遥感技术在水利水电工程地质勘查中的应用分析

涂 昊

东莞市水利勘测设计院有限公司 广东 东莞 523000

在水利水电工程的施工过程中，地质勘探是工程设计的一个先决条件，它的详细和准确将直接关系到工程设计方案的可行性。比如，在工程地质勘探的过程中，如果发现施工区域中有断裂破碎带或溶洞等不利地质，那么在工程设计中，就必须对这些不利地质进行适当的处理，以确保水利工程的总体安全[1]。所以，将卫星影像技术运用于工程地质勘查，对于提高工程地质勘查工作，保证工程质量具有十分重要的意义。

1 遥感技术在工程地质勘查中的应用优势

近年来，遥感技术在地籍调查、工程勘查和环境保护等方面，都取得了较大的进展。对于水利水电项目来说，将卫星遥感技术用于早期勘查具有三大优点：1)勘查范围广，信息处理快速。从理论上来讲，一颗遥感卫星能够精确地获得3.34×105km2的范围内的内陆物信息，与地面站一起，可以对遥测信息进行迅速的处理，最后将勘探成果以照片的方式呈现出来，一般只需要几秒钟就能完成；使勘探成果具有较强的实时性和实用性。2)获取大量信息。在卫星影像资料中，除了能够清晰地呈现人类眼睛所能看见的地形地势之外，也能够利用红外线、紫外线及微波波段，提供人类眼睛所无法看见的数据，如：水体深度、岩层密度、含盐量等[2]。例如，利用卫星遥感设备，可以获得地下水的动态变化；为水利水电施工提供了一个很好的基础。3)获得的数据不容易被外部因素影响，具有较高的精确性。利用卫星遥感技术进行的工程地质勘探工作，其抗干扰性很高，基本不会受到雨、雪和大雾等恶劣气候的影响，能够全天候不间断地获得项目所在地的地质资料。通过这种方式，既可以获得大量的工程地质数据，同时也保证了资料的完整、准确，使其更好的反映了工程地质勘查工作的实际价值[3]。

2 遥感技术在水利水电工程地质勘查中的实施

2.1 工程概况

以某座水库的大坝为研究对象，其上游的主干河流为115km，其控制的流域为3881km2。该水电站为2号型，为一座长526m、宽3.3m、最大高60.5m的粘土斜心墙碾压堆石坝，其库容达3.83亿m3。水库内安装了四座发电机，总计2050kW。本项目预计建设周期为240天，竣工后具有明显的生态、社会和经济效益。为了确保该项目的成功实施，将卫星遥感技术运用于前期工程地质勘察。

2.2 遥感技术在水利水电工程地质勘查中的具体应用

2.2.1 利用遥感技术勘查工程地区的构造稳定性

对于大型水利水电工程，由于大坝的重量很大，给大坝基础带来很大的荷载，所以需要确保大坝周围的地质结构的稳定性；才能防止在工程施工过程中和投入使用后，由于坝基沉降而造成坝体渗漏。对工程地质构造进行的稳定性分析，主要是要确定是否存在显著的断裂，若存在，则要了解断裂的大小和密度等有关的信息，以便为设计者在制定工程设计方案时，提供必要的基础。将遥感技术用于工程地质勘探，能将项目所在地的地质结构清晰地反映出来。通过对两条断裂的研究，可以发现了两条断裂带彼此平行，并在地表上被第四系的盖层所覆盖，这两条断裂具有很强的隐蔽性。传统的地表探测方法难以探测到地层裂缝，而利用遥感技术不但可以探测到断裂裂缝，还可以获取裂缝走向和最大宽度等细节信息。设计师可以据此对地质构造的稳定性进行准确的评价，为水利水电工程设计与施工提供必要的支撑。

2.2.2 利用遥感技术分析工程泄漏的可能性

坝基渗漏是水利工程中普遍存在的一种质量问题，若不能及时有效地解决，将极大地提高大坝的溃坝风险。为此，在水利工程地质勘察工作中，必须对坝址区的地质情况进行评价，并对可能引起坝址区渗漏的危险因素进行分析；在此基础上，提出了相应的施工对策，以防止后期水坝投用后发生渗漏。在工程地质方面，古河道，地下暗河，溶洞，断层，破碎带，强风化岩等是导致大坝或坝基发生渗漏的主要原因。通过卫星技术获取的工程现场的卫星图就能清晰地反映出埋于地下的古河流、断裂断裂带以及喀斯特溶洞。在此次施工过程中，利用遥感手段对该地区进行分析，结果表明该地区存在断层、破裂带，并没有发现其它可能引起该地区地下水渗漏的因素，如古河道、岩溶洞穴等。在此基础上，施工单位在制定施工方案时，采用帷幕灌浆施工技术封堵、加固断裂破碎带，对于防止坝基渗漏，提高坝基承载力，具有积极的作用。

2.2.3 利用遥感技术及时发现工程周边不良地质现象

在水利建设中，除了地表的岩层风化和断层破裂带等不良地质环境以外，地表的各种不利地质条件还会对水利工程产生不利影响。滑坡，泥石流，堤岸冲刷是较为普遍的灾害。尤其是像滑坡、泥石流这样的自然灾害，它的发生是突然的，而且是非常严重的，如果不能事先做好地质调查，及时作出相应的预防和处理方法，不仅会影响工程进度和工程质量，而且还会危及到工地工人的人身安全。利用卫星遥感技术，可以对项目周围的环境及研究区起伏度空间进行实时监控（图1），并对项目周围环境进行科学的评价。该项目发生于2021年4月至12月期间，项目所处区域属于亚热带季风气候，夏天降水比较密集，降雨较多。同时采用卫星影像技术，在雨季期间，对工程区内的边坡进行严密的监控，一旦发现边坡发生了显著的变形，就能够对其进行早期预警，并对其进行相应的加固；在此基础上，提出了一种新型的防滑型防滑体设计方法。同时，当项目周围发生了泥石流时，还可以利用卫星图像技术，明确崩塌区，堆积区，中间涌流区等区域，并针对这些区域做出相应的反应，确保项目建设的正常进行。

图1 研究区起伏度空间分布

2.2.4 利用遥感技术为天然建筑材料的开发利用提供指导

在水利水电工程施工过程中，需要大量的建材。若采用自行式自卸车远距离运输，则很难确保稳定、连续的建材供给，且会提高建设费用。若项目周围有丰富的自然建材（如土、石等），项目可实现就近取材，在节约成本的同时，提高施工效率。利用遥感技术进行的工程地质勘查，能够在周边的特定地区，找到可用的、可开采的自然建材。另外，利用卫星影像资料，可以制定出交通路径，并寻找出最优交通路径；使材料的运输费用降低。该项目利用遥感技术，在工程区东侧6.8km的地方，找到了一片质量较好的砂质粘粒，为筑坝提供了方便。

3 水利水电工程地质勘查中遥感技术的创新应用

3.1 “3S”技术的融合应用

最近几年，在我国的水利工程建设中，对勘察工作的重视程度越来越高，并积极采用新技术、新设备。尽管遥感技术已显示出其在工程地质勘探领域的许多优点，但其在实践中仍有许多缺陷，如：定位精度低，后续资料处理能力弱等。要解决上述问题，就需要大力推动“3 S (RS、 GPS和 GIS)”技术在卫星导航系统中的综合运用。将卫星遥感与 GPS相结合，实现对工程区的精确定位，进而实现对工程区地质情况的精确测量。例如把遥感技术和 GIS （GIS）结合起来，可以把遥感卫星获得的大量地物信息，通过 GIS软件对其进行加工，进而输出对水利水电工程建设有利的信息。当前， GIS系统已实现了基于卫星遥感数据的工程地质三维建模，为建设单位更好的了解工程地质情况奠定了基础。

3.2 无人机遥感技术的应用

从目前国内外对此问题的研究现状来看，大部分的研究工作都是基于从卫星上获得的图像进行的。同时，在实践中还面临着勘探工作成本高，信息获取的灵活性差等问题。此外，目前卫星图像的空间分辨率一般仅为1m，不能适应新时代对高精度的工程地质勘探和设计的需求。随着我国航空航天领域的不断发展，航空航天领域也在不断发展壮大。将小型遥感装置与无人驾驶飞机相结合，能够根据人工计划好的路线进行航空测量，从而提高了遥感图像的准确率，并且易于操控，费用也更低。另外，无人机也能在同一地区进行多次飞行。地面工作人员可以随时观看无人机的航测画面，如果画面清晰程度不够，或者某些重点区域没有被拍到，还可以操作无人机再次对其进行多次拍照；直至获得清楚或完整的消息[4]。

3.3 在构造稳定性勘查中的应用

施工人员在进行施工作业之前，应进行结构的稳定分析，以防止外界环境因素对结构造成的破坏，从而延长项目的服务年限。有些地区的地表地质具有稳定的特点，但是其内部结构却有裂缝，当地表地质结构改变时，其稳定就不能得到保障。因此可以采用卫星遥感技术，既可以保证项目的安全，又可以全面了解项目的地质结构，获取更为精确的分析资料。利用卫星遥感技术，可以提高地质勘探的准确性，并通过对断裂的活性进行分析，对监控的内容进行综合分析；在工程开始之前，对断裂的活动程度进行判定，并将资料以报告的方式进行总结和转换。更为关键的是，通过遥感技术可以反映出特定的地质状况，并与局部的地形要素相联系，判断存在溶洞、地上河等的可能性，并对可能发生的不利的自然状况进行预报，以便及早采取相应的对策，保证水利水电工程的成功进行。边坡部位施工极易诱发泥石流、滑坡等灾害，对整个边坡的稳定构成严重威胁。为保证该项目的平稳运营，可依托于卫星遥感技术，对该项目的地质情况进行综合分析；结合现场勘察等作业手段，对影响河岸稳定的各种因素进行识别，以防止对河岸稳定造成危害[5]。

3.4 在水利水电工程泄露问题勘查中的应用

在水利工程中，由于存在着大量的渗漏现象，这些现象不仅会严重地降低其服役寿命，而且还会对整个项目的安全构成严重的威胁。所以，在施工过程中，有关工作人员应注意防止大坝泄漏事故的发生。泄漏事故发生的原因，是因为地下溶洞和断层带中存在大量的岩体，从而引起了岩体的风化。在进行之前，施工人员要对大坝漏水问题的产生原因进行精确的判定，依托于遥感技术来对项目现场的地质状况进行认识，并将注意力集中在地质分布上；进一步确定岩溶地区的主要地质构成，特别是发生了渗流问题的部位，并对其进行了详细的勘察，并提出了相应的对策；加强主体结构防渗加固[6]。

3.5 可视化技术的应用

可视化的遥感技术对地质勘探具有重要的意义。其中，利用三维地形模拟技术，主要有3类：①分形地形模拟；该方法以几何特征为基础，采用递推方法获取有关数据。但这种模式所获得的资料很少，而且其运算过程也很繁琐，不能很好地反映出地形地貌的特征，因此，其应用范围不够广泛[7]。②地形模拟模型的表面拟合。它可以表现出相邻面斜率的连续特性，但很难对方程的参数进行控制。③建立以真实条件为基础的地形资料仿真模型。该模型基于实际地形数据，对多边形进行仿真，主要是通过对实际地形的踩点，构造出对应的集合，来仿真地表形态。运用此模式，可对有关的地形进行全面的认识，其使用的优越性比较显著。尽管这种仿真模式可以表现出显著的线型特征，并且可以与绘制模式融合，但是随着地形数据量的不断增大，相应的多边形数也会随之增大；对最后的实时绘制工作产生影响。针对这一问题，本项目提出了一种新的方法，该项目采用三维地形的可视化技术，在清晰地形图特征的基础上，通过对地形图特征的描述，实现地形图特征的动态分析，进一步体现出可视化技术的优越性[8]。

4 结语

在水利水电工程建设中，地质勘探是最基本的一个步骤，以勘探得到的信息为依据，进行工程设计和施工，有利于防止坝基渗漏、坝体沉降等质量问题。所以，在进行工程地质勘探时，应尽量全面准确地获得项目所在地的地质情况。遥感技术不但能够利用直接摄影的方法，获取地面的物理、地质数据，还能够利用红外线、微波等方法，获取人类眼睛看不到的地下水分布、岩层含盐量的变化等信息，为水利工程设计提供了重要的参考数据。