張培興ZHANG Pei-xing；劉紫嬋LIU Zi-chan；劉帥LIU Shuai

（①河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050061；②河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031）

0 引言

斷裂是在長(zhǎng)期地質(zhì)歷史作用過(guò)程中形成的缺陷，廣泛地分布于地殼上，對(duì)于人類(lèi)工程建設(shè)及生產(chǎn)生活具有不可忽視的影響，需要圍繞其展開(kāi)地質(zhì)勘測(cè)[1-3]。特別是重大工程項(xiàng)目，必須要對(duì)其周?chē)臄嗔堰M(jìn)行詳細(xì)的勘測(cè)及分析，包括斷裂內(nèi)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、斷裂的控穩(wěn)控水特征等[4-6]，以便更穩(wěn)妥地推動(dòng)工程建設(shè)。

由于斷裂具有隱伏性，往往需要采用探槽、鉆孔及物探等方式對(duì)其進(jìn)行探查，其中由于探槽受地形限制小且易于開(kāi)挖揭露斷裂結(jié)構(gòu)而被廣泛運(yùn)用。如常祖峰等[7]在中緬交界蘇典斷裂根據(jù)探槽觀察結(jié)合樣品測(cè)年判識(shí)出其活動(dòng)特征；張波等[8]在阿拉善地塊中通過(guò)探槽探究了斷裂的性質(zhì)，并運(yùn)用光釋光測(cè)年判斷了該活斷層的最新活動(dòng)時(shí)代；畢楊楊等[9]借助斷層探槽觀測(cè)解譯的空間位置及斷層氣氡測(cè)量對(duì)石棉斷裂活動(dòng)性形成了判斷；楊攀新等[10]在新疆博羅可怒-阿齊克都克活動(dòng)斷裂研究中，基于新挖的探槽，利用沉積物光釋光年代和地震關(guān)系分析，確定了艾比湖段和精河以東段最新活動(dòng)時(shí)代及古地震期次信息等。

然而針對(duì)上述斷裂開(kāi)展的探槽觀測(cè)多為傳統(tǒng)的素描及部分拍照，對(duì)于如核廢料處置工程項(xiàng)目場(chǎng)址斷裂的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及其控水特征相關(guān)探索顯然無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求。基于此，如遇到斷裂控水問(wèn)題探究時(shí)，本文建議在已有探槽或新開(kāi)挖的探槽基礎(chǔ)上，可考慮以近景攝影測(cè)量為主要技術(shù)手段，輔以地質(zhì)素描與現(xiàn)場(chǎng)影音記錄，展開(kāi)斷裂結(jié)構(gòu)精細(xì)化勘測(cè)。

1 研究方法

近景攝影測(cè)量是近些年發(fā)展起來(lái)的非接觸式測(cè)量技術(shù)，得益于嚴(yán)密的測(cè)量理論與性能不斷升級(jí)的拍攝硬件，可以為研究人員提供帶有三維坐標(biāo)的高精度影像模型，經(jīng)過(guò)識(shí)別提取等，方便研究者較易獲得被測(cè)目標(biāo)的幾何關(guān)系及數(shù)量等數(shù)字化信息，還可以將影像模型導(dǎo)入3D渲染軟件實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)展示。目前近景攝影測(cè)量已廣泛應(yīng)用于隧道內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)、古建筑保護(hù)與資源開(kāi)發(fā)、高陡邊坡穩(wěn)定性分析、建筑物數(shù)字測(cè)繪等[11-12]。

近景攝影測(cè)量解譯計(jì)算中的四個(gè)主要變量為圖像平面坐標(biāo)系，空間三維坐標(biāo)系，相機(jī)模型，外方位元素。每一個(gè)可以是輸入量或輸出量。建模的基本思路是：通過(guò)已定出的圖像中裂隙面標(biāo)識(shí)點(diǎn)的平面坐標(biāo)與圖像中控制點(diǎn)空間三維坐標(biāo)求解出外方位元素，然后建立所求點(diǎn)的平面坐標(biāo)系，與外方位元素作為輸入值，求解出所求點(diǎn)（裂隙面標(biāo)識(shí)點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。建立三維探槽模型及解譯工作流程具體如圖1所示。

值得注意的是在進(jìn)行攝影測(cè)量前，針對(duì)選取的典型斷裂探槽應(yīng)進(jìn)行必要的人工清理，以便揭露出新鮮的觀測(cè)面，然后在其內(nèi)設(shè)立不少于6個(gè)的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)可以是框架式控制點(diǎn)或者貼紙式控制點(diǎn)（如圖2），采用免棱鏡全站儀測(cè)取控制點(diǎn)高精度三維坐標(biāo)。拍照設(shè)備建議采用不低于2400萬(wàn)像素的單反相機(jī)，多角度進(jìn)行連續(xù)拍攝時(shí)要盡量保證前后圖像重疊率在50%～70%以上為宜。

2 適用項(xiàng)目

本文所述研究方法主要是面向斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其控水特征問(wèn)題：斷裂多尺度裂隙水力聯(lián)系判定，場(chǎng)區(qū)邊界控水?dāng)嗔丫嚯x避讓與斷裂分區(qū)防滲注漿設(shè)計(jì)優(yōu)化等。具體來(lái)說(shuō)，文中提出的研究方法可適用于地下工程周?chē)鷧^(qū)域有斷裂或項(xiàng)目本身需穿越斷裂的項(xiàng)目，典型的如核廢料地下深埋處置、隧道突水突泥識(shí)別與防治、巷道巷井滲涌水防治等項(xiàng)目，亦可兼顧服務(wù)于地下硐室穩(wěn)定性分析與加固。

3 研究案例

案例一：本文所選的第一個(gè)探槽位于我國(guó)西北核廢料地下處置工程項(xiàng)目某預(yù)選場(chǎng)址邊界斷裂（走向大致為東北向）。作者等對(duì)該典型斷裂探槽進(jìn)行擴(kuò)槽清理后開(kāi)展近景攝影測(cè)量獲得了三維模型（如圖3所示，其中Y軸為北方向），經(jīng)過(guò)三維模型旋轉(zhuǎn)觀察判斷可對(duì)斷裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑纯煞譃閿嗔焉媳P(pán)損傷帶、斷裂核部碎裂碎粉偶夾斷層泥條帶以及下盤(pán)損傷帶，進(jìn)一步可以利用模型展開(kāi)“微創(chuàng)手術(shù)式”取樣點(diǎn)標(biāo)記，作者等在斷裂核部標(biāo)記選出斷層泥試驗(yàn)樣品（031-1樣）、碎粉碎粒樣品（031-2樣）無(wú)尺寸效應(yīng)的樣品2件，上盤(pán)損傷帶樣品1件（031-3樣），時(shí)隔數(shù)月再次調(diào)取三維取樣后的探槽模型與樣品資料，編錄人員能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)樣品與取樣點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)，這將有助于預(yù)選區(qū)內(nèi)探槽數(shù)字化批量化編錄與取樣。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)探槽模型觀察定位核部與損傷帶邊界后利用測(cè)尺量測(cè)（已結(jié)合控制點(diǎn)將探槽模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸），可較易獲得一次斷裂核部寬度為2.77m，其精度達(dá)厘米級(jí)，如圖4（a）所示，通過(guò)多次量測(cè)取均值，獲得核部寬度約為2.90m。此外，經(jīng)過(guò)攝影測(cè)量建模及解譯初步獲得斷裂下盤(pán)損傷帶約30條裂隙面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Dips軟件成圖，可得裂隙優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀（如其中一組優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為50°∠55°），如圖4（b）所示。對(duì)裂隙面優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀聚類(lèi)分析后，便能對(duì)近核部不同裂隙巖樣是按照無(wú)尺寸效應(yīng)樣品還是按照具有尺寸效應(yīng)的樣品提出針對(duì)性的取樣方案等。

綜合以上模型獲得數(shù)據(jù)可更進(jìn)一步指導(dǎo)室內(nèi)外精細(xì)化水文試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及開(kāi)展斷裂控水規(guī)律探究，作者等已于近期展開(kāi)了一部分有關(guān)斷裂結(jié)構(gòu)及控水特征的定性探討工作，具體參閱文獻(xiàn)[13]。

案例二：本文所選取的第二個(gè)探槽位于我國(guó)西北核廢料處置工程某預(yù)選場(chǎng)址外數(shù)公里處的特大斷裂帶（走向大致為北東東向）。該探槽內(nèi)清晰揭露出了斷裂從上盤(pán)至下盤(pán)整個(gè)結(jié)構(gòu)單元的變化情況，李煜[14]選取槽內(nèi)露頭良好的巖塊對(duì)其進(jìn)行了近景攝影測(cè)量（如圖5（a）），在模型的基礎(chǔ)上通過(guò)影像灰度處理等過(guò)程，標(biāo)記出此巖塊內(nèi)含有三組不同產(chǎn)狀特征的裂隙面信息（如圖5（b）），在裂隙面跡線統(tǒng)計(jì)信息的基礎(chǔ)上對(duì)該塊進(jìn)行了巖體體積節(jié)理數(shù)估測(cè)等，綜合條數(shù)法與間距法獲得了其巖體體積節(jié)理數(shù)為23條/m3，經(jīng)轉(zhuǎn)換得該巖體完整性系數(shù)轉(zhuǎn)為0.31，查閱《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中巖體完整性系數(shù)與定性劃分的巖體完整程度對(duì)應(yīng)關(guān)系表判斷，該探槽內(nèi)巖體屬于破碎巖體，進(jìn)而推測(cè)其導(dǎo)水性能良好。顯然，本研究還可以進(jìn)一步疊加對(duì)應(yīng)位置的滲透試驗(yàn)系數(shù)，對(duì)比分析節(jié)理密度與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，斷裂橫向上則對(duì)比分析不同構(gòu)造單元的參數(shù)變化等，這將是斷裂探槽攝影測(cè)量的一個(gè)有益探究方向。

4 結(jié)論

本文立足斷裂控水問(wèn)題，提出應(yīng)重視運(yùn)用近景攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)其探槽內(nèi)揭露的斷裂信息進(jìn)行捕獲，通過(guò)兩個(gè)典型案例研究可以看出其不僅可以提供三維模型，更能夠借助模型統(tǒng)計(jì)獲得斷裂內(nèi)部各單元組構(gòu)特征、裂核部寬度、裂隙面優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀、取樣及裂隙密度等，不論從信息提取量還是從精細(xì)化程度與準(zhǔn)確性上看，是以往傳統(tǒng)地質(zhì)素描所不能比擬的，值得更深入的擴(kuò)展研究并加強(qiáng)有關(guān)應(yīng)用。

由于近景攝影測(cè)量技術(shù)形成的資料為數(shù)字化產(chǎn)品且便于計(jì)算機(jī)讀檔調(diào)取，可以考慮嘗試構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)與云共享技術(shù)的數(shù)據(jù)研判分析協(xié)同平臺(tái)，以求更好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員與異地專(zhuān)家共同“會(huì)診”。

最后，面對(duì)各類(lèi)觀測(cè)技術(shù)如物探、化探、高精度航測(cè)、GPS-RTK以及本文研究的近景攝影測(cè)量技術(shù)等不斷發(fā)展的這一形勢(shì)，作為勘探行業(yè)的從業(yè)者與研究人員不要只關(guān)注一種方法，而應(yīng)重視這些技術(shù)的融合應(yīng)用，以便更好地服務(wù)于工程建設(shè)。

致謝：感謝南京理工大學(xué)章楊松教授在野外試驗(yàn)觀測(cè)中提供的攝影測(cè)量技術(shù)指導(dǎo)與相關(guān)基礎(chǔ)資料支持。