基于三維激光掃描技術(shù)的巖體RQD獲取方法與程序

郭少文，趙其華，張 兵，梅朱寅

（1．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430052；2成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3．浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310030）

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基于三維激光掃描技術(shù)的巖體RQD獲取方法與程序

郭少文1，2，趙其華2，張 兵1，梅朱寅3

（1．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430052；2成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3．浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310030）

摘 要：在西南地區(qū)巖質(zhì)邊坡高陡的特殊地形條件下，常規(guī)的地面地質(zhì)調(diào)查方法難以開(kāi)展。引入三維激光掃描技術(shù)獲取邊坡體出露的結(jié)構(gòu)面各項(xiàng)幾何參數(shù)（產(chǎn)狀、間距、跡長(zhǎng)），然后以這些地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)生成不同走向網(wǎng)絡(luò)圖，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)圖上布置人工虛擬鉆孔來(lái)計(jì)算得到巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）。結(jié)果表明：提出的方法適用性較強(qiáng)，方便可靠，不僅解決了常規(guī)地質(zhì)調(diào)查方法在高陡邊坡地段難以開(kāi)展的問(wèn)題，而且還克服了以往鉆孔巖芯獲取巖體RQD指標(biāo)數(shù)據(jù)少、誤差大的缺點(diǎn)，獲得巖體RQD指標(biāo)經(jīng)過(guò)修正后能滿足工程實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬；網(wǎng)絡(luò)圖；高陡巖質(zhì)邊坡；巖體質(zhì)量指標(biāo)；RQD

1 研究背景

巖石質(zhì)量指標(biāo)（rock quality of designation，RQD）是評(píng)價(jià)巖石質(zhì)量的重要定量指標(biāo)，自從被提出來(lái)，就被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。1981年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Samaniego又提出巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼在該方面做出了很多探索性研究，這就為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)來(lái)獲取巖體RQD提供了較為便捷的手段，并解決了在有限的鉆孔中獲取巖體RQD不能全面反映巖體質(zhì)量的問(wèn)題［1］。

但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多的工程相繼在西南高山峽谷地區(qū)開(kāi)始建設(shè)，隨之遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。例如，在評(píng)價(jià)大型跨越工程兩岸邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，就會(huì)遇到這樣的問(wèn)題。由于河谷演化到峽谷期，兩岸邊坡高陡，坡度多在45°以上，甚至接近垂直，這種特殊的地形條件給現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查工作帶來(lái)極大麻煩，現(xiàn)階段只能依靠有限的鉆孔資料來(lái)評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量情況。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出使用三維激光掃描技術(shù)解譯邊坡巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，并結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)來(lái)獲取巖體RQD的方法，能夠?yàn)槿肆﹄y以企及的峽谷地區(qū)的高陡邊坡研究提供更為豐富的基礎(chǔ)資料。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

2．1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的獲取地面空間多目標(biāo)三維數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離影像測(cè)量技術(shù)，被譽(yù)為“測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命”。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展與推廣，引起了巖土、地質(zhì)工程師們的充分重視，并將其成功應(yīng)用到工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)和地質(zhì)編錄等工作中來(lái)。這種非接觸式遠(yuǎn)距離測(cè)量技術(shù)在保證精度的同時(shí)可以節(jié)約大量人力與時(shí)間。三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)能夠完成對(duì)高陡邊坡的結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、間距等要素進(jìn)行解譯，圖1為使用擬合結(jié)構(gòu)面進(jìn)行產(chǎn)狀測(cè)量示意圖。

對(duì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的解譯方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［2］。通過(guò)后處理軟件Polyworks對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行擬合（見(jiàn)圖1。）通過(guò)擬合可以得到結(jié)構(gòu)面的一般方程式，即

Ax＋By＋Cz＋D＝0 。（1）式中A，B，C，D均為擬合平面方程的參數(shù)。

根據(jù)擬合平面方程，可以推導(dǎo)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)的計(jì)算公式，即：

當(dāng)A，B，C都不為“0”時(shí)，

圖1　擬合結(jié)構(gòu)面進(jìn)行產(chǎn)狀測(cè)量Fig．1 Occurrence measurement of fitted structural planes

式中E，S，W，N分別為方位東、南、西、北。

當(dāng)A，B，C有一個(gè)為“0”或者“1”時(shí)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表1。

表1　特殊情況下的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算Table 1 Occurrence calculation of structural plane under special conditions

2．2 三維激光掃描儀器的使用

在開(kāi)展瀾滄江流域某跨越工程兩岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作時(shí)，使用三維激光掃描技術(shù)取得了良好效果。該跨越工程主要出露有三疊系上統(tǒng)大水塘組上段（T3d2）白云質(zhì)灰?guī)r和第四系等地層，地形陡峭、險(xiǎn)峻，垂直高差約1 200 m，尤其是右岸臨江段邊坡近乎直立，見(jiàn)圖2。由于跨越工程下方邊坡特殊的地形條件，常規(guī)的地面地質(zhì)調(diào)查方法難以開(kāi)展，使用三維激光掃描就顯示出了其優(yōu)越性。在對(duì)岸架設(shè)一臺(tái)測(cè)量范圍在3～1 000 m的Optech三維激光掃描儀即可完成對(duì)整個(gè)邊坡掃描工作，并通過(guò)后處理完成對(duì)發(fā)育在邊坡的結(jié)構(gòu)面測(cè)量工作，見(jiàn)圖3。圖4為右岸三維激光掃描效果與研究區(qū)范圍對(duì)比圖，可以看出掃描的三維模型與真實(shí)邊坡形態(tài)十分接近，雖然在局部邊坡表面植被覆蓋的部位能以獲得理想的模型數(shù)據(jù)，但是不會(huì)影響對(duì)邊坡絕大部分結(jié)構(gòu)面的解譯工作，總體上滿足工程需要。

圖2　某跨越工程典型工程地質(zhì)剖面Fig．2 Typical geologic profile of a bridge project

圖3　三維激光掃描儀架設(shè)Fig．3 Layout of 3D laser scanner

圖4　三維激光掃描效果與研究區(qū)范圍對(duì)比Fig．4 Comparison of result from 3D laser scanning and photograph in study area

對(duì)146條V級(jí)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行解譯，其延伸長(zhǎng)度一般＜10 m，無(wú)充填或鈣質(zhì)充填，即通常意義下的基體裂隙，對(duì)巖體完整性起控制作用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在右岸邊坡主要發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面，即一組傾下游、走向與邊坡中等角度斜交的中陡傾角結(jié)構(gòu)面；另一組為傾上游、走向與邊坡中等角度斜交的陡傾角結(jié)構(gòu)面。這是后面進(jìn)行結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

3 巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬

3．1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體力學(xué)特征有著重要影響，雖然我們不能將這些結(jié)構(gòu)面逐一準(zhǔn)確定位，但是可以獲得這些結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的大量樣本資料，通過(guò)這些樣本總結(jié)出結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布特征和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，那么就可以采用蒙特卡洛原理建立符合這種統(tǒng)計(jì)特征的巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)，從而計(jì)算工程所需要的巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）和連通率等指標(biāo)［3］。

將獲取的2組結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)（產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、間距）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。其中，均值μα和標(biāo)準(zhǔn)差σα是根據(jù)最大似然估計(jì)法得出。圖5、圖6是各組結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的統(tǒng)計(jì)直方圖及擬合情況。對(duì)比圖中擬合概率密度曲線和其直方圖可以看出，所建立的概率模型比較適宜，能夠較好地反映結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的真實(shí)概率分布特征。這為下文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

3．2 網(wǎng)絡(luò)模型的隨機(jī)數(shù)確定

隨機(jī)數(shù)是應(yīng)用蒙特卡洛原理進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)在流行的隨機(jī)數(shù)生成方法主要有擲骰子法、洗撲克法和轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤的人工機(jī)械方法等［4］。在實(shí)際運(yùn)用中，我們通常使用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行計(jì)算，這樣才能滿足大規(guī)模隨機(jī)數(shù)生成與操作的需求。矩陣實(shí)驗(yàn)室（MATLAB）內(nèi)嵌了服從不同分布特征的隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)，使用起來(lái)十分方便。本文采用的隨機(jī)數(shù)生成程序如下：

x＝rand（450，1）×50＋0 ，

y＝rand（450，1）×50＋0 ，

QJ＝65．26＋sqrt（13．27）×randn（450，1） ，

QX＝149．36＋sqrt（47．47）×randn（450，1） ，

JC＝2．88＋sqrt（1．42）×randn（450，1） ，

JJ＝exprnd（1．93，450，1） 。

圖5　第1組結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖及擬合Fig．5 Statistical histograms and fitted curves of geometrical parameters in the first group of structural plane

圖6　第2組結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖及擬合Fig．6 Statistical histograms and fitted curves of geometrical parameters in the second group of structural plane

表2　右岸結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)成果Table 2 Statistical results of geometrical parameters of structural plane in the right bank

其中：rand為均勻分布隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)；randn為正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)；exprnd為負(fù)指數(shù)分布函數(shù)；x，y為結(jié)構(gòu)面跡線的中點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）；QJ，QX，JC，JJ分別為結(jié)構(gòu)面傾角、傾向、間距和跡長(zhǎng)。單位面積內(nèi)的結(jié)構(gòu)面總數(shù)與結(jié)構(gòu)面方向角的密度分布函數(shù)有關(guān)［3］，根據(jù)文獻(xiàn)［3］中推薦公式進(jìn)行計(jì)算。

3．3 建立隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型

先將上節(jié)得到的結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)面傾向、傾角與網(wǎng)絡(luò)模擬剖面的走向經(jīng)過(guò)換算得到結(jié)構(gòu)面跡線的方向角。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面跡線的中心點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）、方向角和跡長(zhǎng)在矩形模擬區(qū)域中畫出結(jié)構(gòu)面跡線。實(shí)際操作中可根據(jù)需要得出不同剖面走向的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖，圖7為剖面走向?yàn)檎飨虻慕Y(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖。

圖7　結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)Fig．7 Network of structural plane

圖7中，矩形模擬區(qū)域?yàn)?0 m×50 m，黑色細(xì)線為模擬得到的結(jié)構(gòu)面跡線，黑色粗線為布置的人工虛擬鉆孔。可以看出，結(jié)構(gòu)面跡線位置分布均勻，能完全覆蓋矩形模擬區(qū)域，并與邊坡實(shí)際情況一樣明顯區(qū)分為2組，模擬效果比較好。通常還會(huì)根據(jù)工程需要確定多組不同走向的剖面進(jìn)行模擬，以期望網(wǎng)絡(luò)圖更加接近真實(shí)的巖體結(jié)構(gòu)特征，全面刻畫巖體各向異性。

4 獲取巖體RQD的程序與結(jié)果

4．1 獲取巖體RQD的程序編制

根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）定義，同級(jí)巖芯中大于100 mm的巖柱在巖芯總長(zhǎng)中的比例，可以在制作好的網(wǎng)絡(luò)圖中布置人工虛擬鉆孔，統(tǒng)計(jì)鉆孔和所經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)面跡線的交點(diǎn)，并計(jì)算相鄰交點(diǎn)的距離，其中相鄰結(jié)構(gòu)面間距大于某一界限值（一般取10 cm）的間距之和占鉆孔總長(zhǎng)度的百分比。由于需要處理的數(shù)據(jù)比較龐大，作者采用AutoCAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行編程，源代碼采用的是其內(nèi)嵌的lisp語(yǔ)言。圖8是該程序的流程圖。該程序能完成以下基本功能：

（1）根據(jù)工程需要布置不同方向的虛擬鉆孔，分別計(jì)算鉆孔與結(jié)構(gòu)面跡線交點(diǎn)。

（2）對(duì)虛擬鉆孔與結(jié)構(gòu)面跡線相鄰交點(diǎn)進(jìn)行排序和計(jì)算間距。

（3）根據(jù)設(shè)定結(jié)構(gòu)面間距閾值求巖體RQD，從而分析閾值變化對(duì)巖體RQD的影響。

圖8　求巖體質(zhì)量指標(biāo)程序流程Fig．8 Flowchart of solving RQD

4．2 獲取巖體RQD的結(jié)果

本次研究選取了13個(gè)剖面走向，從正西向到正東，間隔15°。虛擬鉆孔是從網(wǎng)絡(luò)圖矩形區(qū)域底間隔10°均勻布置，見(jiàn)圖7。表3是結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算成果，圖9中的虛線為計(jì)算得到的RQD隨方位變化的情況（未修正）。由于巖體中存在各種微裂隙和隱裂隙，對(duì)巖體RQD有一定影響，然而結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬中不能反映出這種影響，所以計(jì)算得出巖體RQD結(jié)果會(huì)偏高，實(shí)際工程使用過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行修正。陳劍平［1］（2004）曾對(duì)鉆探結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)模擬得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并建立了二者之間的相關(guān)關(guān)系，其擬合公式為

RQD實(shí)測(cè)＝0．946 4RQD計(jì)算－11．946 。（6）

對(duì)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果按上式進(jìn)行修正，得到的結(jié)果如圖9中的實(shí)線部分。

表3　結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算成果Table 3 Calculated results of network simulation of structural plane

圖9　修正前、后的巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）隨方位變化情況Fig．9 Variations of RQD with orientation before and after improvement

從圖9中看出根據(jù)北東向剖面計(jì)算的巖體RQD明顯高于北西向。因此，巖體RQD的計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮計(jì)算剖面的走向?qū)Y(jié)果的影響。

5 結(jié)論與建議

本文從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)西南高陡邊坡特殊地形條件，采用先進(jìn)可靠的三維激光掃描儀技術(shù)結(jié)合結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬，解決以往難以獲取該地形條件下邊坡巖體質(zhì)量指標(biāo)的問(wèn)題，并得出以下結(jié)論：

（1）三維激光掃描技術(shù)是最新發(fā)展的測(cè)量技術(shù)，在西南地區(qū)特殊地形條件下，有很好的實(shí)用性，能夠克服常規(guī)地質(zhì)調(diào)查方法難以開(kāi)展的問(wèn)題。

（2）基于三維激光掃描技術(shù)的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬，可以獲取不同方向的巖體RQD，刻畫巖體的各向異性的特征，并克服以往鉆孔巖芯獲取巖體RQD數(shù)據(jù)少、誤差大的缺點(diǎn)。

（3）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算得到巖體RQD會(huì)比實(shí)際測(cè)量的結(jié)果偏大，必須進(jìn)行修正后才能在實(shí)際工程中使用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳劍平．窗口測(cè)線法獲取巖體RQD［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（9）：1491－1495．

［2］ 董秀軍．三維激光掃描技術(shù)及其工程應(yīng)用研究［D］．成都：成都理工大學(xué)，2007．

［3］ 陳祖煜，汪小剛，楊 健，等．巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析——原理·方法·程序［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2005．

［4］ 賈洪彪，唐輝明，劉佑榮，等．巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬理論與工程應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，2008．

（編輯：姜小蘭）

Method and Program of Obtaining RQD of Rock Mass Based on 3D Laser Scanning Technique

GUO Shao?wen1，2，ZHAO Qi?hua2，ZHANG Bing1，MEI Zhu?yin3
（1．Second Highway Consultant Co．，Ltd．，China Communications Construction Company，Wuhan 430052，China；2．State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3．Zhejiang Huadong Construction Engineering Co．，Ltd．，Hangzhou 310030，China）

Abstract：In southeast of China，conventional geological investigations are hard to carry out due to special terrain of high and steep rock slope．In view of this，we introduce 3D laser scanning technique to collect geometric parameters （occurrence，spacing and depth）of structural planes in the surface of slope．On the basis of geological data，we establish network graphs with different strikes in association with network simulation technique of structural plane．Meanwhile，we layout artificially virtual drills on the network graph to calculate rock quality of designation（RQD）．Test results show that the proposed method is of strong applicability，convenience and high reliability．It doesn’t have shortages of traditional methods by drilling core，including few data and big error of RQD．Furthermore，the method can be used in high and steep slope which is difficult for geology investigation by traditional methods．Final?ly，revised RQD parameters of rock mass obtained by the method meet the requirement of actual projects．

Key words：3D laser scanning technique；network simulation of structural plane；network graph；high and steep rock slope；rock quality of designation

作者簡(jiǎn)介：郭少文（1986－），男，湖北天門人，工程師，碩士，主要從事巖土工程等方面的科研工作，（電話）13707837127（電子信箱）394082128 ＠qq．com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40772177）

收稿日期：2014－12－04；修回日期：2015－01－26

中圖分類號(hào)：TU452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0075－05