小型无人机在某水电站危险源调查中的应用

胡亚东，梅稚平，崔中涛，陈长江

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

小型无人机在某水电站危险源调查中的应用

胡亚东，梅稚平，崔中涛，陈长江

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文以某水电站枢纽区自然边坡为依托，利用小型无人机航摄技术获取某水电站危险源景象图、地质点坐标及地质边界等信息，解决了高山峡谷地区水电工程中由于交通、安全等因素对现场危险源调查的制约和安全隐患，显著提高危险源类型识别和体积计算的准确性，为边坡的治理提供可靠、准确的地质依据，同时也为无人机在类似工程中的应用提供参考。

水电站；无人机；危险源；边坡

0 前 言

我国西南地区位于青藏高原东侧，青藏高原第四纪快速抬升的过程中，发育于此的河流都出现了强烈的河谷下切，构成了青藏高原东侧典型的高山峡谷地貌形态，这对水电工程的建设提供了有力的地形地貌条件[1]。同时，由于西南地区特有的地质背景，造就了西南地区较为复杂的地质环境条件，在这些地区进行水电开发这类大规模的人类工程活动，必然会产生大量的地质灾害[2-3]。因此，开展对影响工程安全的自然边坡危险源调查，为边坡的治理提供可靠、准确的地质依据，具有非常重要的工程意义。

目前，水电工程危险源调查主要为工程地质现场测绘、激光扫描成像法、摄像等方法，但由于水电工程处在高山峡谷地区，通常山高路险，交通不便，植被发育，通视条件差，造成部分危险源调查结果误差较大，达不到勘察精度要求。近些年，随着无人机技术的飞速发展，其制造成本大为降低，同时性能也不断增强，使其在民用领域的应用不断拓展，发展十分迅速，广泛应用于地形测绘、航拍、摄影、遥感、地质灾害调查等领域[4-6]。其具有机体小、重量轻、操作简单、安全性好、使用费用低等特点，因此，使用小型无人机进行水电工程危险源调查较为合适。

本文以某水电站枢纽区自然边坡为依托，利用小型无人机航摄技术进行危险源调查，获取危险源景象图、地质点坐标及地质边界等信息，为边坡的治理提供依据。

1 某水电站基本地质条件

1.1 地形地貌

研究区为凸向左岸弧形河湾，河流以流向N80°E流入坝区，经坝区后，以近S向流出坝区。两岸谷坡陡峻，右岸山体雄厚，相对高差1 000余米，左岸横Ⅰ上游100 m发育深切支沟，与河流形成三面临空的山脊。近支沟口山脊厚400～900 m，相对高差300～600 m。两岸基岩多裸露，植被较发育，中高程2 160 m以上坡度一般为50°～55°，局部为缓坡地带，高程2 160 m以下坡度达70°，多为悬崖峭壁。

1.2 地层岩性

研究区岩性为中粒花岗闪长岩、少量黑云母花岗岩(γδ52)，黑云母花岗岩混杂在花岗闪长岩中，局部较为集中；分布有后期热气液蚀变的花岗岩化和粘土岩化蚀变岩带，蚀变岩带中部多见方解石—石英岩脉等，岩性较为均匀，规模较大的蚀变岩带发育规律性较强，与坝区构造关系密切，同时发育较多不规则小蚀变岩带，分布随机。

1.3 地质构造

坝区构造较为发育，无区域性断裂通过，发现两条规模较大的断层(F4、F5)外，主要为沿蚀变带分布规模较小的次生断层，延伸数百米至千米，破碎带一般宽10～30 cm，F4、F5破碎带较宽，F5断层破碎带宽0.3～1.0 m，F4断层破碎带宽0.5～2.0 m，除断层F4、F5外，其他断层基本无影响带，局部断层附近裂隙发育。

1.4 风化卸荷特征

(1)岩体风化特征。据勘探揭示，坝区低高程2 110 m弱风化水平深度15～25 m，中高程2 180 m弱风化水平深度20～40 m，坝肩高程2 160 m局部见强风化，弱风化水平深度30～50 m。河床弱风化垂直深度1～9 m。随高程增加，岩体风化增强，局部见强风化。

(2)岩体卸荷特征。据勘探揭示，左右岸低高程2 110 m强卸荷水平深度5～10 m，弱卸荷水平深度20～30 m；中高程2 180 m强卸荷水平深度20～30 m，弱卸荷水平深度40～50 m；坝肩高程强卸荷水平深度30～40 m，弱卸荷水平深度50～70 m，左右岸卸荷程度基本一致，差别较小。随高程增加，卸荷深度变深和强烈，临空面较多的山脊岩体卸荷强烈。

2 无人机在某水电站危险源调查中的应用

2.1 无人机应用背景

在自然条件或人类工程活动的影响作用下，自然边坡的稳定性直接关系到建设工程施工期和工程运营期的安全。为消除边坡安全隐患，预测及防治危岩体及不稳定块体对工程区建筑物的影响，保障工程的顺利施工和长期运行，以及施工期车辆、设备和人员的安全，需对工程枢纽区边坡危险源进行调查。

水电工程处在高山峡谷地区，地形地质条件复杂，大多数危险源分布在孤立的山脊上，通常山高路险，交通不便，甚至个别部位人力无法到达，同时，部分区域山高林密，植被发育，通视条件差。这些客观现实条件往往造成现场地质人员对部分地质现象看不到、看不清或者看不全，给危险源的调查工作带来极大的制约和安全隐患。现目前对危险源的调查主要存在以下几点困难：

(1)危险源多分布在高程高或悬崖陡壁附近，调查人员很难实地靠近危险源，只能远距离判断危险源的类型，依靠参照物大致估算危险源的尺寸，其误差大，体积估算准确性低；

(2)边坡发育的植被对危险源形成一定遮挡，导致估算体积时产生误差；

(3)危险源调查时，一般都沿已有勘探便道进行观测，并估算危险源尺寸，由于勘探便道修筑较少，使得观测方向较为单一，体积估算误差较大。

由于无人机具有机体小、重量轻、操作简单、安全性好、使用费用低、能获取高分辨率影像数据等优点，利用小型无人机航摄技术获取危险源景象图、地质点坐标及地质边界等信息，能够显著提高危险源类型识别和体积计算的准确性。

2.2 某水电站危险源类型及其特征

根据现场调查，某水电站枢纽区自然边坡潜在危险源按成因及变形破坏类型分为两大类：

(1)边坡上部岩体发生崩塌等外动力地质作用，坠落的块体沿坡面运动，能量耗尽或受阻而停止下来的堆积物，尤其是规模相对较大的孤块石，在暴雨、地震等诱因下可能重新运动，定义为“孤石”或“孤石群”；

(2)边坡表层岩体受各种结构面切割后，在孔隙水压力、自重应力等作用下沿一组或若干组结构面产生拉裂(或剪切)破坏，而使被切割的地质体处于极限平衡状态(或近极限平衡状态)，也包括强卸荷岩体浅表部位侧向及顺坡向拉张，岩体架空、松动现象并呈块裂～碎裂结构，按规模大小定义为“危岩体”、“危石”或“危石群”，其中危岩体根据其变形破坏类型又可进一步分为崩塌式、滑动式及倾倒式。上述危险源具体分类见表1。

表1 某水电站枢纽区自然边坡危险源类型分类

2.3 无人机航摄对危险源的调查

针对该水电站危险源类型及其发育特征，通过对无人机航空摄影资料的提取和现场地质调查，调查得出该水电站枢纽区范围内自然边坡共发育50处危险源，其中左岸27处、右岸23处，获取了各危险源(左、右岸)位置、类型、分布范围、边界条件等信息。该水电站危险源类型分别为危岩(WY)41处(见图1)，危石(WS)3处(见图2)，危石群(WSQ)3处(见图3)，孤石群(GSQ)3处(见图4)，枢纽区危险源类型以危岩(WY)为主，其占比达80%；左右两岸危险源数量上相当(左岸27处、右岸23处)，说明左右岸发育程度相当，这与枢纽区左、右岸地质条件相吻合，两岸岩性、风化卸荷及构造断裂发育程度及规律基本一致，仅局部地形完整性造成危险源发育程度、类型上的差异。

3 结 语

图1 无人机航拍影像危岩(WY)提取 图2 无人机航拍影像危石(WS)提取

图3 无人机航拍影像危石群(WSQ)提取 图4 无人机航拍影像孤石群(GSQ)提取

本文利用小型无人机航摄技术获取某水电站危险源景象图、地质点坐标及地质边界等信息，解决了高山峡谷地区水电工程中由于交通、安全等因素对现场危险源调查的制约和安全隐患，显著提高了危险源类型识别和体积计算的准确性，为边坡的治理提供了可靠、准确的地质依据。该水电站危险源类型分别为危岩(WY)41处，危石(WS)3处，危石群(WSQ)3处，孤石群(GSQ)3处，枢纽区危险源类型以危岩(WY)为主。

小型无人机具有高机动性、使用成本低、操作简单等显著的优点，其在危险源调查中的成功运用，表明了其能够较好地解决工程勘察中人力不可到达部位的地质调查，在地质灾害调查与监测、精细地形测量、线路路径选择等方面具有广阔的使用前景。

[1] 黄润秋，王士天，张倬元,等. 中国西南地壳浅表层动力学过程及其工程环境效应研究[M]. 成都: 四川大学出版社, 2001.

[2] 孙云志,王颂,冉隆田,刘大显,於汝山. 锦屏水电站大奔流沟料场高边坡破坏模式分析[J]. 人民长江,2013(6):6-10.

[3] 徐奴文,唐春安,周钟,等.基于三维数值模拟和微震监测的水工岩质边坡稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报,2013(7):1373-1381.

[4] 梁京涛,成余粮,王军,等.基于无人机遥感技术的汶川震区典型高位泥石流动态监测——以绵竹市文家沟泥石流为例[J].中国地质灾害与防治学报,2013(9):54-61.

[5] 高姣姣,颜宇森,盛新蒲,等.无人机遥感在西气东输管道地质灾害调查中的应用[J].水文地质工程地质,2010(6):126-129.

[6] 王鹤,刘军,王秋玲.利用无人机影像进行滑坡地形三维重建[J].测绘与空间地理信息,2015(12):68-71.

2017-02-06

胡亚东(1990-)，男，四川成都人，硕士，从事水电工程勘测设计工作。

P231;TV223

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1003-9805(2017)02-0056-03