近景摄影测量在断裂结构精细化勘测中的应用

张培兴ZHANG Pei-xing；刘紫婵LIU Zi-chan；刘帅LIU Shuai

（①河北经贸大学管理科学与工程学院，石家庄 050061；②河北地质大学，石家庄 050031）

0 引言

断裂是在长期地质历史作用过程中形成的缺陷，广泛地分布于地壳上，对于人类工程建设及生产生活具有不可忽视的影响，需要围绕其展开地质勘测[1-3]。特别是重大工程项目，必须要对其周围的断裂进行详细的勘测及分析，包括断裂内在结构特点、断裂的控稳控水特征等[4-6]，以便更稳妥地推动工程建设。

由于断裂具有隐伏性，往往需要采用探槽、钻孔及物探等方式对其进行探查，其中由于探槽受地形限制小且易于开挖揭露断裂结构而被广泛运用。如常祖峰等[7]在中缅交界苏典断裂根据探槽观察结合样品测年判识出其活动特征；张波等[8]在阿拉善地块中通过探槽探究了断裂的性质，并运用光释光测年判断了该活断层的最新活动时代；毕杨杨等[9]借助断层探槽观测解译的空间位置及断层气氡测量对石棉断裂活动性形成了判断；杨攀新等[10]在新疆博罗可怒-阿齐克都克活动断裂研究中，基于新挖的探槽，利用沉积物光释光年代和地震关系分析，确定了艾比湖段和精河以东段最新活动时代及古地震期次信息等。

然而针对上述断裂开展的探槽观测多为传统的素描及部分拍照，对于如核废料处置工程项目场址断裂的内在结构及其控水特征相关探索显然无法满足实际需求。基于此，如遇到断裂控水问题探究时，本文建议在已有探槽或新开挖的探槽基础上，可考虑以近景摄影测量为主要技术手段，辅以地质素描与现场影音记录，展开断裂结构精细化勘测。

1 研究方法

近景摄影测量是近些年发展起来的非接触式测量技术，得益于严密的测量理论与性能不断升级的拍摄硬件，可以为研究人员提供带有三维坐标的高精度影像模型，经过识别提取等，方便研究者较易获得被测目标的几何关系及数量等数字化信息，还可以将影像模型导入3D渲染软件实现模型动态展示。目前近景摄影测量已广泛应用于隧道内地质灾害超前预报、古建筑保护与资源开发、高陡边坡稳定性分析、建筑物数字测绘等[11-12]。

近景摄影测量解译计算中的四个主要变量为图像平面坐标系，空间三维坐标系，相机模型，外方位元素。每一个可以是输入量或输出量。建模的基本思路是：通过已定出的图像中裂隙面标识点的平面坐标与图像中控制点空间三维坐标求解出外方位元素，然后建立所求点的平面坐标系，与外方位元素作为输入值，求解出所求点（裂隙面标识点）的三维坐标。建立三维探槽模型及解译工作流程具体如图1所示。

值得注意的是在进行摄影测量前，针对选取的典型断裂探槽应进行必要的人工清理，以便揭露出新鲜的观测面，然后在其内设立不少于6个的控制点，控制点可以是框架式控制点或者贴纸式控制点（如图2），采用免棱镜全站仪测取控制点高精度三维坐标。拍照设备建议采用不低于2400万像素的单反相机，多角度进行连续拍摄时要尽量保证前后图像重叠率在50%～70%以上为宜。

2 适用项目

本文所述研究方法主要是面向断裂内部结构及其控水特征问题：断裂多尺度裂隙水力联系判定，场区边界控水断裂距离避让与断裂分区防渗注浆设计优化等。具体来说，文中提出的研究方法可适用于地下工程周围区域有断裂或项目本身需穿越断裂的项目，典型的如核废料地下深埋处置、隧道突水突泥识别与防治、巷道巷井渗涌水防治等项目，亦可兼顾服务于地下硐室稳定性分析与加固。

3 研究案例

案例一：本文所选的第一个探槽位于我国西北核废料地下处置工程项目某预选场址边界断裂（走向大致为东北向）。作者等对该典型断裂探槽进行扩槽清理后开展近景摄影测量获得了三维模型（如图3所示，其中Y轴为北方向），经过三维模型旋转观察判断可对断裂结构进行单元划分，即可分为断裂上盘损伤带、断裂核部碎裂碎粉偶夹断层泥条带以及下盘损伤带，进一步可以利用模型展开“微创手术式”取样点标记，作者等在断裂核部标记选出断层泥试验样品（031-1样）、碎粉碎粒样品（031-2样）无尺寸效应的样品2件，上盘损伤带样品1件（031-3样），时隔数月再次调取三维取样后的探槽模型与样品资料，编录人员能够准确实现样品与取样点的一一对应，这将有助于预选区内探槽数字化批量化编录与取样。

通过旋转探槽模型观察定位核部与损伤带边界后利用测尺量测（已结合控制点将探槽模型转化为实际尺寸），可较易获得一次断裂核部宽度为2.77m，其精度达厘米级，如图4（a）所示，通过多次量测取均值，获得核部宽度约为2.90m。此外，经过摄影测量建模及解译初步获得断裂下盘损伤带约30条裂隙面产状统计数据经过Dips软件成图，可得裂隙优势产状（如其中一组优势产状为50°∠55°），如图4（b）所示。对裂隙面优势产状聚类分析后，便能对近核部不同裂隙岩样是按照无尺寸效应样品还是按照具有尺寸效应的样品提出针对性的取样方案等。

综合以上模型获得数据可更进一步指导室内外精细化水文试验设计以及开展断裂控水规律探究，作者等已于近期展开了一部分有关断裂结构及控水特征的定性探讨工作，具体参阅文献[13]。

案例二：本文所选取的第二个探槽位于我国西北核废料处置工程某预选场址外数公里处的特大断裂带（走向大致为北东东向）。该探槽内清晰揭露出了断裂从上盘至下盘整个结构单元的变化情况，李煜[14]选取槽内露头良好的岩块对其进行了近景摄影测量（如图5（a）），在模型的基础上通过影像灰度处理等过程，标记出此岩块内含有三组不同产状特征的裂隙面信息（如图5（b）），在裂隙面迹线统计信息的基础上对该块进行了岩体体积节理数估测等，综合条数法与间距法获得了其岩体体积节理数为23条/m3，经转换得该岩体完整性系数转为0.31，查阅《工程岩体分级标准》中岩体完整性系数与定性划分的岩体完整程度对应关系表判断，该探槽内岩体属于破碎岩体，进而推测其导水性能良好。显然，本研究还可以进一步叠加对应位置的渗透试验系数，对比分析节理密度与渗透系数之间的关系，断裂横向上则对比分析不同构造单元的参数变化等，这将是断裂探槽摄影测量的一个有益探究方向。

4 结论

本文立足断裂控水问题，提出应重视运用近景摄影测量技术对其探槽内揭露的断裂信息进行捕获，通过两个典型案例研究可以看出其不仅可以提供三维模型，更能够借助模型统计获得断裂内部各单元组构特征、裂核部宽度、裂隙面优势产状、取样及裂隙密度等，不论从信息提取量还是从精细化程度与准确性上看，是以往传统地质素描所不能比拟的，值得更深入的扩展研究并加强有关应用。

由于近景摄影测量技术形成的资料为数字化产品且便于计算机读档调取，可以考虑尝试构建基于互联网与云共享技术的数据研判分析协同平台，以求更好地实现现场技术人员与异地专家共同“会诊”。

最后，面对各类观测技术如物探、化探、高精度航测、GPS-RTK以及本文研究的近景摄影测量技术等不断发展的这一形势，作为勘探行业的从业者与研究人员不要只关注一种方法，而应重视这些技术的融合应用，以便更好地服务于工程建设。

致谢：感谢南京理工大学章杨松教授在野外试验观测中提供的摄影测量技术指导与相关基础资料支持。