水利工程中工程地质和水文地质勘测方法研究

黄会妙

(温州市水利电力勘测设计院有限公司,浙江 温州 325000)

0 引 言

水利工程中的工程地质和水文地质勘测是确保工程安全和可行性的重要环节,尽管目前勘测手段繁多,但仍面临一些挑战和不足[1]。首先是勘测所涉及的区域广大、复杂,有时难以获得全面且具有代表性的数据。同时,勘测设备和技术在某些特殊地质条件下的应用仍有局限性,可能导致勘测结果的误差和不确定性[2-3]。其次是工程地质和水文地质勘测需要大量的人力、物力和财力投入,导致在一些地区和项目中,由于资源有限,勘测工作的质量和范围可能受到限制。

随着遥感技术的快速发展,其在地理信息系统以及工程和水文地质勘探领域的应用已经取得显著成效。在工程地质勘探中,遥感技术可以为设计者提供关于地表条件、地质构造、地下水分布等详细信息,有助于优化工程方案。在水文地质勘探领域,利用遥感技术可更准确地分析地表水、地下水资源,并制定合理的水资源管理策略[4-5]。

为此,本文设计一种基于遥感技术的地理信息系统(GIS),以期能为水利工程中的地质勘探提供新的思路。研究创新点是结合遥感技术和地理信息的优势,设计一个用于水利地质勘测的系统。该系统进行坝基岩性识别时,通过充分利用Landsat系列卫星的多波段特性,组合分析不同波段的光谱响应,提高岩石类型的识别精度。利用高精度点云数据,转化为网格数据后,生成数字地面模型(DEM),对DEM进行多角度的分析,如剖面分析、坡度和曲率计算、等高线生成等,以实现对坝基地形的全面、深入评估。

1 水利工程地质分析及水文地质勘测

1.1 水利工程中工程地质与水文地质勘探分析

1.1.1 水利工程建设

工程地质和水文地质的勘探与分析是确保水利工程建设顺利进行的重要部分。工程地质包括地质结构、地质环境、地形地貌等,而水文地质则包括区域内的水文特征、水质条件及运动、水资源评价等。主要工作则涉及地质测绘、坝基工程分析、边坡工程分析、地下工程分析、软土基坑分析等。在进行水利工程建设时,首先需要对整个工程的地质进行测绘。测绘需联系实际的地理信息,按照相关标准进行。而遥感技术在地质地形图和专题图的绘制上具有强大的优势,利用测绘遥感技术对卫星拍摄的影像资料进行分析和解读,可以得到区域地质的三维地形信息。对地形信息进一步处理,排除干扰因素,可得到精度较高的区域地形图。如果把不同波段的遥感数据影像当作载体,并进行不用地段的信息分析,则可以确定区域地段的地质构造、地理环境等[6]。

1.1.2 坝基工程

坝基工程是指用于建设大型水坝的地基工程。地质勘探的目的是了解坝基的地质情况,包括地质构造、地质层位、地质稳定性等,以评估坝基的承载能力和稳定性等。对于坝基工程的勘探:①可以通过遥感获取地形地貌、地质构造等信息,结合GIS进行空间分析,评估潜在坝址的可行性和适宜性。②可以利用遥感影像和地质图等数据,结合GIS进行地质构造分析、崩塌滑坡等地质灾害风险评估,为工程勘探提供地质背景信息。③可以利用遥感影像和地形数据,结合GIS平台进行三维可视化分析,对坝基工程勘探区域进行立体展示,帮助设计人员更好地理解和分析地形地貌特征[7]。

1.1.3 边坡工程

边坡工程是指对山坡、河堤和土坡等地质体进行稳定分析和设计,以确保其在各种力和环境条件下的稳定性。对于边坡工程的勘探:①可以通过遥感技术获取区域地形数据、植被覆盖情况、土地利用和变化等信息。②可以通过遥感技术对边坡的地形进行测量和分析,确定边坡的坡度、坡高、坡角等参数,评估边坡稳定性,并选择合适的边坡保护和加固措施。③可以利用地理信息系统对边坡工程的空间数据管理和分析,整合出不同数据源的地理信息如遥感数据、地形数据、工程数据等,进行地理数据的集成、存储和查询[8]。

1.1.4 地下工程

地下工程分析在工程与水文地质勘探中占有重要位置。地下工程涉及挖掘和建造设施在地下,如隧道、桥梁基础、地下停车场、矿井,以及地下供水、排水和石油管道系统等。对于地下工程的勘探:①可以通过遥感技术识别土壤类型、植被覆盖度、地下水埋深、含水层条件等,GIS技术将这些数据整合成土壤图、植被图或水文地图。②可以通过遥感技术获取地表特征和地质结构的详细信息,如岩层、断层、构造带等,GIS则可以将这些地质数据整合成地质图以供分析。③可以通过遥感技术和GIS可用于识别并分析地下工程场地周边的环境风险,如地震危险性、洪水泛滥区、污染源、滑坡危险区等[9-11]。为了进一步精确地对水利工程中工程地质和水文地质进行勘测,需融合遥感技术的优势对地理信息系统进行设计。

1.2 基于遥感技术的水利工程水文地质勘测方法

1.2.1 系统架构

为了全面精确地对水利工程中工程地质和水文地质进行有效勘测,结合遥感技术和地理信息系统的优势,设计了基于遥感技术的地理信息系统[12]。该系统主要由信息采集模块、数据传输模块等5个模块组成。其技术架构和总体结构见图1。

图1 系统的总体架构与结构

1.2.2 水利工程地质勘测方法设计

以坝基工程为例,使用研究设计的勘测系统进行勘测时,首先采用卫星和航空拍摄等遥感手段获取高分辨率的遥感影像,并对图像质量进行预处理,去除云和阴影、改进图像清晰度等,以获得较准确的地表信息。具体见图2。

图2 采集水利工程地表信息

进行坝基岩石类型识别时,因不同岩石类型具有不同的光谱特征,研究所设计系统通过Landsat系列卫星不同波段的遥感影像和特征参数进行岩性识别[14]。利用TM5波段对坝基的岩性进行识别,TM5波段在中红外光谱范围内,对不同类型的岩石具有很好的区分能力,能准确识别出岩石的类型。在TM5波段中,大小不同、成分差异的岩石,如花岗岩、石灰岩、玄武岩等,都有其独特的反射率,各自的光谱特征都表现出明显的差异。因此,通过仔细分析TM5波段的光谱特征,能准确识别和区分出这些岩石类型。另外,利用TM2波段对坝基上植被进行识别。植被在TM2波段具有较高的反射率,而岩石和土壤的反射率较低。对于水体的识别,则采用TM1波段。因为水体在该波段下的反射率较低,与其周围的岩石和植被有很大的反差。因此,通过观察和分析TM1波段的光谱特征,可以成功地区分水体、岩石和植被,从而实现对水体的精确识别和提取。

进行坝基地形分析时,使用系统中的激光雷达对坝基地区进行扫描,获取工程的地表信息,然后对信息数据进行除噪等预处理。将处理后的数据转换成点云形式,即由大量离散的三维坐标点组成的数据集。每个点都对应激光雷达扫描过程中测量到的地表位置坐标,由于点云中还包含建筑物、植被等非地面物体的点,需要采用地面提取算法,将地面点与非地面点进行区分和筛选。将地面点云数据转换为网格数据,将离散的点云数据转换为规则的网格结构,以便后续分析与可视化。基于网格化的地面数据,生成数字地面模型(DEM)。

DEM是由坝基地区地表高程值构成的二维栅格数据,可以反映地表的高程、起伏和形态等情况。利用生成的DEM进行地形分析,通过对DEM进行视觉化、剖面分析、坡度和曲率计算、等高线生成等操作,对坝基工程进行评估。剖面分析是在视觉化的基础上,对地形的垂直剖面进行分析,展现从一个坐标点到另一坐标点的地形变化[15]。需选择所需的剖面轨迹,然后在DEM上提取参考线,生成高度概要信息。坡度可以用来表示地面的倾斜程度,曲率表示地面的弯曲程度。较大的坡度或者曲率值较大,则表示地形变化剧烈,会对坝基的稳定性造成威胁。在GIS software或程序语言中,基于DEM数据使用插值算法生成等高线。通过观察等高线图,可以对坝基地形的平缓性、均匀性进行初步判断。

2 水利工程水文勘测结果分析

某省计划在A县城周边修建一项水利工程,该工程建成后,预计向A县城及周边乡镇供水约3 000×104m3,解决A县城15.36万人、3.89×104头牲畜的饮水问题,同时为周围地区0.575 3×104hm2耕地农田提供灌溉,每年的供水量预计2 36 7×104m3。此外,在该工程附近还建有水电站,水电站总装机规模为3.0×104kW。

为了对工程建设的设计以及方案编制提供相应的依据和参考,现对工程中坝基工程的岩体类型进行勘测。首先对所设计系统的地质图绘制的并发性进行测试,结果见图3。

图3 地质静动态地图并发性测试结果

由图3可知,绘制静态工程和水文地图时,只有传统单一的GIS系统的响应时间增加,其他3种系统的响应时间几乎不变,并且研究所构建系统的响应时间最少,在静态工程地质和水文地质中分别用时约9.9和5.1s。而在动态工程地质和水文地质中,随着工程地质中动态地图绘制图片数目的增加,4个系统的响应时间均增加。但是研究系统的增长相对缓慢,绘制10幅动态工程地质图约53.6s,而传统单一的GIS系统增长最快,绘制10幅动态工程地质图需约136.4s。文献[15]和文献[16]中的系统分别用时约92.3和104.6s。由图3(b)可知,仍是研究系统的响应时间最少,绘制10个动态水文地质图约49.6s。文献[15]、文献[16]以及传统的GIS系统绘制10个动态水文地质图分别用时60.5、82.6、124.5s,表明系统的并行性较好,可以同时绘制多幅地形图。

然后分两次采集,对水库工程地区的频谱进行分析,结果见图4。

图4 频率波段采集结果

由图4可知,两次采集仅有细微差别,这是因为坝基地质环境会时刻变化,且受云层厚度影响等因素导致的。由图4(a)可知,该工程坝基区域的亮度范围约为0～0.8,频率范围约为0.6～8.6Hz。而纯水区域的亮度范围约为0.4～1.4,频率范围约为0.2～17.3Hz。测试结果的曲线几乎与标准值一致,表明该水利工程在坝基区域的亮度和频率特征基本符合预期,没有明显异常。

再对该水库工程的地质岩层进行勘测,结果见图5。

图5 A县城水库周围地形岩层勘测结果

由图5可知,在该地区的岩石层中,包括花岗岩、石灰岩、砂页岩、砾岩以及沉积物等。该地区水库周围主要以砂页岩和砾岩为主,可以用于水利工程中水力发电厂和堰坝的建设。而且在工程施工中,可以通过挖掘和爆破进行开采,并能够提供良好的地质稳定性,确保水利工程的安全运行。花岗岩分布在水库较近的位置,可以提供可靠的基础支持和抵抗水流冲刷的能力。石灰岩分布位置距离水库相对较近,可以作为水利工程中的透水层,使地下水能够自然流动并补充地表水资源。沉积物主要处于河流下游,可以用于填筑土地、修筑河道和水库,以增加水利设施的容量和稳定性。其间还分布有较多的断层,工程修建需避开这些区域。通过研究设计的系统对工程地质进行勘探,得到不同类型的岩石分布,以此为基础可建设出更安全、可靠、高效的水利工程。

最后对水库工程的坝基进行地形分析,结果见图6。图6中,A位置等高线相对稀疏,等高线范围在560～740m,可为工程设计和施工提供依据,降低风险,确保项目的顺利进行。由图6可知,该工程位置相对平坦,平坦的地形通常意味着更稳定的地基,减少了滑坡、塌方等地质灾害的风险,有助于降低土方挖填量,减少项目的工程成本。地势起伏小,对于基础设施建设和工程进度的影响较小,可提高施工效率。结合前文的岩层分析,该处土壤以砂页岩和砾岩为主,适合水利工程项目建设。此外,根据水文勘测,该处远离水文勘测,适合A县城水利工程项目的建设。

图6 工程位置地质分析

3 结 论

本文分析了工程地质和水文地质勘探的主要工作,阐述了遥感技术和地理信息系统在勘探中的作用和方法,设计了基于遥感技术的地理信息系统,并以A县水利工程项目为例进行了应用分析。结果显示,研究方法绘制2 500个动态工程和水文地质要素分别用时约3.8和3.2s,绘制速率较快;测得坝基区域的亮度范围约为0～0.8,频率范围约为0.6～8.6Hz。针对该勘测岩层类型,测得该地以砂页岩和砾岩为主,并且所处位置等高线范围在560～740m,相对稀疏,地势平坦稳定,利于项目顺利建设。