基于无人机倾斜摄影三维实景建模技术的特大桥桥台选址研究*

高 杨 李明智 漆小秋

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081; 2.广西交通设计集团有限公司 南宁 530029)

在陡崖区域进行地形测量和地质调查，难度大风险高。陡崖高陡岸坡岩体受重力作用大，易于产生张性裂隙，进而导致岩体崩塌，甚至错落。在深切峡谷区域修建特大桥，桥基岸坡稳定性评价至关重要[1]。通常陡崖前缘岩体稳定性一般较差，若桥梁墩台等结构物选址过于靠近陡崖，其长期稳定性得不到保障，而墩台选址过于远离陡崖，则会导致桥梁跨径、投资规模的增加和工期延长，因此，高山峡谷区桥梁岸坡的稳定性直接关系到桥梁位置的选择,甚至影响道路选线[2]。

故安全合理的墩台选址是控制桥梁跨径和工程投资的关键因素。受到陡崖地形条件的限制，常规的断面测量工作无法全面、直观和真实地反映墩台与陡崖的平面、空间位置关系，陡崖地区地形图等高线基本重叠，误差较大，这些给墩台选址带来了极大的不确定性。随着测绘科技的发展，遥控无人飞机低空航空摄影测绘技术已日趋成熟[3-4]，地面遥控无人机低空飞行，携带数字彩色航摄相机等设备可快速获取地表信息，获取超高分辨率数字影像和高精度定位数据，拍摄影像清晰、分辨率高、现势性好[5-6]。用于地形图测绘和制作三维模型效果良好，且精度较高。应用无人机航拍地形建模技术可规避测量工作者在陡崖地形条件下进行测量工作的困难和危险，同时具有高精度、可视化等特点，可为深切峡谷区陡崖地形特大桥梁墩台基础岸坡稳定性评价、选址及优化等问题提供可靠的数据支撑。

1 工程概况

拟建某特大桥位于贵州省与四川省交界部位，为跨越“U”形峡谷而设，主跨为575.5 m的独塔双索面钢主梁斜拉桥，桥型布设效果见图1。该峡谷区地形、地质条件极为复杂。贵州岸桥台(0号桥台)前缘陡崖，陡崖高度40～60 m，陡崖近直立发育，陡崖前缘裂隙发育，0号桥台桥基岸坡的稳定性与选址是桥梁方案布设的关键问题。布设共有2个方案：方案一，桥台(桩号K0+047.0-K0+057.4)与陡崖崖口最小距离约为12.6 m，距离过小，建设风险高。方案二，桥台(桩号K0+035.0-K0+045.4)距离崖口最小距离为19.8 m。

图1 桥型布设效果图

2 无人机倾斜摄影三维实景建模技术

无人机倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它克服了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从5个(1个垂直、4个倾斜)等不同的角度采集影像，可将用户引入符合人眼视觉的真实直观世界。其工作流程如下。

1) 现场像控点制作。控制点直接影响测绘的精度，本次勘测采用实时动态(real-time kinernatic,RTK)载波相位差分技术，制作像控点，控制点均匀布置在场区范围内，每个控制点间距300 m左右，整个场区控制点10个，并制作了5个点作为精度检查点。

2) 影像采集。影像数据采集采用大疆精灵4pro系列无人机，相机像素2 000万，关键采集参数为：旁向重叠度70%，航向重叠度80%，航高根据地形分块设置，相对地面航高100 m，共获取影像610张。

3) 实景模型建立。现阶段主流建模软件有：photoscan、pix4d、contextcapture、photomesh等，本次采用contextcapture进行倾斜摄影三维模型的重建，重建后的桥区三维实景模型见图2。

图2 桥区三维实景模型

4) 地形数据获取。为进一步进行定量分析，通过实景模型采集现场地形数据，使用立体测量的方法，获取现场地形，并通过检查点获取地形的误差，得到5个检查点最大误差为平面8 cm，高程15 cm，能满足设计精度要求。

3 贵州岸0号桥台岸坡稳定性评价

在充分调研和综合分析研究贵州岸陡崖地形、地质条件，以及岩体力学环境条件的基础上，遵循地质定性分析与定量评价相结合的稳定性评价思路[7-8]，根据评价结论进行0号桥台选址、优化。

3.1 工程地质条件

贵州岸0号桥台与陡崖位置关系实景正视图见图3。通过建立贵州岸0号桥台的三维实景模型，提取模型坐标数据，0号桥台与陡崖平面位置关系见图4。

图3 贵州岸0号桥台与陡崖位置关系实景正视图

图4 桥台与陡崖平面位置关系

该处地层岩性为奥陶系下统湄潭组(O1m)灰岩，局部夹泥岩。未发育断裂构造，地震动反应频谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度值为0.05g，地震基本烈度为VI度。陡崖区域发育2组规律性节理面：J1:240°∠86°、J2:285°∠76°。J1、J2均为张性节理，结合程度差。卸荷裂隙是较硬/硬质岩地区常见的地质现象，对岸坡稳定性影响较大，通过槽探、物探及三维实景模型勘测，陡崖区域贯穿性裂隙发育情况见图5。

图5 贯穿性裂隙发育情况

3.2 潜在变形破坏模式

调查陡崖周边岩体变形破坏形式并与其他工程类比，发现小规模崩塌、大规模倾倒破坏是其典型的破坏模式。

1) 崩塌。陡崖上部为灰岩，抗风化能力强，下部为粉砂质泥岩，吸水易软化，失水易干裂，构成软弱基座，抗风化能力弱，易风化剥落并形成“凹岩腔”，导致上部灰岩出现临空，底部失去支撑，上部灰岩失去支撑后易在重力作用下拉裂，发生崩塌，陡崖岩体崩塌失稳照片见图6，崩塌破坏发生于风化岩体，规模较小。

图6 岩体崩塌

2) 倾倒。贯穿性裂隙切穿岩体与“凹岩腔”双重作用下，岩体逐步向临空方向发生位移，失去支撑，并向临空方向倾倒破坏，脱离母岩，其规模较大，岩体倾倒破坏照片见图7。这种破坏模式对桥基影响极大，墩台选址应避开贯穿性裂隙。方案一、方案二桥台均避开了贯穿性裂隙发育区，避免了发生大规模倾倒的可能。

图7 岩体倾倒

3.3 桥基岸坡稳定性工程地质分析

通过三维实景模型提取的高精度地形数据，绘制了0号桥台左12 m轴线、中轴线、右12 m轴线及横桥向左45°桥台横断面(与陡崖距离最小断面)。选取岩体破裂角45°+φ/2=45°+52°×0.85×0.5=67°，绘制得方案一、方案二0号桥台与岩体破裂角关系，见图8。

图8 方案一、二下0号桥台与岩体的破裂角

由图8可知，沿桥轴线方向，方案一、方案二0号桥台均位于破裂角外。横桥向，方案一0号桥台位于破裂角影响范围内，方案二0号桥台位于破裂角影响范围外。

3.4 离散元数值分析

岩体发生破坏往往沿岩体中的结构面发生，特别是沿岩体中张开的节理，张开的节理破坏了岩体的完整性与连续性，为降雨入渗提供了有利的通道，加速了岩体的风化。因此，从力学角度分析岩体张节理分布区域是十分必要的。

为模拟自重应力作用下陡崖区域岩体张节理分布情况，采用以岩石块体、结构面为基本单元的离散元法，建立桥轴线左12 m、横桥向离散元计算模型，其中横桥向(左侧45°夹角方向)桥台与陡崖距离最小，计算模型见图9。

图9 离散元计算模型(横桥向距离陡崖最小断面)

结构面选取层面和规律结构面J1(陡崖面)，层面和规律结构面J1将计算模型切割为10 477个单元。岩石块体、结构面均采用摩尔-库仑本构模型，计算所采用的参数见表1。

表1 岩块及结构面参数

张节理分布区岩体完整性和连续性差，易发生崩塌破坏，稳定性差。自重应力平衡后，纵桥向张节理分布图见图10，张节理分布区为陡崖前缘20 m，特别是10～15 m裂隙贯通率高。横桥向(左侧45°夹角方向)张节理分布图见图11，陡崖前缘15 m范围内为张节理分布区且贯通率高。为保障桥台长期稳定，纵桥向桥台选址应满足桥台与陡崖距离大于20 m，且横桥向桥台与陡崖距离大于15 m。计算得到纵桥向方案一、方案二均满足要求，但横桥向方案一0号桥台位于裂隙发育带内，其长期稳定性得不到保障。

图10 纵桥向张节理分布图

图11 横桥向张节理分布图(左侧45°夹角方向)

3.5 桥台岸坡稳定性有限元计算

采用有限元法可计算得岩体完整性主控下岸坡稳定性系数。以横桥向(左侧45°夹角方向)示意，计算模型见图12，0号桥台荷载竖向荷载N为102 560 kN，简化为均布荷载后为407.5 kN/m2，岩土物理力学参数取值见表2。

自重工况采用自然状态下岩土物理力学参数，暴雨工况采用饱和状态下岩土物理力学参数，计算结果见表3、图13。

由计算结果可见，方案一(距离陡崖最小断面)桥梁荷载作用下横桥向稳定性不满足安全系数控制标准[7]。

图12 方案一计算模型(左侧45°夹角方向)

图13 稳定性计算结果(横桥向方案一、工况2，k=1.15)

表3 有限元计算稳定性系数一览表

4 结论

1) 无人机倾斜摄影三维实景建模技术，可获取现场实景三维模型与陡崖高精度地形测量结果，为陡崖岸坡稳定性评价、桥梁墩台选址提供精确的地形数据，可视化效果好。

2) 方案一贵州岸0号桥台距离陡崖最小距离仅12.6 m，桥台位于岩体破裂角影响范围内，0号桥台长期稳定性差，不适宜墩台建设。

3) 方案二贵州岸0号桥台距离陡崖最小距离为19.8 m，桥台在岩体破裂角影响范围外，桥台位置中风化基岩连续，长期稳定性好，适宜墩台建设。

4) 综合分析，贵州岸0号桥台宜选址K0+035(方案二)，且已不具备前移空间，是安全、经济的墩台选址位置。