岩体结构面非接触式测量技术研究

岩体结构面非接触式测量技术研究

王泽文

（身份证号：51090219850803231X  四川成都 610000）

摘要：岩体作为地质作用的产物，在长时间的内外动力作用下，往往发育有规模不等、性质各异的如节理、裂隙等非贯通性结构面，这些非贯通性结构面的存在使岩体结构变得异常复杂，造成不同结构的岩体呈现出截然不同的力学性质，从而影响如岩质斜坡等与岩体相关工程的稳定性。因此，对非贯通性结构面的特征及其对岩体稳定的控制性作用进行研究具有重要的理论意义和实用价值。

关键词：岩质斜坡；非贯通性结构面；多角度无人机贴近摄影测量；

1.引言

近年来，随着我国经济的发展和基础设施建设的推进，出现了许多由国家或地方实施的重大工程，这些工程具有规模大、投资高、破坏后果严重的特点。工程区岩质斜坡的是否稳定往往是决定这些工程能否顺利实施和安全运营的控制性因素，对于斜坡的防护设计也依赖于对其进行稳定性分析的结果。因此，岩质斜坡的稳定性问题不断受到人们的关注，对其稳定性进行深入研究就显得极为重要。

组成岩质斜坡的岩体是长期、复杂地质作用产物，在长时间的内外动力地质作用下，往往发育有规模不等、性质各异的结构面，如裂隙、节理、层理、断层等，这些结构面在空间内随机不连续分布和组合，将岩体切割成各种形态的结构体，从而影响岩体的变形破坏特征和斜坡的稳定。因此，研究高陡岩质斜坡的结构特征，特别是对于非贯通性结构面发育的高陡裂隙岩质斜坡，最重要的是通过全面分析岩体的结构面特征进而确定影响斜坡稳定的控制性结构面。利用地质罗盘在岩石露头表面进行窗口法和测线法的人工测量是获取岩体结构面特征的传统方法，这种人工接触式测量的方法简单易行，但也存在着许多缺点，如完全依靠人力、耗时较长、效率较低等。此外，人工接触式测量的作业条件还容易受到地形条件、环境因素的影响，无法对岩体破碎的区域和高陡斜坡的露头面等人力难以接触的区域进行测量，其所得的岩体结构面信息对于整个坡面系统无异于“管中窥豹”，难以对斜坡的岩体结构特征做出全面的分析。因此，克服环境因素等限制性条件获得高陡岩质斜坡全面的结构面信息并对其进行研究就显得尤为重要。而结构面非接触式测量技术无需靠人力贴近岩体进行接触测量，克服了客观因素对可测区域的限制，具有测量精度高、测量范围大的优势，为全面测量和研究分析高陡岩质斜坡的结构面特征提供了有效途径。

2.岩体结构面非接触式测量

利用非接触式测量进行三维建模的技术手段已相对成熟，而将之用于岩体结构面测量的研究仍然较少。此外，已有的岩体结构面非接触式测量手段往往只面向坡面进行贴近测量，在多角度的结构面测量获取方面研究较少，建立的三维模型往往精细度较低，使得获得的岩质斜坡结构面信息不够全面。因此，在高陡岩质斜坡的岩体结构研究中，采用多角度无人机贴近摄影技术对其结构面系统进行精细化三维建模，进而进行结构面几何信息的全面、准确获取，具有一定的研究前景和实用意义。

3.岩质斜坡稳定性分析

岩体的破坏面的形成和发展往往沿结构面最优势的方位，即存在明显的“结构控制”现象。对于结构面发育的岩质斜坡，其滑动面往往被认为是结构面贯通造成的，其形成与裂隙的扩展程度和连续性有关。在这种情况下进行稳定性分析时，往往只能针结构面完全贯通的岩质斜坡进行。然而，对于结构复杂的岩质斜坡，其内部往往分布大量非贯通性结构面并对斜坡的稳定其控制作用。因此，只有充分考虑非贯通性结构面的不连续性，才能对斜坡做出科学合理的稳定性分析结果。但大量研究结果表明，岩体的滑动面大多由已有结构面和新扩展的结构面构成，结构面的连续性并不是一成不变的。因此，对岩体结构面的连续性特征进行深入研究是合理确定岩质斜坡滑动面的关键。

4.裂隙岩质斜坡结构面特征非接触式测量

4.1摄影测量基本原理

受历史区域地质作用及各种地质营力的影响，永吉岩质斜坡发育大量的非贯通性结构面，这些结构面构成了斜坡岩体复杂的结构系统，控制着斜坡的稳定性。为获取研究区岩质斜坡全面的结构面发育情况及其特征参数，以充分研究斜坡岩体结构特征，需采用非接触式测量手段对于高陡裂隙岩质斜坡进行结构面信息的采集。针对斜坡可测结构面的区域多位于坡体高位以及岩面起伏较大的特殊条件，为克服数字近景摄影测量、常规无人机摄影测量等非接触式测量手段存在盲区大、局部结构面识别度差等问题，本文提出综合考虑现场地形与结构面发育分组特征的多角度无人机贴近摄影技术，对岩体露头面及开挖面进行高清影像的多角度获取，最终建立精细的结构面测区三维模型，实现对斜坡岩体的非贯通性结构面在大范围内进行全面、精细化测量和解译。最终得到大量非贯通性结构面参数信息，并现场验证了测量的精度，为深入分析斜坡岩体结构特征作充分的数据准备。

4.2无人机贴近摄影测量

无人机（UAV）是不载人飞行器的一种，可通过内置程序和无线电遥控设备进行操控，具有体积小、使用便捷、环境适应性强等优点，能够不受地形限制、快速地获得大量目标体的影像数据。常规无人机摄影测量技术包括无人机正直倾斜摄影测量和无人机倾斜摄影测量。正直摄影测量是通过“俯视”成像，仅能从垂直角度获取影像；无人机倾斜摄影通过“斜视”成像，通过搭载五向镜头或者单镜头倾斜一定角度进行拍摄，一定程度上扩展了对物体侧面信息采集的能力。上述常规摄影测量方式虽能较好地重建地物整体结构，但仍存在视角盲区，对于复杂立面结构识别能力不足，且分辨率通常在分米级，无法实现微小结构的获取，从精细化观测的需求出发，研究人员提出了无人机贴近摄影测量技术。该技术利用已知的或常规摄影影像重建的场地粗模设计精细贴近航线，并以近距离(5～30m)贴近物体表面进行自动飞行，从而高效获取覆盖拍摄对象的超高分辨率影像，进而通过摄影测量处理实现目标的精细化三维重建。无人机贴近摄影测量技术具有以下4个特点：

（1）需通过常规摄影测量建立场地基础模型；

（2）自动巡航式摄影，即依据场地基础模型，沿被摄物体表面规划摄影路线并自动执行；

（3）相机朝向被摄物体表面，应根据物体表面形态动态调整；

（4）近距离摄影（最近可达5m），获取毫米级影像。

5.结束语

常用的三维激光扫描、数字近景摄影等非接触式测量技术往往受到地面选址困难、测量范围小、盲区大、数据畸变严重等不良条件制约，难以满足高陡斜坡岩体结构精细调查的需求。近年来新兴的贴近摄影测量技术通过沿坡面拟合平面飞行，近距离采集坡面高清影像，进而可建立模型进行结构面的测量和解译，该技术对于倾向坡外且与坡面呈小角度相交的结构面测量效果较好，但对于与坡面呈大角度相交的结构面往往测量效果较差，且难以对坡面凸起部分后部的结构面进行测量，造成对斜坡结构面的测量不够全面，在合理分析斜坡岩体结构面系统方面存在一定的缺陷。本文的研究能在一定程度上丰富现有文献。

参考文献

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[3]张奇. 岩体随机结构面尺寸概率估算及三维网络模型应用研究[D]. 长春: 吉林大学硕士学位论文, 2015.

[4]兰志广. 复杂结构裂隙岩体三维统计连通率研究[D]. 长春: 吉林大学硕士学位论文, 2020.

作者：王泽文，身份证号：51090219850803231X。