无人机三维实景建模软件在危岩勘查治理中的运用

邹东璃

四川电力设计咨询有限责任公司

崩塌是指岩石块体从坡体脱离并沿坡面向下快速运动，是山区的常见地质灾害，由于其突发性高、随机性强，常给坡体下部的建构筑物带来极大的破坏，甚至危及人民生命安全。如2017年茂县叠溪镇新磨村遭遇岩体大范围突发性高位崩塌，进而形成高速碎屑流，致使全村被毁，100余人被埋，造成极大的人员财产损失。

虽然目前对崩塌发生的机理、类型等已有较深入研究，可通过评价岩体结构面特别是软弱结构面对危岩体的稳定性进行评价[1]。然而，由于传统结构面测量法（测线法和窗口统计法）是通过罗盘、直尺等工具，对岩体结构面产状、间距、迹长等几何参数进行直接测量，属于接触式、单点式测量[2]，效率低下，工作量大，在高危边坡作业，地质勘察危险性很高，很多高陡边坡更是无法攀爬、近距离接触的，导致难以获取得真实详细的岩体结构面信息，对危岩体的评价多以工程类比法为最终手段，其评价结果受地质工程师自身判断的影响很大。

近年来，随着测量技术的发展，三维激光扫描仪以其非接触、高效率的优点，得到了不少应用，但由于其设备昂贵、对材料反光要求高、凹凸岩体存在无法测量死角等弊病，难以得到大规模推广。而基于小型无人机进行倾斜摄影，多角度对被测量物体进行低空测量，不易被云层遮挡、不存在死角，可获取高精度影像建立三维实景模型，为危岩体的勘察、评价和治理带来了新的手段和希望。

1 危岩体勘察对航拍影像的要求

危岩体勘察的主要目的是获取完整、详实的岩体结构面信息，以保证岩体结构稳定性评价准确可靠。因此，需要建立既准确又精细的三维实景模型，除满足相片重叠率、航线弯曲度、相片旋转角等要求外[3]，考虑到危岩体结构面往往为厘米级，要获取cm级分辨率，飞行高度（镜头距危岩距离）必须足够低。而考虑到危岩一般只占岩体的一部分，全程采取低空飞行不仅飞行效率低，且飞行安全隐患大。推荐采用整个岩体预设航线按一定比例尺（1∶500或1∶1 000）采集影像，再对危岩体采用手动控制抵近飞行采集高精度影像的方式。

2 三维实景模型建模软件要求

目前市面上有较多软件均可实现基于无人机航飞倾斜摄影影像建立三维实体模型，不同软件在易用性、建模速度、纹理效果上各有侧重，应选择模型质量、纹理效果最佳的软件，以利于识别岩体结构面并测量产状、长度等信息。

3 基于三维实景模型软件的危岩体勘察治理

岩体结构面参数获取困难是传统方法评价危岩体稳定性效果差的最主要原因[4]。基于倾斜摄影建立三维实景模型则很好地解决了这个问题，利用三维实景模型与落石运动轨迹模拟软件，评价危岩体稳定性、模拟落石运动轨迹的步骤如下：

（1） 获取危岩体形态与规模

通过三维实景模型真实再现危岩体实际状态，通过拉近旋转等方式全方位观察危岩体形态、量取危岩体尺寸，为计算危岩体稳定性等提供基础数据。

（2） 获取岩体结构面基本信息

直接在模型上获取结构面发育密度、竖向切深、水平延伸、张开度、充填状态、穿层性等基本信息。通过提取特征点坐标方式，获取同一结构面不同位置坐标，进而计算产状。

（3） 确定危岩破坏方式

按机理划分，崩塌分为倾倒式、滑移式、鼓胀式、拉裂式与错断式5类。根据结构面产状以及不同结构面对岩体的切割情况，可准确判定某一具体危岩体的破坏方式。

表1 按机理划分崩塌类型

（4）计算危岩稳定性

根据具体危岩体的破坏方式，确定稳定性验算的计算公式，代入危岩体尺寸、结构面产状等基础参数，计算不同工况下具体危岩体的稳定性。

（5）模拟落石滚落、确定支护方式

落石的运动状态受落石自身特征如大小、形状及强度，边坡条件如坡度、坡高、坡表起伏及坡面物质条件，落石初始运动状态如速度大小、方向与入射角等多方面因素影响，其主要运动状态有坠落或抛射、弹跳、滚动、滑动等，大多数情况下，落石的运动都是上述运动复合形式，在不同位置不同阶段表现为不同的运动状态，在落石运动过程中还可能发生破碎掉块现象，运动状态复杂。

在实际计算中，可采取保守简化方式，视落石为圆形弹性体，永不破碎，采用《崩塌防治工程设计规范》中公式计算；或采用Rockfall及类似软件[5]模拟落石运动轨迹。在实际工程使用中，可根据三维实景模型，提取地形图及具体剖面线，导入Rockfall中计算落石运动轨迹与能量分布[6]，再结合需防护建构筑物特征与位置，优选适宜的支护方式。

4 工程实例应用

某电厂运煤道路起点段坡顶危岩体为例，该危岩体高对应断面运煤道路45～50 m，危岩体呈直立状，局部临空向外凸起，危岩体长度约55 m，高度3～13 m不等。岩体为厚层～巨厚层状灰岩，产状近水平，节理裂隙发育，以平行的竖向裂隙为主。

图1 某电厂运煤道路起点坡顶危岩体

由于岩体直立，局部甚至临空凸出，地质工程师无法抵达危岩体直接测量获取结构面基本信息，使用无人机航拍影像建立三维实景模型如图2所示。

图2 某电厂运煤道路起点坡顶危岩体三维实景模型

通过三维航拍影像与三维实景模型可知，岩体竖向裂隙发育，部分岩体多道竖向裂隙切割，形成仅底部与母岩相连的块体，属于典型的倾倒式崩塌。采用《工程地质手册》[5]中式6-2-17计算抗倾覆稳定性系数：

代入具体参数：落石尺寸为4 m高×2 m宽×1.2 m厚；灰岩重度23 kN/m3；设计地震动加速度0.10g，计算结果如表2所示。

表2 不同工况下抗倾覆稳定性系数

从表2可知，该具体危岩在暴雨工况下，处于基本稳定状态，与目前该危岩未发生崩落的现状吻合。但在暴雨+地震工况下，危岩体处于不稳定状态，潜在崩落危险。

为确定落石运动轨迹及落石能量，为支护结构设计提供依据，采用Rockfall软件进行模拟，危岩下坡侧为锚杆+挂网喷砼支护坡面，坡率一致，坡面无植被。故切向阻尼系数Rt取值为0.85，法向阻尼系数取值为0.35；考虑其为倾倒式崩落，假定初始水平速度与垂直速度均为1 m/s。Rockfall软件模拟该落石随机掉落100次的运动过程结果如图3所示。

从图3中可以看出：

图3 落石模拟运动轨迹

（1）当坡脚无阻碍时，落石可滚至坡脚外15—25m；

（2）落石运动至坡脚时动能最大，可达700×104J，约等于1.75 kgTNT炸药或约350个手榴弹爆炸威力。

（3）落石刚运动至坡脚时，弹跳高度达2～4 m。

总体而言，该落石能量大，弹跳高度高，而坡脚即为防护对象——运煤道路，公路内侧修筑防护结构，对结构的高度、抗冲击能力要求高。考虑到该落石仅在极端工况（暴雨+地震）条件下处于不稳定状态，且该极端工况下抗倾覆安全系数仅略低于1，采取措施防止其掉落显然是更优也更易实施方案。因此，推荐采用预应力锚索+主动防护网方式对危岩体进行支护。

5 结语

（1）传统结构面测量方法效率低、危险大，难以获取准确、详实的岩体结构面信息，易导致危岩稳定性定量评价失真，往往以工程类比法定性评价作为最终手段，其评价结果受地质工程师自身判断的影响很大；

（2）基于无人机倾斜摄影并建立三维实体模型，具有速度快、安全性高、信息翔实等优点，解决了岩体结构面信息获取困难的问题，为危岩体的勘察、评价和治理带来了新的手段和希望；

（3）通过高精度三维实体模型，结合Rockfall落石运动模拟软件，实现了从危岩勘察评价到落实模拟的全过程：危岩体形态观察、规模测定→获取岩体结构面基础信息→判断危岩体破坏机制→危岩体稳定性定量评价→落石运动模拟，为支护结构设计提供可靠支撑；

（4）针对实际工程，应用上述解决方案，评价了具体危岩的稳定性，计算了崩塌落石运动特性，选取出适宜的支护方案并成功实施；

（5）落石运动轨迹的影响因素众多，简化条件较多且目前尚处于二维模拟阶段，如何利用三维实景模型进行落实运动三维模拟，还需继续探索。