激光测距仪在高陡边坡结构面产状测量中的应用
激光测距仪在高陡边坡结构面产状测量中的应用
作者:李华东;邓辉;姜永玲
高陡边坡结构面产状测量一直是困扰地质工作者的一个难题 ,而地质体中结构面及其组合特征是控制岩体稳定性的最重要的因素之一 ,因此 ,这些结构面产状的量测对分析和评价边坡及危岩体的稳定性显得尤为重要。为了更准确的获取高陡边坡上重要结构面的产状 ,国内外许多学者也曾开展了一些研究工作 ,主要方法有近景摄影测量和三维激光扫描。王树根、朱宜萱、邵巨良等人利用近景摄影方法获取目标岩体的立体像对 ,记录摄影像片的姿态角 φ、ω、k, 对像点坐标作适当改正后 , 进行坐标转换 , 获得结构面上点的空间坐标 , 以这些点为基础拟合空间结构面的平面方程 , 根据平面方程求出该结构面的倾向和倾角。河海大学李冬田还依据中心投影灭线和灭点的原理 , 提出了灭线法和灭点推导法计算结构面的产状 , 获得了较好的效果。但近景摄影测量方法需要有一个精度十分高的控制测量系统和一套完善的、适合处理节理面平度差的数据处理方法 , 且操作较为复杂。成都理工大学董秀军及贵州大学刘宏、向喜琼、高云河 [ 4 - 6 ]等人利用三维激光扫描获得边坡的点云数据 , 在三维坐标系中 , 设结构面的方程为 z = b0 + b1 x + b2 y, 然后选取结构面上的若干点 , 用回归分析的方法求得该方程的三个系数 b0 、b1 、b2 , 因此 , 该结构面的法向量为 p ( b0 、b1 、b2 ) , 法向量的方向余弦为 r( l, m , n) , 根据方向余弦与结构面倾向、倾角的关系 ,计算出结构面的产状。中国水利水电科学研究院何秉顺、丁留谦、孙平 [ 7 ] 等人根据三维激光扫描数据进行表面重建 ,应用模糊聚类方法对结构面进行分组 ,以 Fisher分布的值作为判断聚类效果的指标 ,通过去除边界点 ,逐步迭代获得出露岩体结构面的优势方位。用三维激光扫描数据分析得到结构面产状的方法具有测量速度快、精度高等特点 ,但是测量仪器昂贵且笨重 ,数据处理也比较复杂 ,仅用其进行产状测量 ,有“大材小用 ”之嫌。为了更简单、快速、准确地获取高陡边坡重要结构面的产状 ,作者将常用于光学、电子和测绘领域的先进仪器 ———激光测距仪引入到结构面产状的量测中 ,取得了很好的效果。
1 激光测距仪简介
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器 ,由于其重量轻、体积小、操作简便、准确迅速 ,被广泛应用于军事中的地形测量、战场测量、飞机和坦克对目标的测距等方面 ,在工业测控、矿山、港口等民用工程建设领域也有广泛的应用。
激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光 ,由光电元件接收目标反射的激光束 ,计时器测定激光束从发射到接收的时间 ,计算出从观测者到目标的距离。同时它还集成了电子水平罗盘和倾角罗盘 ,能够自动获取观测线的方位角以及观测线的仰角 (或俯角 ) ,它还能与 GPS接收机联合作业 ,将实测数据准确无误的记录下来并传输到计算机中 ,大大的提高了工作效率和精度。
2 工程实例
某隧道进口边坡位于渝利 (川 )铁路 D8K164 + 190~D8K164 + 820m 处 ,该边坡走向近南北 ,北高南低 ,坡前有公路通过 ,南侧距路面高差约 30 m ,北侧距路面最大高差约 240 m,边坡上部为三叠系上统须家河组 ( T3 xj)灰白 - 浅灰色厚 - 巨厚层状长石石英砂岩 ,砂岩底部为三叠系中统雷口坡组 ( T2 l)灰- 灰绿色薄 - 中层状泥质灰岩夹页岩 ,岩性较上部砂岩软 ,较易风化。边坡上、下部岩体的差异风化形成了目前的地貌特征:下部软岩风化形成凹腔后 ,上部被结构面切割成块状的硬岩掉落堆于坡脚形成岩堆 ,地貌上呈现出上陡下缓的特征 , 上部为砂岩裸露 ,下部为崩坡积物堆积。边坡岩体内节理裂隙较发育 ,且风化卸荷强烈 ,在上部砂岩陡壁上发育有大量危岩体 ,威胁着隧道施工的安全 ,见图 3。由于边坡相对高差大 ,且上部岩壁十分陡峭 ,给危岩体的调查带来了极大的困难。危岩体后部结构面的延伸情况及贯穿程度是危岩体稳定性的控制性因素 ,控制性结构面产状的准确量测对确定危岩体体积及规模具有十分重要的意义。
危岩体 W 2 (见图 3 )是陡壁上的一个规模巨大且对铁路线安全具有较大威胁的块体 ,该块体稳定性主要由后部结构面控制 ,该结构面为坡表岩体向坡外卸荷形成 , 较平直粗糙 , 陡倾坡外 , 张开约 20 cm ,无充填 ,见图 4。为测得该控制性结构面产状 ,在该面上任意选取不共线的 3点 ,测得其 R、B 、I数据 , 见表 2。通过计算 ,该结构面产状为 25610°∠6914°,在切过 W 2的纵剖面上 ,按实际产状标出该结构面 ,由此可确定该危岩体的厚度 ,见图 5。根据危岩体的高度、平均厚度及长度可估算该危岩体的体积。
3 结论
通过对测得的 20 余组结构面的 R、B 、I值进行坐标变换、拟合平面方程及求解平面方程的外法线方向余弦 ,可以计算出结构面的产状 ,误差分析结果表明 ,计算产状与实测产状基本吻合 ,倾向绝对误差基本都在 4°~7°范围内 ,相对误差基本都在 2% ~ 4%范围内;倾角绝对误差基本都在 1°~2°范围内 ,相对误差基本都在 1% ~3%范围内 ,能够满足工程需要 ,说明激光测距仪测量的 R、B 、I数据能够用于计算结构面的产状 ,且具有很高的精度。
利用激光测距仪测算产状是对传统地质工作中产状测量方式的一种改进和创新 ,这种非接触式的测算方式在高陡边坡结构面产状测量中具有十分重要的意义 ,它不仅提高了野外工作的效率 ,而且也降低了测量风险 ,同时也具有较高的精度。当然 ,这种测算方式也有其弊端 ,它要求结构面在坡表出露较好且较平直 ,对于那种在坡面出露较小或线状出露的结构面不适用。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除