水利工程中工程地質和水文地質勘測方法研究

黃會妙

(溫州市水利電力勘測設計院有限公司,浙江 溫州 325000)

0 引 言

水利工程中的工程地質和水文地質勘測是確保工程安全和可行性的重要環節,盡管目前勘測手段繁多,但仍面臨一些挑戰和不足[1]。首先是勘測所涉及的區域廣大、復雜,有時難以獲得全面且具有代表性的數據。同時,勘測設備和技術在某些特殊地質條件下的應用仍有局限性,可能導致勘測結果的誤差和不確定性[2-3]。其次是工程地質和水文地質勘測需要大量的人力、物力和財力投入,導致在一些地區和項目中,由于資源有限,勘測工作的質量和范圍可能受到限制。

隨著遙感技術的快速發展,其在地理信息系統以及工程和水文地質勘探領域的應用已經取得顯著成效。在工程地質勘探中,遙感技術可以為設計者提供關于地表條件、地質構造、地下水分布等詳細信息,有助于優化工程方案。在水文地質勘探領域,利用遙感技術可更準確地分析地表水、地下水資源,并制定合理的水資源管理策略[4-5]。

為此,本文設計一種基于遙感技術的地理信息系統(GIS),以期能為水利工程中的地質勘探提供新的思路。研究創新點是結合遙感技術和地理信息的優勢,設計一個用于水利地質勘測的系統。該系統進行壩基巖性識別時,通過充分利用Landsat系列衛星的多波段特性,組合分析不同波段的光譜響應,提高巖石類型的識別精度。利用高精度點云數據,轉化為網格數據后,生成數字地面模型(DEM),對DEM進行多角度的分析,如剖面分析、坡度和曲率計算、等高線生成等,以實現對壩基地形的全面、深入評估。

1 水利工程地質分析及水文地質勘測

1.1 水利工程中工程地質與水文地質勘探分析

1.1.1 水利工程建設

工程地質和水文地質的勘探與分析是確保水利工程建設順利進行的重要部分。工程地質包括地質結構、地質環境、地形地貌等,而水文地質則包括區域內的水文特征、水質條件及運動、水資源評價等。主要工作則涉及地質測繪、壩基工程分析、邊坡工程分析、地下工程分析、軟土基坑分析等。在進行水利工程建設時,首先需要對整個工程的地質進行測繪。測繪需聯系實際的地理信息,按照相關標準進行。而遙感技術在地質地形圖和專題圖的繪制上具有強大的優勢,利用測繪遙感技術對衛星拍攝的影像資料進行分析和解讀,可以得到區域地質的三維地形信息。對地形信息進一步處理,排除干擾因素,可得到精度較高的區域地形圖。如果把不同波段的遙感數據影像當作載體,并進行不用地段的信息分析,則可以確定區域地段的地質構造、地理環境等[6]。

1.1.2 壩基工程

壩基工程是指用于建設大型水壩的地基工程。地質勘探的目的是了解壩基的地質情況,包括地質構造、地質層位、地質穩定性等,以評估壩基的承載能力和穩定性等。對于壩基工程的勘探:①可以通過遙感獲取地形地貌、地質構造等信息,結合GIS進行空間分析,評估潛在壩址的可行性和適宜性。②可以利用遙感影像和地質圖等數據,結合GIS進行地質構造分析、崩塌滑坡等地質災害風險評估,為工程勘探提供地質背景信息。③可以利用遙感影像和地形數據,結合GIS平臺進行三維可視化分析,對壩基工程勘探區域進行立體展示,幫助設計人員更好地理解和分析地形地貌特征[7]。

1.1.3 邊坡工程

邊坡工程是指對山坡、河堤和土坡等地質體進行穩定分析和設計,以確保其在各種力和環境條件下的穩定性。對于邊坡工程的勘探:①可以通過遙感技術獲取區域地形數據、植被覆蓋情況、土地利用和變化等信息。②可以通過遙感技術對邊坡的地形進行測量和分析,確定邊坡的坡度、坡高、坡角等參數,評估邊坡穩定性,并選擇合適的邊坡保護和加固措施。③可以利用地理信息系統對邊坡工程的空間數據管理和分析,整合出不同數據源的地理信息如遙感數據、地形數據、工程數據等,進行地理數據的集成、存儲和查詢[8]。

1.1.4 地下工程

地下工程分析在工程與水文地質勘探中占有重要位置。地下工程涉及挖掘和建造設施在地下,如隧道、橋梁基礎、地下停車場、礦井,以及地下供水、排水和石油管道系統等。對于地下工程的勘探:①可以通過遙感技術識別土壤類型、植被覆蓋度、地下水埋深、含水層條件等,GIS技術將這些數據整合成土壤圖、植被圖或水文地圖。②可以通過遙感技術獲取地表特征和地質結構的詳細信息,如巖層、斷層、構造帶等,GIS則可以將這些地質數據整合成地質圖以供分析。③可以通過遙感技術和GIS可用于識別并分析地下工程場地周邊的環境風險,如地震危險性、洪水泛濫區、污染源、滑坡危險區等[9-11]。為了進一步精確地對水利工程中工程地質和水文地質進行勘測,需融合遙感技術的優勢對地理信息系統進行設計。

1.2 基于遙感技術的水利工程水文地質勘測方法

1.2.1 系統架構

為了全面精確地對水利工程中工程地質和水文地質進行有效勘測,結合遙感技術和地理信息系統的優勢,設計了基于遙感技術的地理信息系統[12]。該系統主要由信息采集模塊、數據傳輸模塊等5個模塊組成。其技術架構和總體結構見圖1。

圖1 系統的總體架構與結構

1.2.2 水利工程地質勘測方法設計

以壩基工程為例,使用研究設計的勘測系統進行勘測時,首先采用衛星和航空拍攝等遙感手段獲取高分辨率的遙感影像,并對圖像質量進行預處理,去除云和陰影、改進圖像清晰度等,以獲得較準確的地表信息。具體見圖2。

圖2 采集水利工程地表信息

進行壩基巖石類型識別時,因不同巖石類型具有不同的光譜特征,研究所設計系統通過Landsat系列衛星不同波段的遙感影像和特征參數進行巖性識別[14]。利用TM5波段對壩基的巖性進行識別,TM5波段在中紅外光譜范圍內,對不同類型的巖石具有很好的區分能力,能準確識別出巖石的類型。在TM5波段中,大小不同、成分差異的巖石,如花崗巖、石灰巖、玄武巖等,都有其獨特的反射率,各自的光譜特征都表現出明顯的差異。因此,通過仔細分析TM5波段的光譜特征,能準確識別和區分出這些巖石類型。另外,利用TM2波段對壩基上植被進行識別。植被在TM2波段具有較高的反射率,而巖石和土壤的反射率較低。對于水體的識別,則采用TM1波段。因為水體在該波段下的反射率較低,與其周圍的巖石和植被有很大的反差。因此,通過觀察和分析TM1波段的光譜特征,可以成功地區分水體、巖石和植被,從而實現對水體的精確識別和提取。

進行壩基地形分析時,使用系統中的激光雷達對壩基地區進行掃描,獲取工程的地表信息,然后對信息數據進行除噪等預處理。將處理后的數據轉換成點云形式,即由大量離散的三維坐標點組成的數據集。每個點都對應激光雷達掃描過程中測量到的地表位置坐標,由于點云中還包含建筑物、植被等非地面物體的點,需要采用地面提取算法,將地面點與非地面點進行區分和篩選。將地面點云數據轉換為網格數據,將離散的點云數據轉換為規則的網格結構,以便后續分析與可視化?；诰W格化的地面數據,生成數字地面模型(DEM)。

DEM是由壩基地區地表高程值構成的二維柵格數據,可以反映地表的高程、起伏和形態等情況。利用生成的DEM進行地形分析,通過對DEM進行視覺化、剖面分析、坡度和曲率計算、等高線生成等操作,對壩基工程進行評估。剖面分析是在視覺化的基礎上,對地形的垂直剖面進行分析,展現從一個坐標點到另一坐標點的地形變化[15]。需選擇所需的剖面軌跡,然后在DEM上提取參考線,生成高度概要信息。坡度可以用來表示地面的傾斜程度,曲率表示地面的彎曲程度。較大的坡度或者曲率值較大,則表示地形變化劇烈,會對壩基的穩定性造成威脅。在GIS software或程序語言中,基于DEM數據使用插值算法生成等高線。通過觀察等高線圖,可以對壩基地形的平緩性、均勻性進行初步判斷。

2 水利工程水文勘測結果分析

某省計劃在A縣城周邊修建一項水利工程,該工程建成后,預計向A縣城及周邊鄉鎮供水約3 000×104m3,解決A縣城15.36萬人、3.89×104頭牲畜的飲水問題,同時為周圍地區0.575 3×104hm2耕地農田提供灌溉,每年的供水量預計2 36 7×104m3。此外,在該工程附近還建有水電站,水電站總裝機規模為3.0×104kW。

為了對工程建設的設計以及方案編制提供相應的依據和參考,現對工程中壩基工程的巖體類型進行勘測。首先對所設計系統的地質圖繪制的并發性進行測試,結果見圖3。

圖3 地質靜動態地圖并發性測試結果

由圖3可知,繪制靜態工程和水文地圖時,只有傳統單一的GIS系統的響應時間增加,其他3種系統的響應時間幾乎不變,并且研究所構建系統的響應時間最少,在靜態工程地質和水文地質中分別用時約9.9和5.1s。而在動態工程地質和水文地質中,隨著工程地質中動態地圖繪制圖片數目的增加,4個系統的響應時間均增加。但是研究系統的增長相對緩慢,繪制10幅動態工程地質圖約53.6s,而傳統單一的GIS系統增長最快,繪制10幅動態工程地質圖需約136.4s。文獻[15]和文獻[16]中的系統分別用時約92.3和104.6s。由圖3(b)可知,仍是研究系統的響應時間最少,繪制10個動態水文地質圖約49.6s。文獻[15]、文獻[16]以及傳統的GIS系統繪制10個動態水文地質圖分別用時60.5、82.6、124.5s,表明系統的并行性較好,可以同時繪制多幅地形圖。

然后分兩次采集,對水庫工程地區的頻譜進行分析,結果見圖4。

圖4 頻率波段采集結果

由圖4可知,兩次采集僅有細微差別,這是因為壩基地質環境會時刻變化,且受云層厚度影響等因素導致的。由圖4(a)可知,該工程壩基區域的亮度范圍約為0～0.8,頻率范圍約為0.6～8.6Hz。而純水區域的亮度范圍約為0.4～1.4,頻率范圍約為0.2～17.3Hz。測試結果的曲線幾乎與標準值一致,表明該水利工程在壩基區域的亮度和頻率特征基本符合預期,沒有明顯異常。

再對該水庫工程的地質巖層進行勘測,結果見圖5。

圖5 A縣城水庫周圍地形巖層勘測結果

由圖5可知,在該地區的巖石層中,包括花崗巖、石灰巖、砂頁巖、礫巖以及沉積物等。該地區水庫周圍主要以砂頁巖和礫巖為主,可以用于水利工程中水力發電廠和堰壩的建設。而且在工程施工中,可以通過挖掘和爆破進行開采,并能夠提供良好的地質穩定性,確保水利工程的安全運行?；◢弾r分布在水庫較近的位置,可以提供可靠的基礎支持和抵抗水流沖刷的能力。石灰巖分布位置距離水庫相對較近,可以作為水利工程中的透水層,使地下水能夠自然流動并補充地表水資源。沉積物主要處于河流下游,可以用于填筑土地、修筑河道和水庫,以增加水利設施的容量和穩定性。其間還分布有較多的斷層,工程修建需避開這些區域。通過研究設計的系統對工程地質進行勘探,得到不同類型的巖石分布,以此為基礎可建設出更安全、可靠、高效的水利工程。

最后對水庫工程的壩基進行地形分析,結果見圖6。圖6中,A位置等高線相對稀疏,等高線范圍在560～740m,可為工程設計和施工提供依據,降低風險,確保項目的順利進行。由圖6可知,該工程位置相對平坦,平坦的地形通常意味著更穩定的地基,減少了滑坡、塌方等地質災害的風險,有助于降低土方挖填量,減少項目的工程成本。地勢起伏小,對于基礎設施建設和工程進度的影響較小,可提高施工效率。結合前文的巖層分析,該處土壤以砂頁巖和礫巖為主,適合水利工程項目建設。此外,根據水文勘測,該處遠離水文勘測,適合A縣城水利工程項目的建設。

圖6 工程位置地質分析

3 結 論

本文分析了工程地質和水文地質勘探的主要工作,闡述了遙感技術和地理信息系統在勘探中的作用和方法,設計了基于遙感技術的地理信息系統,并以A縣水利工程項目為例進行了應用分析。結果顯示,研究方法繪制2 500個動態工程和水文地質要素分別用時約3.8和3.2s,繪制速率較快;測得壩基區域的亮度范圍約為0～0.8,頻率范圍約為0.6～8.6Hz。針對該勘測巖層類型,測得該地以砂頁巖和礫巖為主,并且所處位置等高線范圍在560～740m,相對稀疏,地勢平坦穩定,利于項目順利建設。