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，如被廣泛認可和應用的國標分類法、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。隨著技術手段的進步和研究的深入，有學者將新技術與以上方法相結(jié)合。三維激光掃描技術因其無接觸、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確性，同時降低了成本和環(huán)境干擾的風險，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)特征的基礎上利用巖體的賦存信息進行客觀評價才能指導工程實踐。三峽大學孫錢程團隊基于三維激光掃描技術，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)相關評價參數(shù)，引入動態(tài)權重法形成了巖體質(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觀測研究站，防災減災湖北省重點實驗室（三峽大學））

摘 要：巖體質(zhì)量評價是開展滑坡、崩塌等地質(zhì)災害預測與評估的重要基礎信息。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)權重法計算各參數(shù)權重，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確性，為巖體質(zhì)量評價領域提供了新的技術方法，具有重要的科學意義和應用價值。

關鍵詞：巖體質(zhì)量評價，三維激光掃描，非接觸測量，動態(tài)權重

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)選定好的位置進行儀器架設，對評價區(qū)域進行掃描，獲取巖體表面點云數(shù)據(jù)；對點云數(shù)據(jù)進行處理，獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)；評價參數(shù)取值歸一化，權重計算，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

應用實例

選取某庫區(qū)巖質(zhì)邊坡，對庫岸斜坡巖體進行三維激光掃描，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)場采樣的風險和成本，同時提高了質(zhì)量評價的效率和準確性。此外，該方法的抗干擾能力強，適用于各種復雜環(huán)境，為巖體質(zhì)量評價提供了一種新的技術方法。

（2）采用動態(tài)權重法對評價指標進行權重分配，充分考慮了各指標間的相互影響，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)進行巖體質(zhì)量評價方法的準確性和可靠性。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，三峽大學土木與建筑學院道路與橋梁工程系副主任，李焯芬院士秘書，湖北省地下工程學會理事。長期從事巖石力學與地質(zhì)災害防治等方面的教學與科研工作。近年來圍繞巖體劣化損傷測試及評價持續(xù)開展研究，改進了基于穩(wěn)健隨機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；基于原位應力與巖體破裂測試提出了巖體破裂對應不同應力變化模式，基于室內(nèi)試驗成果解譯了不同應力路徑對巖體破裂的影響機制。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會二等獎（2020年，排名第2）、中國產(chǎn)學研合作促進會優(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》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，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頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（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，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構(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、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領域具有重大學術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)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居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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