組結構面的間距和跡線長等幾何信息（葉巖磊，2023）。

基于建立的南港邊坡模型，結合全景照片，選擇沒有被堆積體覆蓋或很少覆蓋，節理裂隙比較清晰的坡面，利用軟件內置的巖土工程模塊結構面自動識別及提取功能，分別提取邊坡巖體結構面信息。其原理：對于原始數據點集P，計算出每個點P i的最近鄰點集Q i，利用主成分分析算法檢查每一組Q i的共面性，對于每組共面性合格的點集Q i，利用奇異值分解方法計算出法向量，再轉換為結構面產狀。產狀統計結果見表2。結合研究區野外調查的主要節理產狀（圖6）和跡線投影圖獲得不同組節理的間距和跡線長（圖7）。

3 ?結果與討論

3.1 ?危巖體破壞機理與穩定性分析

通過對三維激光掃描數據的統計以及玫瑰圖分析（圖8），可以看出研究區節理裂隙以走向南北向最為發育。經現場測量，主要的結構面有4組，分別為：①層面：165°∠15°；②J1：250°∠75°；③J2：140°∠80°；④J3：10°∠65°。這4組結構面將巖體切割成塊狀，此外還存在一些無序的裂隙。

對坡體結構面進行極射赤平投影分析（圖9），可以判斷出J1結構面與坡體傾向相反，傾角陡立，邊坡整體處于欠穩定狀態。研究區容易沿J1結構面發生傾倒式崩塌。另外J2和J3結構面切割形成的楔形體，與坡面方向一致，且傾角小于坡角、大于內摩擦角，容易發生滑移式崩塌。

根據研究區總體結構特征，將區內分為南北2段，北段坡體較陡，坡度75～90°，局部反傾；南段坡體相對較緩，坡度37～53°。為進一步認識南港崩塌的穩定性，得到各危巖體幾何特征和空間分布狀態等信息，選取典型危巖體NJ01、NJ02、NJ03進行穩定性分析，三者巖性均為中—強風化砂巖。

對于危巖體的識別主要根據其所在區域的結構面信息。若只有1個主要結構面，首先判定該結構面（層面）和整個邊坡面的傾向是否相同，若相同再判定結構面的傾角α是否比邊坡面的傾角β小，若結構面傾角更小，該區域巖體被定為危巖體；若有2個主要結構面，則判定兩個結構面組合交點的夾角，是否比天然邊坡的夾角大，若大于邊坡面，該區域巖體也被定義為危巖體。根據這一判別依據，利用不同顏色對點云進行標注，進而在I-site studio軟件中劃分危巖體。利用三維模型精準測量指定危巖的產狀、高程、規模等數據，并繪制立面圖（圖10）和剖面圖（圖11）。NJ01位于坡體北段，分布高程約290 m，距坡腳高差約13 m，危巖體呈塊狀，規模為2 m × 1 m × 0.5 m，下方失去支撐，巖層產狀為165°∠15°，主要發育2組節理，后緣節理產狀為250°∠75°，側向節理產狀為140°∠80°，均已貫通；NJ02位于NJ01北側約5 m，分布高程約295 m，距坡腳高差約18 m，危巖體呈長塊狀，規模為3 m × 2 m × 1 m，下方無支撐，巖層產狀165°∠15°，發育2組節理，底部節理產狀為10°∠65°，裂隙已貫通，側向節理產狀為330°∠80°；NJ03位于坡體南段中上部，分布高程約296 m，規模為2 m × 1.5 m × 1 m，下方無支撐，巖層產狀175°∠20°發育3組節理，底部節理90°∠30°，后緣節理330°∠80°，側向節理為240°∠70°，危巖體下方無支撐。

study area

穩定性計算主要采用DB11/T 1524—2018《地質災害治理工程實施技術規范》推薦的計算方法。根據赤平投影分析可知，NJ01危巖體失穩方式主要為傾倒式，NJ02和NJ03危巖體失穩方式為滑移式，相關計算公式如下：

1）滑移式穩定性計算公式

后緣無陡傾裂隙時按下式計算

F=（（Wcosθ-Qsinθ-V）tgφ+cl）/（Wsinθ+Qcosθ） （1）

式中：V為裂隙水壓力（kN·m-1），V=1/2 γ_w h_w^2；h_w為裂隙充水高度（m），取裂隙深度的1/3；γ（_w^） 為取10 kN·m-1；Q為地震力（kN·m-1），按公式Q=ξ_e×W確定，式中地震水平作用系數本區ξ_e取0.2；F為危巖穩定性系數；c為后緣裂隙黏聚力標準值（kPa）；當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段黏聚力標準值按長度加權和加權平均值，未貫通段黏聚力標準值取巖石黏聚力標準值的0.4倍；φ為后緣裂隙內摩擦角標準值（kPa）；W 為巖塊重度（kN·m-3）；c為黏聚力（kPa）；l 為滑動面長度（m）。當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內摩擦角標準值按長度加權和加權平均值，未貫通段內摩擦角標準值取巖石內摩擦角標準值的0.95倍；θ為軟弱結構面傾角（?），外傾取正，內傾取負。

2）傾倒式穩定性計算公式

由后緣巖體抗拉強度控制時，其計算公式有2個。

當危巖體重心在傾覆點之外時，

（F=@（1/2 f_lk?（H-h）/sinβ （2/3 ?（H-h）/sinβ+b/cosα cos（β-α）））/（W?a+Q?h_0+V（（H-h）/sinβ+h_w/3sinβ+b/cosα cos（β-α）） ）） （2）

當危巖體重心在傾覆點之內時，

（F=@（1/2 f_lk?（H-h）/sinβ?（2/3 ?（H-h）/sinβ+b/cosα cos（β-α））+W?a）/（Q?h_0+V（（H-h）/sinβ+h_w/3sinβ+b/cosα cos（β-α）） ）） （3）

式中：h為后緣裂隙深度（m）；h w為后緣裂隙充水高度（m）；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離（m）；a為危巖體重心到傾覆點的水平距離（m）；b為后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離（m）；h 0為危巖體重心到傾覆點的垂直距離（m）；f lk為危巖體抗拉強度標準值（kPa），根據巖石抗拉強度標準值乘以0.4的折減系數確定；α為危巖體與基座接觸面傾角（?），外傾取正值，內傾取負值；β為后緣裂隙傾角（?）；V為后緣裂隙靜水壓力（kPa）。

計算過程中相關物理力學參數依據試驗資料、野外調查資料及地區經驗來綜合確定。南港危巖體主要為窯坡組砂巖，主要物理力學參數見表3。

經計算：NJ01危巖體在正常工況下為欠穩定，在受到暴雨和地震作用情況下為不穩定；NJ02、NJ03危巖體在正常工況下為基本穩定，在暴雨和地震條件下為欠穩定。穩定性評價結果見表4。

3.2 ?典型塊體崩落運動路徑分析

采用RocFall軟件，選取南港勘查區北段的一條剖面進行崩塌危巖體失穩運動計算，計算時假定危巖體位置位于坡頂部位，危巖近圓形。治理區巖體主要為砂巖，邊坡陡崖段為裸露砂巖，邊坡中下段為有植被覆蓋的砂巖，下段為有植被覆蓋的碎石土。陡崖為裸露的基巖（砂巖），根據砂巖風化情況和節理裂隙的發育情況，從偏于安全的角度考慮，裸露砂巖、有植被覆蓋的砂巖和有植被覆蓋的碎石土的彈性系數取值見表5。

根據現場調查情況，該邊坡頂部落石方量一般按0.024 m?計算，巖石密度按2 940 kg·m-?考慮，故模擬計算時，落石重量為71 kg。落石的形狀根據現場踏勘和偏于保守的角度考慮為近于圓形落石 （傾倒破壞形成的塊石多為多面體或者楔形體，較難在下落時滾動）。出于偏保守的考慮，模擬分析時未考慮落石可能摔碎、破裂的情況。

根據現場實際地質條件和危巖發育情況，假定危巖分布處于陡崖頂部，利用Rockfall軟件進行了100次落石模擬，通過計算得到落石運動軌跡（圖12）。危巖體從母巖崩落后首先進行墜落運動，至植被覆蓋的砂巖性段，由于坡角變緩，落石發生輕微跳躍、滾動，此段之后坡角再次變陡，落石發生跳躍，最后落到有植被覆蓋的碎石土和民房，并滾至遠處。

根據模擬分析結果，在民房處彈跳高度為0～2 m（圖13），危巖最大能級約14 kJ（圖14），通過落石運動軌跡統計分析，落石98.6%會落到或經過居民房屋，直接威脅居民人身安全。

4 ?結論

利用三維激光掃描技術對南港崩塌進行勘查，獲取點云數據，經過數據拼接、除噪、抽稀和過濾，建立南港崩塌邊坡模型。在此基礎上對其結構面和危巖體特征進行分析，進而對該崩塌災害的穩定性進行計算，并分析了其崩落路徑。結論如下：

1）研究區容易沿向南西西陡傾的結構面（J1）發生傾倒式崩塌（如NJ01危巖體），而由向南東陡傾（J2）和向北陡傾（J3）的結構面切割形成的楔形體易發生滑移式崩塌（如NJ02、NJ03危巖體）。

2）NJ01危巖體在正常工況下為欠穩定，在受到暴雨和地震作用情況下為不穩定；NJ02、NJ03危巖體在正常工況下為基本穩定，在暴雨和地震條件下為欠穩定。

3）從危巖體的落石模擬運動軌跡來看，這些危巖體崩塌之后有98.6%的概率會落到居民房屋上，直接威脅居民人身安全。

4）三維激光掃描技術采用遠距離非接觸掃描方式進行測量，可快速獲取被測物體表面的整體信息，是進行崩塌災害調查評估的有效手段。盡管目前還存在測量距離有限，受植被覆蓋影響等制約，但隨著技術的不斷成熟和相關應用的逐漸積累，三維激光掃描技術適用范圍會越來越廣，將更好地服務于地質災害的調查、排查以及監測預警工作。

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