摄影测量工具ShapeMetriX和岩体结构面统计工具Dips的集成
摘要
本文探讨了摄影测量技术在岩土工程中的应用，重点介绍了ShapeMetriX三维成像系统及其与Dips分析程序的结合。该系统能从无人机照片生成3D模型，实现节理等参数的统计和分析，并通过实际案例展示了其在边坡稳定性评估中的应用。尽管运动学分析提供了快速评估方法，但详细分析仍需结合其他方法如极限平衡法和数值模拟。
正文
1. 引言
岩体不连续提取工具---Discontinuity Set Extractor (DSE) 从岩石照片中提取节理或不连续性特征---直接识别和机器学习 CloudCompare V2.13 Beta版发布 ---从点云数据提取结构面产状(倾角/倾向)
2. ShapeMetriX的特性
ShapeMetriX把无人机拍摄的照片生成3D模型，它有一些独特的功能，例如：
(1) 节理间距统计；
(2) 节理迹长统计；
(3) 岩桥长度统计；
(4) 计算断裂频率；
其中计算断裂频率是我们最感兴趣的一个功能，过去，我们通过数值模拟来估算断裂频率，这个真实的数值不仅比数值模拟准确，而且可以用来校准数值模拟的结果。
3. ShapeMetriX到Dips
ShapeMetriX生成的结构面产状数据(.3gdgps)可以直接导入到Dips中进行边坡运动学分析。该文件包括以下数据：
Declination
XYZ Coordinates - X(Easting), Y(Northing), Z(Elevation)
Persistence
Dip
Dip Direction
Set ID
Colour
分组统计数据包括：
Set ID
Set Name
Set Colour
Mean Dip
Mean Dip Direction
Spherical Aperture
Fisher Concentration
Degree Of Orientation
Cone Of Confidence
Confidence Level
Weight Indicator
Mean Spacing
Std Dev Spacing
Mean Trace Length
Std Dev Trace Length
3.1 输入数据
边坡运动学分析的基础输入数据是倾角/倾向(Dip/Dip Direction)。下面对一个拟开挖的边坡岩体进行了节理统计，共测量了49组数据(Dip/DD)，其结果如下图所示。
3.2 节理分组
从上图明显地看出，岩体可以划分为两个节理组，这两组节理控制着边坡的稳定性。对每组数据进行平均，得出两条平均后的节理 joint 1和Joint 2。第一组节理的平均值为60/70(Dip/DD),第二组节理的平均值为35/201(Dip/DD)。这两组节理的相交线为146/22(Dip/DD)。如下图所示。
3.3 平面滑动分析
下面进行平面滑动(Planar Sliding)分析。拟在上述岩体中开挖一个边坡角为50°至70°的面朝正东的边坡，我们的目的是想确定最大可能的边坡角。首先在上图的基础上增加一个边坡面。边坡面朝正东意味着边坡倾向为90°，假定边坡角为50°，因此边坡面产状为50/90。假定岩石的摩擦角为30°，在这种情况下，边坡平面滑动的可能性如下图所示。
从图中可以看出，第一组节理(60/70)的极点完全在可能的破坏区域范围外，因此出现平面滑动破坏的可能性为零。为了得到最优的边坡角，我们逐渐增大边坡角。
(1) 当边坡角为59°时，开始出现平面滑动,共有23个节理出现滑动，其中4个节理最为严重；
(2) 当边坡角为60°时，开始出现平面滑动,共有23个节理出现滑动，其中7个节理最为严重；
(3) 当边坡角为62°时，开始出现平面滑动,共有23个节理出现滑动，其中10个节理最为严重；
(4) 当边坡角为64°时，开始出现平面滑动,共有23个节理出现滑动，其中22个节理最为严重。这显然是不可接受的，因此合适的开挖边坡角应该在59°到62°之间，60°可能是最优的边坡角，破坏概率约为30%，对于采矿工程这个破坏概率是可以接受的。
3.4 楔形滑动分析
当边坡角设计为60°时，两组节理的相交线在可能的破坏区域外，因此不会发生楔形滑动(Wedge Sliding)破坏。如果在边坡角不变的情况下改变边坡面方向，比如边坡面朝正南方，其它条件不变，在这种情况下，由于两组节理的相交线处在可能的破坏区域之外，因此发生楔形滑动的可能性为零。
从上图看出，尽管不会发生楔形滑动，但第二组节理的极点全部落在了可能的破坏区域，用平面滑动来分析，结果发现这26个节理全部会发生平面滑动。这意味着边坡面朝正南方开挖的方案不行。
4. 结束语
摄影测量工具ShapeMetriX分析的结构面数据可以直接导入到Dips (包括RocSlope)中进行运动学分析，运动学分析提供了一种简单快捷的边坡稳定性分析途径，在可行性研究或初步评估和设计时可以使用。不过，由于运动学分析忽略了许多岩体属性，没有考虑施工过程，也没有考虑节理的位置，因此在详细分析和评价时需要结合其它方法(极限平衡法和数值模拟)进行综合考虑。
