熊開治，任志遠(yuǎn)，趙亞龍，楊忠平，張黎健

（1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 400700；2.重慶市二零八地質(zhì)環(huán)境研究院有限公司，重慶 400700；3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；4.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；5.庫區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶)，重慶 400045）

0 引言

丹霞地貌是我國重要的旅游景觀資源，同時也是地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。受地質(zhì)成因、構(gòu)造背景、礦物特性、氣候條件等多種內(nèi)、外動力作用的影響，巖坡內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈現(xiàn)錯綜切割的“磚塊狀”特征，多處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，地區(qū)內(nèi)高位破碎危巖崩塌災(zāi)害時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅游客生命財產(chǎn)安全[1]。已有研究表明，結(jié)構(gòu)面是造成巖質(zhì)邊坡災(zāi)害頻發(fā)的主要原因，因此認(rèn)清地質(zhì)背景、查明結(jié)構(gòu)面空間展布特征成為打贏防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)役的首要前提[2]。然而，受地殼差異性隆升運(yùn)動的影響，以緩傾厚層碎屑巖為主的丹霞紅層山體中多形成垂直向延展的深大優(yōu)勢結(jié)構(gòu)，其控制下的山體不斷后退式演化并逐漸發(fā)展成孤立的高陡巖坡，沿深切溝谷分布，近距離踏勘工作難以開展；再加上陡直坡面上由差異性風(fēng)化引起的“凹腔、凹槽”地質(zhì)結(jié)構(gòu)密集，非接觸式勘察精度十分有限。

采用工程措施對地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行改造能夠有效的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)工程與環(huán)境的有機(jī)結(jié)合的[3]。出于人員安全和勘察結(jié)果精準(zhǔn)的雙重考慮，越來越多的技術(shù)手段被運(yùn)用于實(shí)際工程中。比起近距離人工踏勘的高危低效，以及紅外激光掃描技術(shù)的高成本、低機(jī)動性，無人機(jī)航勘手段優(yōu)勢突出，并隨著航攝技術(shù)的不斷革新，越來越受地質(zhì)工作者們青睞。在現(xiàn)有的勘察工作中，以無人機(jī)的傾斜航測最為常見[4?5]，但此法在近直立且凹槽、凹腔等微地貌密布的高陡巖坡中明顯受限：一方面，局部負(fù)角度地質(zhì)單元圖像難以捕捉、信息缺失嚴(yán)重；另一方面，受視距影響，低分辨率的航片難以識別巖坡坡面小尺度結(jié)構(gòu)信息，無法還原巖坡的真實(shí)空間結(jié)構(gòu)特征，基于精細(xì)化數(shù)字模型的穩(wěn)定性分析工作難以開展。

為此，本文以重慶四面山景區(qū)崩塌搶險工程為依托，提出了一種基于大型陡壁式巖坡的水平貼近飛行無人機(jī)航測方法，在合理規(guī)劃航線的基礎(chǔ)上，經(jīng)強(qiáng)大的后處理軟件即可快速獲得高精度表面數(shù)字模型，并通過后期解譯、分類統(tǒng)計(jì)建立出可供巖坡穩(wěn)定性分析的空間結(jié)構(gòu)面三維模型。以期為此類地質(zhì)結(jié)構(gòu)坡體應(yīng)急搶險工程的勘察工作提供參考。

1 工程背景

1.1 基本概況

2020年12月7日上午11時左右，重慶市四面山景區(qū)滴水巖頂部發(fā)生局部危巖崩塌。如圖1(a)所示，崖壁危巖在長期內(nèi)外營力改造作用下，穩(wěn)定性持續(xù)降低，最終沿優(yōu)勢弱面組合脫離母巖高位崩落。受山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，失穩(wěn)僅發(fā)生在泥質(zhì)砂巖巖組中下部，上部保留巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育、卸荷效應(yīng)顯著，孕災(zāi)地質(zhì)條件充分，存在較大安全隱患，巖坡整體上呈受底部“凹腔”結(jié)構(gòu)控制的欠穩(wěn)定狀態(tài)，見圖1(b)。

圖1 四面山崩塌概況示意圖Fig.1 Schematic diagram of the collapse of Simian Mountain

為保障旅游高峰期往來游客的生命財產(chǎn)安全，防止崩塌凹腔所致二次災(zāi)害的發(fā)生，急需圍繞危巖帶的實(shí)際工程特征提出合理的應(yīng)急方案，其中查明巖坡結(jié)構(gòu)面的空間展布特征是工程地質(zhì)勘查中尤其關(guān)鍵的一步，能夠?yàn)槎虝r期內(nèi)剖析隱患特征、制定防護(hù)設(shè)施等提供理論參考。

1.2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于景區(qū)滴水巖段公路沿線陡坡地帶，具有典型的“頂平、身陡、麓緩”的丹霞地貌特征，在地質(zhì)演化歷史上正處于丹霞地貌幼年期，表生改造相對強(qiáng)烈，地貌單元長期處于“臨空卸荷、應(yīng)力松弛—巖體崩塌、高位勢能釋放—陡崖線后退并形成新的陡崖面—繼續(xù)臨空卸荷、應(yīng)力松弛”的周期性運(yùn)動狀態(tài)，崩塌是巖坡系統(tǒng)維持階段性應(yīng)力平衡、自組織釋能的重要途徑。

如圖2所示，區(qū)內(nèi)基巖主要由主要為白堊系下窩頭山組（K1w）褐紅色厚層砂巖、泥質(zhì)砂巖互層組成，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鐵、鈣質(zhì)膠結(jié)，山頂沉積有松散堆積物薄層，持水能力有限。砂巖主要由石英、長石組成，相比之下，泥質(zhì)砂巖受黏土礦物物化性質(zhì)決定，其力學(xué)性能較砂巖差，整體表現(xiàn)出明顯的差異風(fēng)化特征，這也是崖表“凹腔”結(jié)構(gòu)形成的最主要原因。

圖2 Ⅰ?Ⅰ'方向地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile in Ⅰ?Ⅰ' direction

四面山位于北碚向斜南東翼，區(qū)域內(nèi)無大型褶皺斷層發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動以及各種風(fēng)化劣化作用形成了地層中現(xiàn)有構(gòu)造單元，多呈平行狀成組出現(xiàn)。與一般紅層巖組相同，受間歇性隆升構(gòu)造運(yùn)動影響，地層中多形成正交于巖層層面的近垂直向節(jié)理，具有“間距小、延伸遠(yuǎn)”的特點(diǎn)，與巖層層面有機(jī)組合，對巖坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起主要控制作用，決定著坡體的總體演化特征。受當(dāng)?shù)貪駸嵝蜌夂蛴绊懀邓畯?qiáng)度大、持續(xù)時間久，地下水補(bǔ)給充分，由于頂部松散層持水能力十分有限，地下水沿坡表陡壁流下形成“滴水巖”或沿節(jié)理面入滲坡內(nèi)產(chǎn)生劣化，進(jìn)一步放大了結(jié)構(gòu)面對巖坡穩(wěn)定性的控制作用，劣化過程主要分為水動力作用和水化學(xué)作用兩類，其中后者是由于鈣質(zhì)膠結(jié)物或碳酸鹽巖塊石顆粒的溶解造成的。此外，由于景區(qū)開發(fā)，天然坡體結(jié)構(gòu)在一定程度上遭受破壞，以坡腳卸荷為主的擾動工程增大了結(jié)構(gòu)面的承載負(fù)擔(dān)，整體穩(wěn)定性降低。

綜上所述，結(jié)構(gòu)面是造成坡體失穩(wěn)破壞的物質(zhì)基礎(chǔ)，查明結(jié)構(gòu)面的空間分布方式、相互組合關(guān)系對分析巖坡變形運(yùn)動特征、提出合理防治措施來說至關(guān)重要。

2 結(jié)構(gòu)面空間信息獲取方法

本文針對大型高陡巖坡特征，采用了基于無人機(jī)技術(shù)的快速便捷、精度高、適用性廣的坡表結(jié)構(gòu)面空間信息獲取方法。

2.1 航攝設(shè)備及基本原理

本文采用4Pro小型無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，結(jié)合Pix4dmapper圖像信息處理軟件輔助建模，并通過高精度三維數(shù)字模型解譯出坡面結(jié)構(gòu)面信息（如產(chǎn)狀、跡長、密度等）（圖3）。

主要由以下幾個核心環(huán)節(jié)組成：①設(shè)定航線，拍攝獲得研究對象的二維圖像；②通過相機(jī)定標(biāo)、特征點(diǎn)提取并基于Sift匹配算法和對極幾何原理，得到投影矩陣；③結(jié)合二維圖像空間信息與研究對象真實(shí)三維空間之間的對應(yīng)關(guān)系，將二維圖像中滿足匹配規(guī)律的特征點(diǎn)映射至三維空間坐標(biāo)系中，形成三維點(diǎn)云；④做平差、去噪處理，提高三維模型的還原度。

2.2 航線布設(shè)方案

根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)特征，同時為保證凹腔處結(jié)構(gòu)單元像素點(diǎn)的分辨率及匹配數(shù)滿足精度要求，采用全新的基于高精度建模的水平貼近飛行航線布設(shè)方案。

像片主距按照相機(jī)焦距取值9 mm[6]，1英寸CMOS傳感器中像元尺寸取2.3 μm。在綜合考慮工作效率和建模精度，將拍攝距離設(shè)置在10～20 m，對應(yīng)圖像精度可達(dá)2.5～5 mm，能夠滿足解譯工作精度要求。

拍攝過程中，航線應(yīng)與坡面走向保持平行或近平行關(guān)系，以直線型航線為優(yōu)，對于某些山形空間差異顯著的工程坡體，可采用分區(qū)或弧線型飛行辦法。云臺保持水平姿勢，相機(jī)朝向正對坡面且與航向之間成正交關(guān)系。另外，對相鄰航片間的圖像重疊率作出新的定義，如圖3所示，四面山巖坡在垂直方向上具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分異性，精度要求較高，采用取值為85%。

圖3 無人機(jī)水平拍攝基本原理圖Fig.3 The basic schematic diagram of horizontal aerial survey

2.3 建立數(shù)字模型

按照前節(jié)所述方案進(jìn)行飛行拍攝后，將所得航片進(jìn)行合理篩選即可采用Pix4dmapper算法程序進(jìn)行像素點(diǎn)匹配運(yùn)算并將二維像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具有三維空間信息特征的點(diǎn)云，進(jìn)一步平差、去噪，即獲得可直接用于節(jié)理統(tǒng)計(jì)解譯的精細(xì)化三維數(shù)字化點(diǎn)云模型，如圖4所示。根據(jù)坡表水蝕痕跡可進(jìn)一步確定出發(fā)生本次崩塌的危巖范圍（圖4虛線范圍）。

圖4 水平航攝三維點(diǎn)云模型Fig.4 Three-dimensional point cloud model of horizontal aerial survey

3 建立三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 結(jié)構(gòu)面空間特征統(tǒng)計(jì)與分析

以裂隙帶所在坡表為調(diào)查對象，參考勘查工作中常用的節(jié)理統(tǒng)計(jì)方法，考慮節(jié)理巖坡表面的實(shí)際坡形形態(tài)特征及結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，最終在坡表圈定出60 m×30 m的矩形大型節(jié)理統(tǒng)計(jì)窗口見圖1(b)，作為潛在變形區(qū)進(jìn)行研究。在統(tǒng)計(jì)平面上，結(jié)構(gòu)面的空間信息由（視向）產(chǎn)狀、跡長、間距、延伸距離等要素組成，是結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性的統(tǒng)一整體，表現(xiàn)為確定性（如：同期節(jié)理往往具有相同的產(chǎn)狀呈平形狀分布）和非確定性（如：各節(jié)理跡長、間距等又表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性）的二重特征。因此，為最大限度還原坡體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)出特征，須在窗口節(jié)理統(tǒng)計(jì)變量的基礎(chǔ)上，結(jié)合平面要素與空間三維要素（包括產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面延伸范圍、分布密度等）之間的對應(yīng)關(guān)系，找出三維要素的空間分布規(guī)律，從而基于隨機(jī)算法建立出結(jié)構(gòu)面三維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。具體可分為以下幾個環(huán)節(jié)：

（1）優(yōu)勢分組方法

節(jié)理窗口統(tǒng)計(jì)法源自統(tǒng)計(jì)學(xué)思想，旨在通過大量的樣本值實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)變量隨機(jī)分布規(guī)律的無偏估計(jì)，從而建立出具高度還原性的隨機(jī)模型。假設(shè)結(jié)構(gòu)面為具有空間屬性的薄圓盤[7]，自然條件下，每一個結(jié)構(gòu)面均具有相似的形狀，差異特征主要由產(chǎn)狀、半徑大小、與統(tǒng)計(jì)平面交切關(guān)系的不同所引起，最后按照一定的分布密度形成裂隙網(wǎng)絡(luò)集合。為減小統(tǒng)計(jì)樣本之間的離散性、提高運(yùn)算精度和速度，現(xiàn)對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行優(yōu)勢分組，將產(chǎn)狀相近的節(jié)理按照同期結(jié)構(gòu)面近似平行的性質(zhì)歸為一組，組內(nèi)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀要素統(tǒng)一取平均值。如此一來，將裂隙網(wǎng)絡(luò)簡化為由一個確定性變量和三個隨機(jī)性變量共同確定的隨機(jī)模型。

（2）結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)與分析

結(jié)構(gòu)面的空間位置特征通常用產(chǎn)狀加以描述，與大地測量坐標(biāo)系中的空間平面滿足一一對應(yīng)關(guān)系。理論上可以通過結(jié)構(gòu)面上非共線三點(diǎn)構(gòu)造出平面空間方程，從而解譯出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀要素：設(shè)結(jié)構(gòu)面所在平面由式(2)確定；基于最小二乘法思想，方程系數(shù)通過非共線三點(diǎn)P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3)求得，如式（3）所示；最后基于大地測量坐標(biāo)系與巖層產(chǎn)狀要素之間的對應(yīng)關(guān)系解算出對應(yīng)傾向、傾角[8]。

基于（1）中所述優(yōu)勢分組原理，對圖4所示高精度點(diǎn)云模型進(jìn)行解譯，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)主要由4組優(yōu)勢產(chǎn)狀控制下的結(jié)構(gòu)面組成，節(jié)理窗口參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。以巖層層面為例，與現(xiàn)場勘察人員測得結(jié)果（傾向300°～320°、傾角8°～9°）比較吻合，一定程度上論證了前述產(chǎn)狀解譯方法的可行性。

另外，“巖體結(jié)構(gòu)控制論”認(rèn)為結(jié)構(gòu)面的組合方式直接決定著巖坡變形破壞特征[9?10]，則巖體破壞最有可能發(fā)生在上述4組結(jié)構(gòu)面同時參與控制的巖坡結(jié)構(gòu)中。圖5所示為滿足這一條件的可能存在的幾種結(jié)構(gòu)面組合形式。顯然，前兩種結(jié)構(gòu)面組合本身具有一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，巖塊下落運(yùn)動趨勢受限，為巖坡穩(wěn)定性的有利組合；相比之下，在c、d結(jié)構(gòu)面組合的控制下，卸荷巖體極易沿“八字形”結(jié)構(gòu)面組合發(fā)生張拉破壞，直接控制著坡體崩塌破壞的范圍及凹腔的演化方式。四面山崩塌災(zāi)害就是在這種不利組合的控制下發(fā)生的（如圖4所示）。這一結(jié)論也再次證實(shí)了表1所示結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢分組方法及產(chǎn)狀解譯結(jié)果的正確性。

圖5 巖坡結(jié)構(gòu)面空間組合形式Fig.5 Spatial combination form of rock slope structural plane

表1 結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢分組結(jié)果Table 1 Structural plane for the group advantage

需要說明的是，結(jié)合表1解譯結(jié)果，巖層層面為成巖結(jié)構(gòu)面，而J1是影響紅層坡體漸進(jìn)演化特征的主控結(jié)構(gòu)面（如：陡崖臨空面是追蹤J1而成的），二者皆具有長大構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的特征，在坡體工程尺度范圍內(nèi)近乎完全貫穿，圓盤假設(shè)不再適用。而其在研究范圍內(nèi)的空間分布規(guī)律相對穩(wěn)定，因此只需對統(tǒng)計(jì)窗口上的平面特征進(jìn)行延展推測即可獲得其空間特征：巖層層面按照統(tǒng)計(jì)結(jié)果平均值進(jìn)行取值，產(chǎn)狀為313°∠10°、間距1 m；J1產(chǎn)狀取平均值210°∠85°，節(jié)理間距按照“凹腔”的平均深度進(jìn)行取值，為1.63 m。相比之下，J2、J3在空間上延伸范圍有限，空間特征不確定性顯著，必須通過（3）、（4）步驟建立出三維隨機(jī)結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)。

（3）確定半徑隨機(jī)分布規(guī)律

同組節(jié)理由于與統(tǒng)計(jì)平面交切關(guān)系（通常用圓心至平面的距離表征）、半徑長度的隨機(jī)性，導(dǎo)致節(jié)理跡長在統(tǒng)計(jì)平面上也表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，并服從一定的分布規(guī)律。因此，要建立隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，就必須先結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定出跡長的隨機(jī)分布規(guī)律，再根據(jù)其與空間變量之間的對應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)出圓心距離、半徑長度的隨機(jī)分布規(guī)律。節(jié)理圓盤與統(tǒng)計(jì)平面存在三種空間交切關(guān)系：相交、相切和相離（圖6）。本文采用窗口平面上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果代表整個空間上的平均分布情況。

圖6 結(jié)構(gòu)面-統(tǒng)計(jì)平面交切關(guān)系示意圖Fig.6 Schematic diagram of intersecting relationship between structural plane and statistical plane

在窗口平面上，節(jié)理與平面相交，跡長t與圓心至平面距離d、節(jié)理半徑r之間滿足勾股定理，記跡長的一半為tc，則三者關(guān)系由式（4）確定。

可知，已知任意兩個變量隨機(jī)分布規(guī)律，另一變量也可求出。假設(shè)節(jié)理面與統(tǒng)計(jì)平面的交切位置是隨機(jī)的，即d服從（0，r）上的均勻分布[11]，亦即服從（0，1）上的均勻分布。據(jù)此，將式（4）變換至式（5），可進(jìn)一步得到節(jié)理半徑隨機(jī)分布規(guī)律：首先在（0，1）上生成的隨機(jī)數(shù)S1；通過窗口統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到tc的概率密度函數(shù)，從而在對應(yīng)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生tc的隨機(jī)數(shù)S2；將二者代入式（5），最終得到r對應(yīng)的概率密度函數(shù)及隨機(jī)數(shù)S3，如式（6）所示。

對于J2、J3，跡長t可由節(jié)理窗口統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得，解譯結(jié)果如圖7所示。

圖7 節(jié)理跡長統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.7 Statistical results of joint trace length

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，J2、J3節(jié)理跡長空間隨機(jī)特征顯著，近似服從對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)由對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)衍生而來。由于擬合值與無人機(jī)解譯結(jié)果吻合度較好，即認(rèn)為該擬合函數(shù)能夠代表J2、J3節(jié)理在空間中的分布規(guī)律。現(xiàn)以J2為例，基于這類分布規(guī)律，提出一種跡長隨機(jī)數(shù)生成方法：首先由積分法確定節(jié)理跡長的隨機(jī)數(shù)s（如式（7）所示）[12]，式中，r為（0，1）上的平均分布隨機(jī)數(shù)，通常由計(jì)算機(jī)生成。

將式（7）進(jìn)行分解，結(jié)果如式（8）所示

由圖7擬合結(jié)果可知，隨機(jī)變量x滿足u0.99=4.375（ up表 示p分位數(shù)），即跡長隨機(jī)數(shù)大于4.375的概率僅為0.01，為簡化計(jì)算，將其視作不可能事件，則式（8）中第二積分項(xiàng)滿足：

又由于概率密度函數(shù)峰值顯著，隨機(jī)數(shù)主要集中在峰值附近（峰值半徑0.75 m鄰域內(nèi)累計(jì)密度達(dá)0.63），因此將峰值賦予s，對第二積分項(xiàng)作進(jìn)一步簡化（由于C值較小，由此造成的誤差可忽略）：

將式（10）代入式（8），得到：

上式中，R 可視為（?0.025，1.036）上均勻分布的隨機(jī)數(shù)。如此一來，原問題退化為對數(shù)正態(tài)分布變量隨機(jī)數(shù)的確定問題。由統(tǒng)計(jì)學(xué)知識可知，對數(shù)正態(tài)分布變量隨機(jī)數(shù) s′由式（12）進(jìn)行確定[12]：

式中，v 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布變量隨機(jī)數(shù)；r1、r2為（0，1）上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，二者相互獨(dú)立。聯(lián)立式（11）—（13），原問題中的跡長隨機(jī)數(shù)可以表示為：

將式（14）代入式（6），可進(jìn)一步生成節(jié)理半徑的隨機(jī)數(shù)：

式中， S1為（0，1）上的均勻分布隨機(jī)數(shù)，與式（13）中的r1、r2之間相互獨(dú)立。J3節(jié)理同理可求出對應(yīng)跡長隨機(jī)數(shù)的分布特征。

（4）確定節(jié)理分布密度

密度為表征節(jié)理空間分布特征的又一個要素。半徑?jīng)Q定特定截面上節(jié)理的產(chǎn)出情況，而密度直接影響節(jié)理在空間上的密集程度及相互組合關(guān)系。對于密度的模擬，通常采用試算法：首先建立出工程尺度的完整模型模擬坡體；假設(shè)坡體中裂隙總數(shù)為N，在（3）中所述隨機(jī)數(shù)S1～S3的控制下生成預(yù)測三維模型；按照與統(tǒng)計(jì)窗口平行的方向任取一平面作為檢驗(yàn)窗口，若所得交切節(jié)理數(shù) n1與 實(shí)際解譯總節(jié)理數(shù) n之間存在差值，須對N做出 調(diào)整，并重復(fù)上述步驟，直至滿足誤差允許值。

3.2 模型建立

為認(rèn)識丹霞紅層巖坡結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確把握危巖體控制結(jié)構(gòu)面的空間展布特征，需建立符合丹霞地貌高位破碎危巖的三維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

結(jié)合實(shí)際工程，采用三維離散單元法（3DEC），建立出60 m×60 m×30 m的長方體模型區(qū)域[13?15]。首先根據(jù)前節(jié)所得確定性要素（產(chǎn)狀）和非確定性要素（半徑、節(jié)理圓盤圓心距統(tǒng)計(jì)平面的距離）構(gòu)建出由J2、J3組成的隨機(jī)裂隙模型；基于裂隙總數(shù)N反復(fù)試算，直至檢驗(yàn)窗口統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，所得結(jié)果如圖8所示；最后只需將巖層層面、J1空間要素納入建模之中，形成還原實(shí)際工程地質(zhì)特征的集隨機(jī)節(jié)理、長大結(jié)構(gòu)面于一體的三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合離散元計(jì)算理論即可進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，為后續(xù)工程提供建議。

圖8 隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.8 Random crack network model

4 結(jié)論

以四面山滴水巖崩塌災(zāi)害為工程背景，探討了丹霞地貌山體結(jié)構(gòu)的特殊性及其在工程勘察工作中的不足，并基于此，提出了一種適用于高陡巖坡破碎危巖野外勘察的航測方法，最終結(jié)合隨機(jī)數(shù)學(xué)思想建立出了三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，為認(rèn)識丹霞紅層巖坡結(jié)構(gòu)、建立紅層巖坡地質(zhì)力學(xué)模型提供參考。通過以上研究，主要得到以下認(rèn)識和結(jié)論：

（1）丹霞地貌巖質(zhì)坡體受深切下蝕作用強(qiáng)烈，高陡坡面上多發(fā)育“凹腔、凹槽”等地質(zhì)結(jié)構(gòu)，常規(guī)的勘察方法無法同時保障勘察人員的安全性和勘察結(jié)果的精確性。

（2）基于無人機(jī)航測技術(shù)，提出了一種水平式貼近飛行航測方法，能夠獲取復(fù)雜巖坡結(jié)構(gòu)的高精度地質(zhì)信息。并結(jié)合隨機(jī)數(shù)學(xué)思想，建立了還原丹霞高陡巖坡結(jié)構(gòu)的三維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

（3）巖質(zhì)坡體是隨機(jī)裂隙、長大構(gòu)造結(jié)構(gòu)面共同控制下的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)各自特點(diǎn)分別提出基于圖像信息的識別解譯辦法：前者基于平面統(tǒng)計(jì)結(jié)果向三維隨機(jī)空間映射，而后者只需對統(tǒng)計(jì)平面特征進(jìn)行延展推測即可。

（4）建立出的三維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，可進(jìn)一步結(jié)合離散元數(shù)值計(jì)算進(jìn)行坡體穩(wěn)定性分析，為邊坡治理、災(zāi)害防治提供參考。