基于地面三维激光扫描的南港危岩崩塌稳定性评价

冉淑红 郑艺龙 张长敏 贺瑾瑞 郝春燕 杨博 吴家悦 于兆林 张文丽

摘 要：崩塌是北京地区最为频发的突发地质灾害类型，因多分布于高陡斜坡，具有较高突发性和危害性，其勘查工作是长期困扰工程技术人员的难题。利用三维激光扫描技术对北京市门头沟区南港崩塌进行调查，结合点云数据和高清影像数据，构建崩塌三维空间模型，获取崩塌结构面和危岩体特征参数，评估危岩体稳定性和危害性。基于空间模型，自动识别及提取69组结构面信息，将其归纳为4组。利用4组节理面对坡体和危岩体的稳定性进行计算，结果表明，研究区易沿J1结构面发生倾倒式崩塌，易沿J2和J3结构面切割形成的楔形体发生滑移式崩塌。3处典型危岩体，在正常工况下1处为欠稳定，2处为基本稳定，在暴雨和地震条件下，1处为不稳定，2处为欠稳定。落石运动轨迹模拟分析显示98，6%的落石会撞击或经过居民房屋，直接威胁居民人身安全。

关键词：三维激光扫描；南港崩塌；危岩体；稳定性评价

Stability evaluation of rock collapses in Nangang village with 3D laser scanning

RAN Shuhong1， ZHENG Yilong1， ZHANG Changmin1， HE Jinrui1， HAO Chunyan1，

YANG Bo2， WU Jiayue1， YU Zhaolin1， ZHANG Wenli2

（1.Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China；

2.Beijing Tianhe Daoyun Technology Co.， Ltd. ， Beijing 10085， China）

Abstract： Rock collapse is the most frequent type of sudden geological hazards in Beijing area. Mostly developed on high-steep slopes， this kind of collapses is difficult to investigate through the traditional contact survey method. In this paper， the three-dimensional （3D） laser scanning is used to investigate Nangang rock collapse in Mentougou District， Beijing. By combining the point cloud data and high-definition image data， the 3D space model of the Nangang collapse is constructed. On this Basis， the development characteristics of structural planes in the study area are analyzed， and three typical dangerous rock masses are selected for characteristic parameters. These parameters provide data support for the stability analysis of dangerous rock masses. Rockfall software is used to simulate and analyze the movement track of these typically dangerous rock masses， and the danger posed by rock collapses to nearby houses is studied. The results of this work provide important references for the exploration and stability evaluation of rock collapses in Beijing.

Keywords： 3D laser scanning; Nangang collapse; dangerous rock mass; stability evaluation

北京是世界上地質灾害较为严重的首都城市之一，其中崩塌灾害发生的频度和广度最大（王海芝等，2020；李岩等，2023）。在北京现有的突发地质灾害隐患点中，崩塌隐患点占比约75%，北山的一个隐患点仅2022年就发生了3次崩塌。相对于滑坡、泥石流等地质灾害，崩塌灾害分布更广，更具隐蔽性、突发性和多发性，其监测工作也更为困难，因而快速实现应急勘查和稳定性评价工作极为重要。

自20世纪90年代中期以来，三维激光扫描技术已被广泛应用于土木工程、自然灾害调查、文物古迹保护等各个行业领域（马福贵等，2017；朱杭琦等，2022；王永刚等，2023），在地质灾害防治工作中体现出较大优势，取得了理想的应用效果（董秀军等，2006）。Du Jiachong等（2007）通过三维激光扫描和GPS技术对台湾西北部山区的一处滑坡进行了体积估算；褚宏亮等（2015）以重庆南川甑子岩危岩体为例，提出采用三维激光扫描技术对高陡危岩、大型崩滑灾害变形进行监测、分析；刘昌军等（2011）应用激光扫描技术对岩体结构面进行了半自动统计研究，得到了边坡裂隙结构面分布规律和几何信息，提高了分析的效率和精度；Ji Haowei等（2019）通过融合三维激光扫描和无人机影像数据，对滑坡区3D地形特征进行重建；李俊宝等（2020）以重庆市武隆县鸡冠岭的危岩体为研究对象，探讨了3D激光扫描技术在危岩体变形监测中的应用；Tarolli等（2020）总结了三维激光扫描的原理和发展现状，并以AKatani 滑坡为例探讨了其在滑坡分析中的应用。综上所述，三维激光扫描技术越来越多地被应用于地质灾害工作中。

与全站仪、GPS等传统的单点测量不同，三维激光扫描技术实现了对观测对象面的测量，在地质灾害勘查中具有非接触测量、数据采样率高、精度高等优势（许伟等，2015；刘锦程，2012；Barbarella et al.，2015）。对于坡体较陡，且相对高差较大的斜坡，人工现场调查难度大，危险性高，采用以地面三维激光扫描技术为主，现场调查为辅的手段对研究区全面调查、分析、评价，取得了良好效果。本文采用地面三维激光扫描技术开展南港崩塌调查，获取地形点云数据和高清影像资料，建立空间模型，获取崩塌结构面和危岩体特征参数，分析评估危岩体稳定性和危害性，研究成果对三维激光扫描技术在北京地区崩塌灾害防治和预警工作具有重要参考价值。

1  研究区概况

南港崩塌位于北京市门头沟区王平镇东部的低山区，属地质灾害高易发区（赵越等，2015；叶泽宇等，2023）（图1）。该区总体地势西高东低，崩塌所在坡体相对高差31 m，倾向50～110°，倾角较陡，约35～90°；坡宽约72 m；斜坡顶部较为平整，有长约40 m、宽约10 m的空地。坡体下方为村民房屋，一旦发生崩塌灾害，将威胁下方村民生命财产安全。

边坡顶部和底部有杂草灌木，以灌木为主，覆盖率达80%以上。通过地质雷达、电法勘探和槽探揭示，研究区坡体物质组成主要为第四系坡积物和侏罗系窑坡组一段砂岩，砂岩上部强风化，中下部为中风化。第四系坡积物厚度0.5～1.5 m，以碎石土为主；强风化砂岩厚度4～5 m，呈破碎状，无优势节理；中风化砂岩主要分布在坡体中下部，厚约13 m，呈灰黑色，总体倾向165～175°，倾角15～25°。

研究区构造上处于北京西山坳陷，九龙山向斜北翼西北部。九龙山向斜为一复式向斜，轴的走向大致为北东60°，轴长逾30 km。向斜核部由九龙山、龙门组、窑坡组及南大岭组构成，外围间断分布二叠纪、石炭纪地层，北翼还出露奥陶纪、寒武纪地层，两翼地层北翼陡南翼缓（唐春雷等，2015）。区内岩体节理裂隙发育，大部分裂隙上下贯通，裂隙宽5～100 mm，岩体在切割作用下呈裂隙块状，裂隙内多有泥土充填（图2-a）。受构造影响，研究区易发生崩塌灾害，已出现落石现象，坡脚可见大量崩落的石块（图2-b），块径0.2～0.8 m，隐患点对坡下居民、建筑有较大威胁。

2  三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是测绘领域继GPS 技术后的又一次技术革命。它采用非接触式高速激光的测量方式，无需在现场布设标靶，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，获得点云数据。海量点云数据经过三维重构可再现危岩崩塌现状，并输出相关成果，为危岩体稳定性分析提供基础数据（王首智，2014；王梓龙等，2016）。

三维激光扫描仪主要由硬件和软件两部分组成，可分为手持激光扫描仪、地面激光扫描仪和星载（机载）激光扫描仪。针对南港崩塌隐患点的特殊地质条件，考虑到精度和仪器有效工作距离因素，本次扫描工作选用了地面激光扫描仪——Maptek I-Site 8820超长距离三维激光扫描仪。其有效测距为2.5～2 000 m，采样率为80 kHz，精度为毫米级（表1）。Maptek I-Site 8820集成高分辨全景同步数码相机，采用配套的I-Site Studio 6.0数据后处理软件完成数据处理工作。

2.1  外业数据采集

外业数据采集主要是选择合适的架站位置（图3）和合适的扫描档位，以增加通达度和点云数据密度。Maptek I-Site 8820可实现水平360°全景扫描，但由于南港崩塌的边坡范围较小，无需进行全景扫描。可先进行全景预览，然后圈定需要的扫描区域，对圈定区域进行精细化扫描。Maptek I-Site 8820内置了测量型望远镜，可通过其进行后视定向，此时采集的点云数据无需拼接；如在现场无法进行后视定向，则可选用内置罗盘进行定向，但此时采集的数据需要后期进行方位校正。研究区边坡测量共架设9站，采集点2 692万个，同时还采集了边坡影像数据。

数据拼接由I-Site Studio 6.0软件完成，采用的算法為迭代就近点法，即ICP数据匹配算法，该算法是点云匹配最常用的算法，也是点云匹配精度较高的算法（周春艳等，2011）。

2.2  内业数据处理

三维激光扫描技术在地质灾害勘查中应用的核心工作是数据处理，通过I-Site Studio 6.0软件，可进一步建立边坡模型、提取节理信息，这些数据对于崩塌稳定性的定性分析、定量计算以及提出治理方案起着重要作用（周游，2023）。

1）建立边坡模型

首先建立工程数据库，在对外业采集的原始点云数据（图4）进行数据拼接的基础上，进行数据噪声点去除和数据抽稀，包括按范围过滤、地形过滤和植被过滤，最后采用简单常用的建模方法——地形建模，建立边坡模型（党杰等，2022）。南港边坡模型如图5所示。

2）提取节理信息

结构面是影响岩体稳定的主要因素，传统调查方法主要利用罗盘现场接触裸露岩体进行结构面测量，但当岩体存在崩塌危险时，人工测量存在较大危险性。利用三维激光扫描数据可以在远距离操作的情况下，清楚反映结构面微小变化，通过点云坐标重构结构面，生成结构面产状，同时还可以得到不同组结构面的间距和迹线长等几何信息（叶岩磊，2023）。

基于建立的南港边坡模型，结合全景照片，选择没有被堆积体覆盖或很少覆盖，节理裂隙比较清晰的坡面，利用软件内置的岩土工程模块结构面自动识别及提取功能，分别提取边坡岩体结构面信息。其原理：对于原始数据点集P，计算出每个点P i的最近邻点集Q i，利用主成分分析算法检查每一组Q i的共面性，对于每组共面性合格的点集Q i，利用奇异值分解方法计算出法向量，再转换为结构面产状。产状统计结果见表2。结合研究区野外调查的主要节理产状（图6）和迹线投影图获得不同组节理的间距和迹线长（图7）。

3  结果与讨论

3.1  危岩体破坏机理与稳定性分析

通过对三维激光扫描数据的统计以及玫瑰图分析（图8），可以看出研究区节理裂隙以走向南北向最为发育。经现场测量，主要的结构面有4组，分别为：①层面：165°∠15°；②J1：250°∠75°；③J2：140°∠80°；④J3：10°∠65°。这4组结构面将岩体切割成块状，此外还存在一些无序的裂隙。

对坡体结构面进行极射赤平投影分析（图9），可以判断出J1结构面与坡体倾向相反，倾角陡立，边坡整体处于欠稳定状态。研究区容易沿J1结构面发生倾倒式崩塌。另外J2和J3结构面切割形成的楔形体，与坡面方向一致，且倾角小于坡角、大于内摩擦角，容易发生滑移式崩塌。

根據研究区总体结构特征，将区内分为南北2段，北段坡体较陡，坡度75～90°，局部反倾；南段坡体相对较缓，坡度37～53°。为进一步认识南港崩塌的稳定性，得到各危岩体几何特征和空间分布状态等信息，选取典型危岩体NJ01、NJ02、NJ03进行稳定性分析，三者岩性均为中—强风化砂岩。

对于危岩体的识别主要根据其所在区域的结构面信息。若只有1个主要结构面，首先判定该结构面（层面）和整个边坡面的倾向是否相同，若相同再判定结构面的倾角α是否比边坡面的倾角β小，若结构面倾角更小，该区域岩体被定为危岩体；若有2个主要结构面，则判定两个结构面组合交点的夹角，是否比天然边坡的夹角大，若大于边坡面，该区域岩体也被定义为危岩体。根据这一判别依据，利用不同颜色对点云进行标注，进而在I-site studio软件中划分危岩体。利用三维模型精准测量指定危岩的产状、高程、规模等数据，并绘制立面图（图10）和剖面图（图11）。NJ01位于坡体北段，分布高程约290 m，距坡脚高差约13 m，危岩体呈块状，规模为2 m × 1 m × 0.5 m，下方失去支撑，岩层产状为165°∠15°，主要发育2组节理，后缘节理产状为250°∠75°，侧向节理产状为140°∠80°，均已贯通；NJ02位于NJ01北侧约5 m，分布高程约295 m，距坡脚高差约18 m，危岩体呈长块状，规模为3 m × 2 m × 1 m，下方无支撑，岩层产状165°∠15°，发育2组节理，底部节理产状为10°∠65°，裂隙已贯通，侧向节理产状为330°∠80°；NJ03位于坡体南段中上部，分布高程约296 m，规模为2 m × 1.5 m × 1 m，下方无支撑，岩层产状175°∠20°发育3组节理，底部节理90°∠30°，后缘节理330°∠80°，侧向节理为240°∠70°，危岩体下方无支撑。

study area

稳定性计算主要采用DB11/T 1524—2018《地质灾害治理工程实施技术规范》推荐的计算方法。根据赤平投影分析可知，NJ01危岩体失稳方式主要为倾倒式，NJ02和NJ03危岩体失稳方式为滑移式，相关计算公式如下：

1）滑移式稳定性计算公式

后缘无陡倾裂隙时按下式计算

F=（（Wcosθ-Qsinθ-V）tgφ+cl）/（Wsinθ+Qcosθ） （1）

式中：V为裂隙水压力（kN·m-1），V=1/2 γ_w h_w^2；h_w为裂隙充水高度（m），取裂隙深度的1/3；γ（_w^） 为取10 kN·m-1；Q为地震力（kN·m-1），按公式Q=ξ_e×W确定，式中地震水平作用系数本区ξ_e取0.2；F为危岩稳定性系数；c为后缘裂隙黏聚力标准值（kPa）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段黏聚力标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段黏聚力标准值取岩石黏聚力标准值的0.4倍；φ为后缘裂隙内摩擦角标准值（kPa）；W 为岩块重度（kN·m-3）；c为黏聚力（kPa）；l 为滑动面长度（m）。当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍；θ为软弱结构面倾角（?），外倾取正，内倾取负。

2）倾倒式稳定性计算公式

由后缘岩体抗拉强度控制时，其计算公式有2个。

当危岩体重心在倾覆点之外时，

（F=@（1/2 f_lk?（H-h）/sinβ （2/3  （H-h）/sinβ+b/cosα cos（β-α）））/（W?a+Q?h_0+V（（H-h）/sinβ+h_w/3sinβ+b/cosα cos（β-α）） ）） （2）

当危岩体重心在倾覆点之内时，

（F=@（1/2 f_lk?（H-h）/sinβ?（2/3  （H-h）/sinβ+b/cosα cos（β-α））+W?a）/（Q?h_0+V（（H-h）/sinβ+h_w/3sinβ+b/cosα cos（β-α）） ）） （3）

式中：h为后缘裂隙深度（m）；h w为后缘裂隙充水高度（m）；H为后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离（m）；a为危岩体重心到倾覆点的水平距离（m）；b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离（m）；h 0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离（m）；f lk为危岩体抗拉强度标准值（kPa），根据岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定；α为危岩体与基座接触面倾角（?），外倾取正值，内倾取负值；β为后缘裂隙倾角（?）；V为后缘裂隙静水压力（kPa）。

计算过程中相关物理力学参数依据试验资料、野外调查资料及地区经验来综合确定。南港危岩体主要为窑坡组砂岩，主要物理力学参数见表3。

经计算：NJ01危岩体在正常工况下为欠稳定，在受到暴雨和地震作用情况下为不稳定；NJ02、NJ03危岩体在正常工况下为基本稳定，在暴雨和地震条件下为欠稳定。稳定性评价结果见表4。

3.2  典型塊体崩落运动路径分析

采用RocFall软件，选取南港勘查区北段的一条剖面进行崩塌危岩体失稳运动计算，计算时假定危岩体位置位于坡顶部位，危岩近圆形。治理区岩体主要为砂岩，边坡陡崖段为裸露砂岩，边坡中下段为有植被覆盖的砂岩，下段为有植被覆盖的碎石土。陡崖为裸露的基岩（砂岩），根据砂岩风化情况和节理裂隙的发育情况，从偏于安全的角度考虑，裸露砂岩、有植被覆盖的砂岩和有植被覆盖的碎石土的弹性系数取值见表5。

根据现场调查情况，该边坡顶部落石方量一般按0.024 m?计算，岩石密度按2 940 kg·m-?考虑，故模拟计算时，落石重量为71 kg。落石的形状根据现场踏勘和偏于保守的角度考虑为近于圆形落石 （倾倒破坏形成的块石多为多面体或者楔形体，较难在下落时滚动）。出于偏保守的考虑，模拟分析时未考虑落石可能摔碎、破裂的情况。

根据现场实际地质条件和危岩发育情况，假定危岩分布处于陡崖顶部，利用Rockfall软件进行了100次落石模拟，通过计算得到落石运动轨迹（图12）。危岩体从母岩崩落后首先进行坠落运动，至植被覆盖的砂岩性段，由于坡角变缓，落石发生轻微跳跃、滚动，此段之后坡角再次变陡，落石发生跳跃，最后落到有植被覆盖的碎石土和民房，并滚至远处。

根据模拟分析结果，在民房处弹跳高度为0～2 m（图13），危岩最大能级约14 kJ（图14），通过落石运动轨迹统计分析，落石98.6%会落到或经过居民房屋，直接威胁居民人身安全。

4  结论

利用三维激光扫描技术对南港崩塌进行勘查，获取点云数据，经过数据拼接、除噪、抽稀和过滤，建立南港崩塌边坡模型。在此基础上对其结构面和危岩体特征进行分析，进而对该崩塌灾害的稳定性进行计算，并分析了其崩落路径。结论如下：

1）研究区容易沿向南西西陡倾的结构面（J1）发生倾倒式崩塌（如NJ01危岩体），而由向南东陡倾（J2）和向北陡倾（J3）的结构面切割形成的楔形体易发生滑移式崩塌（如NJ02、NJ03危岩体）。

2）NJ01危岩体在正常工况下为欠稳定，在受到暴雨和地震作用情况下为不稳定；NJ02、NJ03危岩体在正常工况下为基本稳定，在暴雨和地震条件下为欠稳定。

3）从危岩体的落石模拟运动轨迹来看，这些危岩体崩塌之后有98.6%的概率会落到居民房屋上，直接威胁居民人身安全。

4）三维激光扫描技术采用远距离非接触扫描方式进行测量，可快速获取被测物体表面的整体信息，是进行崩塌灾害调查评估的有效手段。尽管目前还存在测量距离有限，受植被覆盖影响等制约，但随着技术的不断成熟和相关应用的逐渐积累，三维激光扫描技术适用范围会越来越广，将更好地服务于地质灾害的调查、排查以及监测预警工作。

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