青年博士学术专栏
煤炭是我国最重要的化石能源之一,2019年煤炭消费量占能源总消费量比例为57.7%,2019年产量达38.5亿t[1]。在我国,超过90%的矿井为井工矿,采煤沉陷是井工矿开采伴生的重要负面影响之一[2-3],特别是在我国生态环境脆弱的西部地区。据统计,山西省2015年因煤炭开采造成的直接经济损失以及由此产生的治理费用和生态环境潜在损失平均可达100元/t[4]。采煤沉陷引起的地表沉降及地裂缝,不仅破坏地表建筑物,还会对土壤结构,地表植被等造成巨大损害[5-7]。
地裂缝的宽度、深度、开裂面积和体积等三维形态决定了其对土壤结构、土壤含水量和植物生长的影响[8-9]。无论是野外试验,还是室内模拟试验,定量获取地裂缝三维形态信息是研究地裂缝对环境影响的重要基础。目前多数野外研究地裂缝影响作用的试验多采用传统的钢尺量距法[9-10],或者通过设计、改进观测装置,实现对地裂缝宽度和深度的测定[10-11],但这些方法均无法全面获取地裂缝体积、表面积等三维结构信息。
随着测量技术的发展,三维激光扫描技术和探地雷达技术等新兴探测技术手段被逐渐应用到诸多领域。三维激光扫描是无接触快速扫描获取被测物体空间三维坐标数据的测量技术,能方便地为待测物建立三维模型[12]。结合点云数据处理软件,可获取待测物的体积、面积等相关三维形态信息。该技术近年来被逐渐应用到测绘、工业设计、考古等多个领域。在采煤沉陷地治理工作中,三维激光扫描被用于大面积扫描沉陷区,通过分析图像判断地裂缝位置[13]。虽然三维激光扫描技术能直接获取探测范围内可视目标的形态信息,但由于地裂缝的不规则性,且普遍具有窄、深等物理形态特征,能否利用三维激光扫描技术全面探测地裂缝的三维形态信息,至今未有报导,其可行性暂未得到可靠证实。
除三维激光扫描技术之外,探地雷达扫描技术也是一种无接触探测技术[14]。探地雷达天线通过发射高频电磁波,电磁波在传播过程中遇到不同媒质界面,会部分发生反射,被接收天线记录。因此通过信号处理软件观察波形特征可推断地下水体、空洞等变化[15]。在道路建设工程中,探地雷达扫描可用于探测公路结构层隐含裂缝[16-17];在采煤沉陷领域,探地雷达扫描可用于在地裂缝两侧地表,对地裂缝深度进行探测,通过信号处理推断地裂缝发育深度[18]。但是,利用探地雷达扫描获取地裂缝三维形态模型研究尚未有报道。
在定量研究地裂缝对植被、土壤、建筑等方面的影响时,成功获取地裂缝三维形态模型有助于量化地裂缝尺度[19]。基于此,笔者基于三维激光扫描和探地雷达扫描技术,根据地裂缝独特的物理形态特征,首先尝试使用传统钢尺量距法与三维激光扫描技术直接对地裂缝形态进行扫描建模,再通过三维激光扫描辅以石膏注浆法,间接获取地裂缝模型。并创新性地采用高频探地雷达系统,从侧面获取地裂缝开裂边界,重构其三维形态模型。最后,通过实例应用证明探测方法的可行性,并对测定结果的精度与技术特点进行分析和评价。
选取模拟地裂缝作为试验对象进行技术实施。试验采用自主研发的室内地裂缝模拟装置[20]模拟3条采动地裂缝,如图1所示。
图1 采动地裂缝模拟装置
Fig.1 Simulation device of mining ground fissure
地裂缝模拟装置为有机玻璃(厚度8 mm)箱型结构体(150 cm ×65 cm ×90 cm),装置底部是由支柱支撑顶板架空的模拟采空区,采空区一侧为操作窗。装置中填充覆盖土壤厚度60 cm。模拟地裂缝时,通过操作窗将顶板缓慢抽出。由于重力作用,上覆土壤自然坍塌,在开切眼正上方附近产生台阶型地裂缝。采空区长为65 cm、宽为40 cm,高度根据所需地裂缝尺度设定。本试验采用3个模拟装置,土壤为砂土,容重为1.5 g/cm3,采空区高度分别设置为30 cm(地裂缝A)、20 cm(地裂缝B)和10 cm (地裂缝C)。
1.2.1 钢尺量距法
根据野外实践常用经验方法[9-10],钢尺量距法具体操作如下:①裂缝宽度:用钢尺垂直于地裂缝走向,量取地裂缝水平开裂宽度;②台阶高度:用钢尺竖直测量地裂缝台阶上沿至下盘平齐高度位置,为台阶高度;③裂缝深度:对小型地裂缝,可以用钢尺竖直插入探测至地裂缝底部,通过钢尺读数获取此处裂缝深度。对于深度较大的地裂缝,钢尺插入易变形,可通过塑性杆(铁、硬塑料等不易弯曲材质)探测至地裂缝底部,在塑性杆上做标记,通过钢尺间接量取地裂缝深度。
试从每条地裂缝一侧起,每隔20 cm量取1次地裂缝宽度、台阶高度和深度(直接用钢尺探入测量),测量6处取均值作为地裂缝形态测量结果。
1.2.2 三维激光扫描法
三维激光扫描是一种无接触获取被测物可视部分空间三维形态的测量技术。因此,对于可视度较大的浅、宽型地裂缝,其地表开裂宽度,尤其是裸露于地表之上台阶的三维形态信息可通过手持三维激光扫描仪直接近距离扫描。目前市面绝大部分手持三维激光扫描仪在扫描前需对目标物体粘贴“靶点”进行定位。在地裂缝扫描前需对地裂缝地表及裂缝壁粘贴“靶点”(靶点密度根据扫描仪型号及扫描精度设定)。扫描过程中,不断调整镜头角度以最大程度获取地裂缝结构,通过点云后处理软件获取地裂缝三维形态模型。
为了探索该方法的技术特点,在地表利用三维激光扫描仪分别对3条地裂缝形态进行扫描。在Geomagic 2015中,对点云数据进行去噪、封装等常规建模操作,得到石膏体的三维形态模型。通过对模型分析,间接获取地裂缝宽度、深度、体积、表面积等信息。其中,由于地裂缝形态特点,直接利用三维激光扫描获取的地裂缝形态为“面”结构,为获取地裂缝体积,在Geomagic 2015中将地裂缝三维模型的顶端用“面”将地裂缝模型封装为三维实体,即可获取地裂缝体积(图 2)。对于地裂缝宽度,可在软件中通过“计算”工具量取地表处地裂缝的宽度均值。不仅如此,还可通过数字模型进一步量取任意深度地裂缝的宽度。
图2 三维激光扫描获取的地裂缝模型
Fig.2 Ground fissure model measured by 3D laser scanning
1.2.3 三维激光扫描辅以石膏注浆法
三维激光扫描能对可视目标进行高精度扫描,但裂缝深部可视度差,会影响扫描结果。因此,向地裂缝灌注流体状石膏浆填充开裂空间,待石膏浆凝固为石膏体后开挖,利用三维激光扫描仪扫描石膏体间接获取地裂缝三维数字模型。最后通过三维模型软件获取地裂缝数字模型宽度、长度、深度、体积和表面积等形态信息。
三维激光扫描辅以石膏注浆法具体步骤为:①调制石膏浆,取适量石膏粉加入盆中,边搅边加自来水,待石膏浆由黏稠状逐渐稀释至流体态即可,如图3所示;②注入石膏浆,将石膏浆小心灌注地裂缝中,灌至填满整条地裂缝与地表平齐为止;③开挖石膏体,石膏体凝固成型后将石膏体缓慢小心开挖,开挖过程中尽可能保护好石膏体形态,防止破坏。④利用三维激光扫描仪扫描石膏体,如图4所示。⑤在软件Geomagic 2015中对点云数据进行去噪、封装等建模操作,得到石膏体三维形态模型。通过对模型分析,间接获取地裂缝的宽度、深度、体积和表面积等三维形态信息。
图3 调制流体状石膏浆
Fig.3 Preparction of fluid gypsum pulp
图4 三维激光扫描仪扫描石膏体
Fig.4 Measuring gypsum block with 3D laser scanner
1.2.4 探地雷达侧面扫描法
探地雷达采用1.6 GHz的高频探地雷达系统,该雷达系统主要由雷达主机、雷达天线和连接线3部分组成,如图5所示。
图5 探地雷达系统
Fig.5 Ground penetrating radar system
模型中地裂缝呈垂直地面走向,实测中沿模型外侧等间距构造水平工作剖面,采集模型水平断面扫描图像后获取裂隙边界位置。如图 6所示,自地表起向下逐层扫描地裂缝(层间隔i越小,精度越高,工作量越大)。电磁波信号在物体内部传播时,如遇存在电性差异(介电常数)介质界面,会反射、透射和折射,反射电磁波信号被接收天线接收后记录,获取介质断面扫描图像。根据所获取图像,利用探地雷达处理系统对其进行预处理和后处理,包括:零线设定、一维滤波、背景去噪、自动增益或手动增益控制、滑动平均等,以达到压制随机干扰噪声,突出有效信息的目的。根据地裂缝边界形态和道间距可获得每层裂缝边界点的位置坐标。通过Auto CAD和Geomagic等三维图像处理软件,生成地裂缝三维数字模型,进一步计算地裂缝形态相关信息。
图6 地裂缝扫描路线
Fig.6 Scanning route of grund fissures
试验时土壤体积含水量为8%,与野外地裂缝形态测定不同,模拟装置的左端即可作为工作剖面。试验中,在模拟装置左端对土层深度70、140、210、280和350 mm分别进行雷达扫描,获取5层扫描数据。为获取土壤介电常数λ,在箱体另一端(无地裂缝干扰)距离边界500 mm处埋入1根直径为20 mm的钢筋,在模型外侧做水平断面扫描。根据电磁波到钢筋的反射时间与距离可推算土壤中电磁波的传播速度v,根据(其中,c为电磁波在真空中的传播速度)进一步计算土壤介电常数λ,为3。结合电磁波在介质体内传播信息精确获取裂隙边界位置。以地裂缝B为例,在深度280 mm以下未监测到裂缝扰动,因此判断地裂缝B深度小于280 mm。将70、140、210 mm等3层边界坐标数据导出,在Auto CAD 2019中生成地裂缝三维线框模型,如图7所示。将线框转换为实体,导出stl格式,通过Geomagic studio2015软件得到地裂缝三维实体,并利用“计算”工具,量取地裂缝宽度、深度、面积和体积等形态信息。
图7 地裂缝的线框模型
Fig.7 Wireframe model of ground fissures
利用4种不同观测方法所获取的3条不同尺寸地裂缝形态信息见表1。试验中无法获取地裂缝形态指标的真值,为比较不同技术方法测量结果的偏差程度,在结果分析中对不同方法间的测量值进行对比分析,其中,方法A相比方法B测量值偏差程度计算为:(测量值A-测量值B)/测量值B×100%。
表1 地裂缝形态参数
Table 1 Parameters of Ground fissure morphologies
探测技术钢尺量距三维激光三维+石膏探地雷达地裂缝A宽度/mm10513011877深度/mm263153206210~280台阶高度/mm255236——台阶面积/mm2—216 472——裂缝面积/mm2—220 554398 623286 172体积/mm3—5 322 63811 160 4756 162 962地裂缝B宽度/mm72877468深度/mm15999146140~210台阶高度/mm172142——台阶面积/mm2—110 733——裂缝面积/mm2—158 342259 587198 376体积/mm3—2 970 8593 250 6634 160 141地裂缝C宽度/mm45374341深度/mm104427870~140台阶高度/mm8057——台阶面积/mm2—50 912——裂缝面积/mm2—56 572136 846104 068体积/mm3—321 8171 413 8191 467 925
注:—为无法测量。
传统钢尺量距法可获取地裂缝宽度、深度和台阶高度[10],但无法测量台阶面积、地裂缝表面积和体积等,其精度会受观测采样点密度影响,采样点密度越大,精度越高。测量结果受工作人员主观设置采样点位置影响较大。
三维激光扫描法可全面获取地裂缝各参数,尤其可测量台阶面积,但探测目标物信息遮挡会直接影响探测结果。在应用中发现,地裂缝侧壁凹凸不规则,楔形裂缝深部存在视线遮挡问题,导致三维激光镜头对深部裂缝形态无法扫描完全。特别在扫描非上宽下窄型地裂缝时,镜头视线将被过度遮挡,严重影响扫描结果,导致所建模型的深部精度极大降低。因此三维激光直接扫描获取的3条地裂缝深度、表面积和体积等数值较其他测量方法均偏低。随地裂缝尺度变小,通过该方法测得地裂缝深度、表面积和体积偏差会逐渐被放大。对窄小型地裂缝C,三维激光扫描法获得深度、裂缝面积和体积较石膏注浆法测量值分别偏小47%、59%、77%。因此,该方法适用于对深度等其他信息无精度需求,但对地裂缝宽度、台阶面积需精密量化的裂缝试验研究或治理工程。
通过三维激光扫描石膏体形态间接获取地裂缝开裂部分形态信息。与钢尺量距结果相比,三维激光扫描辅以石膏注浆法测得各地裂缝宽度偏差小于13%。由于流体状石膏浆可深入到地裂缝底部,所以地裂缝深度、体积和表面积等均大于三维激光扫描法观测值,具有更高精度(与钢尺量距结果相比,各地裂缝深度偏差小于25%)。由于石膏浆的流体特性,三维激光扫描辅以石膏注浆法对地裂缝形态要求最低。但相比钢尺量距法,三维激光扫描辅以石膏注浆法所测各地裂缝深度均偏小,这可能是由于石膏浆的黏稠度导致随下渗深度增加,地裂缝宽度变窄,石膏浆下渗受阻而停止所引起。所以在后续应用中,应根据需求进一步调整石膏浆黏稠度,提高测量精度。
根据上述分析可得,三维激光扫描辅以石膏注浆法适用于对裂缝三维形态信息精度要求较高的裂缝试验研究或治理工程。但是,灌注石膏浆并开挖会破坏裂缝结构,所以石膏注浆法不适用于长期观测裂缝动态变化的试验研究。另外,由于该方法需要大量石膏浆灌注填充裂缝,应用该方法观测野外特大尺度地裂缝成本较高。
探地雷达侧面扫描法无法观测地裂缝台阶高度和台阶面积,但可成功建立地裂缝地下部分三维模型,进而可获取地裂缝宽度、深度、体积和表面积等信息。测量过程中,探地雷达侧面扫描的每层地裂缝边界需人工判断,精度易受作业人员经验水平主观影响。另外,由于试验中地裂缝呈楔形结构,地表开裂随深度增加而逐渐闭合,表现为深度越深,裂缝宽度越小的趋势。因此,在进行探地雷达扫描时,雷达天线靠近地表扫描第1层数据,实际所得数据为地表以下深度约5 cm的地裂缝宽度(偏小于地表开裂宽度)。因此,相较于其他方法,该方法所得地裂缝宽度存在系统性误差,导致所测宽度偏小。探地雷达侧面扫描法是逐层扫描所得地裂缝边界叠加生成地裂缝三维结构,与其他方法相比,该方法对地裂缝深度的测定具有较高精度。需要指出,探地雷达侧面扫描法所得深度为范围值,如地裂缝A,在深度210 mm能观测到裂缝扰动,而280 mm未观测到裂缝扰动,因此推断地裂缝深度为210~280 mm。为获取精确地裂缝深度数据,可适当加密扫描层数。相邻扫描层间未观测的地裂缝形态由软件差分填补生成,相对于实际地裂缝形态,探地雷达侧面扫描法所建立模型褶皱凹凸偏少,因此该方法所测地裂缝表面积也偏小于石膏注浆法。不同于其他探测方法,探地雷达侧面扫描法可无损实时监测地裂缝形态。对于小型地裂缝,可通过开挖工作剖面进行雷达扫描,然而探地雷达侧面扫描法在野外大型地裂缝试验或操作复杂,但其独特优势在于能方便地解决室内模拟试验地裂缝形态量化问题。如在近年来与室内模拟地裂缝相关的研究[6,20-21]中,均涉及到室内模拟地裂缝损害,进而研究其对相关研究变量的影响作用。但以上文献中均未量化地裂缝三维形态尺度,仅粗略描述了模拟地裂缝的宽度、深度等表面信息。为提高试验设计的科学性,获取地裂缝三维形态是必要的,探地雷达侧面扫描法可无损得实时探测地裂缝形态,解决室内模拟试验地裂缝形态的量化问题,具有一定科学意义和应用价值,综合以上4种方法,单一方法并不能普适于各种应用场景,在实际试验研究和工程应用中,可根据研究需求,结合利用多种探测方法以获得更精确、全面的地裂缝形态数据。
1)三维激光扫描法,可以全面获取地裂缝三维形态信息,对地裂缝宽度和台阶信息测量具有较高精度,但对地裂缝深部探测效果较差,在10 cm台阶高度地裂缝试验中,三维激光扫描法所得深度、地裂缝面积、体积相比石膏注浆法分别偏小47%、59%、77%,不适于窄、深地裂缝测量。该方法适用于对深度等其他信息无高精度需求,而仅对地裂缝宽度、台阶形态进行精密量化的地裂缝研究或治理工程。
2)三维激光扫描辅以石膏注浆法,可获取地裂缝宽度(与钢尺丈量相比偏差小于13%)、深度、体积、面积,适用于对地裂缝三维形态精度要求较高的研究工程。但成本高,且具有破坏性,不适用于长期动态观测型试验。
3)探地雷达侧面扫描法,虽然操作复杂,且精度受人工主观判断影响较大,但可无损地获取地裂缝信息,特别是对于室内模拟地裂缝试验,该方法能方便地获取地裂缝形态,满足无损持续观测需求。
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