孫錢程團(tuán)隊：基于三維激光掃描技術(shù)的巖體質(zhì)量快速評價方法

巖體質(zhì)量評價對研究巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性有重要作用，不僅能掌握區(qū)域內(nèi)巖體性質(zhì)，而且對邊坡風(fēng)險等級劃分、防治方法的確定具有重要參考價值。巖體質(zhì)量的評價和分級已經(jīng)有很多成熟和完整的方法，如被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用的國標(biāo)分類法、Q系統(tǒng)法、RMR分類法等，但它們往往依賴于現(xiàn)場采樣和接觸式測量，這在高陡邊坡或難以接觸的區(qū)域?qū)嵤┢饋黼y度較大。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步和研究的深入，有學(xué)者將新技術(shù)與以上方法相結(jié)合。三維激光掃描技術(shù)因其無接觸、高精度和抗干擾能力強的特點，在巖體質(zhì)量評價中展現(xiàn)出巨大潛力。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)能夠快速獲取巖體表面的點云數(shù)據(jù)，極大地提高了評價效率和準(zhǔn)確性，同時降低了成本和環(huán)境干擾的風(fēng)險，并且可以很好地解決對高陡邊坡和庫岸邊坡難以接觸測量的問題。

巖體結(jié)構(gòu)具有三維屬性，在考慮巖體三維結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上利用巖體的賦存信息進(jìn)行客觀評價才能指導(dǎo)工程實踐。三峽大學(xué)孫錢程團(tuán)隊基于三維激光掃描技術(shù)，考慮了巖體的三維結(jié)構(gòu)及空間分布特征，通過點云信息提取巖體結(jié)構(gòu)相關(guān)評價參數(shù)，引入動態(tài)權(quán)重法形成了巖體質(zhì)量評價方法，旨在實現(xiàn)巖體質(zhì)量的快速高效評價。

基于三維激光掃描技術(shù)的巖體質(zhì)量快速評價方法

孫錢程 王 泉 徐志華 郭 戈

（湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站，防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室（三峽大學(xué)））

摘 要：巖體質(zhì)量評價是開展滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與評估的重要基礎(chǔ)信息。針對傳統(tǒng)巖體質(zhì)量評價方法存在的效率低、取樣難、成本高等問題，利用三維激光掃描技術(shù)提出一種以結(jié)構(gòu)面信息和塊體體積作為評價參數(shù)的巖體質(zhì)量快速評價方法。該方法通過非接觸式測量方式，快速獲取巖體表面的點云數(shù)據(jù)，并提取結(jié)構(gòu)面參數(shù)和塊體體積；利用動態(tài)權(quán)重法計算各參數(shù)權(quán)重，結(jié)合統(tǒng)計的各評價參數(shù)值分析確定巖體質(zhì)量等級，實現(xiàn)了巖體質(zhì)量的快速、準(zhǔn)確評價。研究結(jié)果表明：本方法與GSI巖體質(zhì)量評價系統(tǒng)的結(jié)果相吻合；這種非接觸式測量方法不僅可以快速完成大范圍巖體質(zhì)量評價，而且測試成本低，抗干擾能力強，顯著提高了評價的效率和準(zhǔn)確性，為巖體質(zhì)量評價領(lǐng)域提供了新的技術(shù)方法，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：巖體質(zhì)量評價，三維激光掃描，非接觸測量，動態(tài)權(quán)重

巖體質(zhì)量快速評價方法

首先選定掃描區(qū)域、儀器站點；根據(jù)選定好的位置進(jìn)行儀器架設(shè)，對評價區(qū)域進(jìn)行掃描，獲取巖體表面點云數(shù)據(jù)；對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)；評價參數(shù)取值歸一化，權(quán)重計算，獲取巖體質(zhì)量等級。由于巖體結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合方式、連接特性等信息決定了巖體的地質(zhì)類別、完整性和結(jié)構(gòu)面的類型、級別、組合、發(fā)育程度等，為了較全面地反映巖體結(jié)構(gòu)的三維特征，在多因素比選之后將評價單元范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面組數(shù)、延展度、粗糙度、結(jié)構(gòu)面間距和塊體體積作為評價參數(shù)。其中巖體結(jié)構(gòu)面組數(shù)反映了巖體被切割的復(fù)雜程度；延展度描述結(jié)構(gòu)面在空間中的長度，粗糙度評價結(jié)構(gòu)面的摩擦特性，反映了結(jié)構(gòu)面對巖體整體穩(wěn)定性的潛在影響；結(jié)構(gòu)面間距反映了巖體的整體性，間距較大的結(jié)構(gòu)面使巖體表現(xiàn)出更高的整體強度，降低失穩(wěn)的可能性；塊體體積反映巖體單個塊體的尺寸，較大的塊體體積通常具有更好的穩(wěn)定性，受裂隙影響較小。另外，每個測窗內(nèi)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組控制在3~4組為宜。

圖1 評價流程

圖2 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分組

圖3 結(jié)構(gòu)面延展度示意

圖4 結(jié)構(gòu)面粗糙度的原理示意

圖5 結(jié)構(gòu)面間距計算示意

圖6 塊體體積計算

應(yīng)用實例

選取某庫區(qū)巖質(zhì)邊坡，對庫岸斜坡巖體進(jìn)行三維激光掃描，得到評價區(qū)域三維點云，利用三維點云獲取結(jié)構(gòu)面信息，并對優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組。

圖7 庫區(qū)巖質(zhì)邊坡巖體

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，區(qū)域內(nèi)有3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，延展度均值為5.84 m，粗糙度均值為0.97，結(jié)構(gòu)面間距均值為1.36 m，體積均值為13.43。結(jié)構(gòu)面組數(shù)在等級Ⅱ~Ⅲ，延展度為等級Ⅲ，粗糙度為等級Ⅳ，結(jié)構(gòu)面間距為等級Ⅱ，塊體體積為等級Ⅰ。經(jīng)計算，對應(yīng)評價結(jié)果為等級Ⅲ，巖體質(zhì)量一般。

圖8 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)果

結(jié) 論

（1）本研究提出的基于三維激光掃描技術(shù)的巖體質(zhì)量快速評價方法，相較于傳統(tǒng)評價方法，具有顯著的創(chuàng)新性和技術(shù)優(yōu)勢。該方法通過非接觸式測量，有效降低了現(xiàn)場采樣的風(fēng)險和成本，同時提高了質(zhì)量評價的效率和準(zhǔn)確性。此外，該方法的抗干擾能力強，適用于各種復(fù)雜環(huán)境，為巖體質(zhì)量評價提供了一種新的技術(shù)方法。

（2）采用動態(tài)權(quán)重法對評價指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，充分考慮了各指標(biāo)間的相互影響，降低了評價過程中的主觀性，提高了評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對結(jié)構(gòu)面組數(shù)、結(jié)構(gòu)面延展度、結(jié)構(gòu)面粗糙度、結(jié)構(gòu)面間距和塊體體積等參數(shù)的綜合分析，本方法能夠更準(zhǔn)確地反映巖體的實際質(zhì)量狀況，從而為巖質(zhì)邊坡的地災(zāi)防治提供更為可靠的決策依據(jù)。

（3）通過與GSI巖體質(zhì)量評價系統(tǒng)的結(jié)果對比，驗證了基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體質(zhì)量評價方法的準(zhǔn)確性和可靠性。相較GSI系統(tǒng)分類方法，本方法參數(shù)量化更加細(xì)致明確，通過點云數(shù)據(jù)可直接統(tǒng)計得到，減少了主觀判斷的不確定性。

引用格式

孫錢程,王泉,徐志華,等.基于三維激光掃描技術(shù)的巖體質(zhì)量快速評價方法[J].金屬礦山,2025(2):56-63.

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作者簡介

孫錢程

副教授，博士，三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院道路與橋梁工程系副主任，李焯芬院士秘書，湖北省地下工程學(xué)會理事。長期從事巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的教學(xué)與科研工作。近年來圍繞巖體劣化損傷測試及評價持續(xù)開展研究，改進(jìn)了基于穩(wěn)健隨機(jī)Hough變換的區(qū)域生長算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面邊界的精確分割，建立了考慮結(jié)構(gòu)面空間展布特征的巖體質(zhì)量快速評價方法；基于原位應(yīng)力與巖體破裂測試提出了巖體破裂對應(yīng)不同應(yīng)力變化模式，基于室內(nèi)試驗成果解譯了不同應(yīng)力路徑對巖體破裂的影響機(jī)制。主持/參與國家級項目4項，省部級項目5項，發(fā)表論文20余篇，申請專利18項，申報軟件著作5項，先后獲得大壩工程學(xué)會二等獎（2020年，排名第2）、中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會優(yōu)秀獎（2021年，排名第6）、中國發(fā)明協(xié)會二等獎（2023年，排名第3）。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：戴穎熠

審核：王小兵

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