2. 昆明理工大学建筑工程学院, 昆明 650500
2. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
0 引言
泥化夹层是一种特殊的软弱薄层，工程地质稳定性质差，层状岩质边坡常沿泥化夹层顺层滑动而失稳[1-3]，造成人员伤亡和财产损失。因此，研究泥化夹层的空间分布和几何形态，可为边坡稳定性分析及边坡支护设计提供依据[4-6]。
许多学者开展了软弱夹层和泥化夹层空间分布研究。如：简文星等[7]根据露头剖面简述了万州侏罗系红层地区软弱夹层的厚度和层数；朱赛楠等[8]描述了重庆武隆鸡尾山滑坡软弱夹层的厚度、层数、形态和连续性；肖拥军等[9]根据钻孔资料，介绍了巴东新城白土坡巴东组第三段软弱夹层的厚度和层数；王东华[10]分析了宝珠寺水电站坝址泥化夹层的横向延伸稳定性；刘会源[11]调查了黄河龙门水库坝区泥化夹层的位置；凌湖南等[12]简述了上犹江水电站坝区泥化夹层的横向分布规律。然而上述研究主要集中在定性描述方面，缺少定量化研究成果。
三维激光扫描技术也称实景复制技术[13]，是测量学领域的前沿技术，以网格扫描方式，高精度、高密度、高速度、免棱镜和非接触地测量扫描点的三维坐标，可以获得被测物体表面大量的三维点云数据，弥补了“单点式”测量的弊端，实现了“面测量”的突破[14-15]。因此，三维激光扫描技术能够快速、高精度地构建复杂曲面的可视化物理模型[16]，已被广泛运用于工程地质精细调查[17]。调查包括边坡地质灾害分区、危岩体定位、岩体结构面产状[18-22]、岩体裂隙分布[13, 18]、坡面巨粒的粒度分布[23]、结构面的粗糙度系数和抗剪强度参数[24], 及危岩体尺寸等方面[25]。
本文以云南省玉溪市生活垃圾焚烧发电厂高边坡局部开挖剖面为对象，采用地面型固定式三维激光扫描仪和手持式三维激光扫描仪可视化了泥化夹层的空间分布和几何形态，定量化地探讨了泥化夹层层面的产状、间距和粗糙度，并分析了泥化夹层几何形态特征，以期为下一步边坡稳定性分析及边坡支挡设计提供基础。
1 工程概况玉溪市生活垃圾焚烧发电厂位于云南省玉溪市红塔区高仓街道龙树居委会一组十六营坡地，场地介于102°32′59″E—102°33′13″E, 24°14′36″N—24°14′52″N, 标高1 810~1 900 m，项目占地约0.08 km2。场地平整后在其北侧形成长约290 m、最大高度约66 m的挖方高边坡。厂址区主要地层是埃迪卡拉系(震旦系)上统陡山沱组，岩性以碎裂状、砂状白云岩为主，白云岩间夹有多层泥化夹层。在开挖、支护施工期间，高边坡曾发生三次失稳，导致大部分支护结构完全失效。现场调查后认为，泥化夹层是该边坡失稳的重要原因之一[26]。
2 三维激光扫描技术的测量原理地面型固定式三维激光扫描仪采用徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪，厂家标称的距离精度为4 mm(50 m处)，角度精度为12.0″。每个测站的局部坐标系如图 1所示：以扫描仪自身中心为坐标原点(Ol点)，Xl和Yl轴位于水平面内，其中：Yl轴为起始扫描竖直面的水平方向，平行于主机侧壁，垂直于仪器横轴；Yl轴顺时针水平旋转90°为Xl轴，即仪器横轴中线；垂直水平面向上为Zl轴。三维激光扫描仪顺时针方向扫描被测物体，扫描仪距离量测系统的发射器向被测物体表面某点P发射窄束激光脉冲，激光脉冲返回并被接收器接收，利用激光脉冲发射和接收的时间差可计算Ol点到P点的直线距离SP，同时利用横向角度量测系统和竖向角度量测系统分别测量每束激光的横向扫描角度α(自Y1轴正方向顺时针旋转至扫描方向在水平面内投影的夹角)和竖直角θ(仰角为正，俯角为负)，根据式(1)计算扫描点P的局部坐标(XPl，YPl，ZPl)：
(1)
|
| 图 1 徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪的测量原理 Fig. 1 Measurement principle of Leica ScanStation C10 3D laser scanner |
|
|
三维激光扫描仪还可以获得物体表面扫描点的反射强度，并根据反射强度匹配不同的颜色。因此，三维激光扫描仪得到的数据是彩色的三维点云数据，它是被测物体表面密集的单个扫描点的集合，每个扫描点包含三维坐标和反射强度信息，可根据颜色区分不同的测量物体。
3 数据采集和处理 3.1 现场数据采集现场数据采集和数据处理流程如图 2所示。
|
| 图 2 数据采集和处理流程图 Fig. 2 Flow chart of data acquisition and processing |
|
|
1) 选取典型位置，准备台阶状剖面。首先在高边坡不同平台选取典型位置，沿泥化夹层的顶面，用各种开挖、雕琢工具将剖面修整成台阶状，要注意保存好泥化夹层；然后用大功率手提式风力灭火机清除剖面上的碎屑颗粒和灰尘。
2) 踏勘，布置测站和标靶。由于剖面凸凹不平，存在激光局部遮挡现象，一个测站所获得的点云数据不能覆盖整个剖面，需要将多个测站的点云数据拼接才能完整显示剖面；因此，首先应对现场进行详细的踏勘，然后科学合理地布置测站点和标靶(HDS3英寸标靶)位置，力争用最少的测站获得剖面完整的点云数据，相邻测站的相邻两景数据中至少存在3个及以上不在同一直线上的同名标靶，以进行精确的拼接控制。在满足测量精度和完整覆盖扫描体的条件下，测站数越多，数据越多，对计算机的要求越高。
3) 扫描采集数据。在第1个测站点(O点)架设好扫描仪，并瞄准第1个标靶中心T1(图 3)，用GPS接收机测量O点的大地坐标(XO，YO，ZO)，并测量仪器高度i，即OOl的垂直距离；然后将地质罗盘仪侧壁紧贴扫描仪侧壁，测量OlT1的方位角β1；最后进行该测站的三维激光扫描。依次进行下一个测站点的扫描，但不需要测量测站点的大地坐标、仪器高度及测站点到标靶中心的方位角，可直接进行三维激光扫描。
|
| 图 3 第1个测站的测量信息示意图 Fig. 3 Schematic diagram of measurement information of the first station |
|
|
1) 点云数据拼接。如前所述，不同测站的点云数据属于不同的局部坐标系，而且不同的局部坐标系是独立、互不关联的，但实际上它们都是扫描对象表面点云的一部分。因此，有必要把不同测站的点云数据统一到同一坐标系中，这个过程称为数据拼接。本研究以第1个测站点云数据的局部坐标系为基准，采用拼接效率和准确度高的标靶拼接方法[27]，利用Cyclone 8.0软件(徕卡地理系统股份公司，瑞士)逐站拼接数据。
2) 坐标转换。首先计算第1个测站中所有标靶中心的大地坐标。大地坐标系(X，Y，Z)和局部坐标系(Xl，Yl，Zl)都符合右手螺旋定律，Z轴与Zl轴同向，X和Y轴组成的水平面与Xl和Yl轴组成的水平面平行。如图 3所示，已知O点的大地坐标(XO，YO，ZO)和仪高i，则Ol点的大地坐标为：
(2) 利用Cyclone软件获取3个标靶中心和Ol点的局部坐标，分别为T1(XT1l，YT1l，ZT1l)、T2(XT2l，YT2l，ZT2l)、T3(XT3l，YT3l，ZT3l)和Ol(0，0，0)，计算Ol与T1的水平距离DT1：
(3) 已知OlT1的方位角β1，则T1的大地坐标为：
(4) 计算Ol与T2的水平距离DT2、T1与T2的水平距离DT1T2和水平角α12：
(5) 
(6) 
(7) 则OlT2的方位角β2为
(8) 若β2大于360°，则应对其减去360°。然后参考公式(4)—(7)计算标靶中心T2的大地坐标。以此类推，计算出第1个测站其他标靶中心的大地坐标。
然后基于第1个测站所有标靶中心的大地坐标，运用Cyclone软件的测量拼接方法将局部坐标系转换为大地坐标系。坐标转换原理是布尔莎-沃尔夫模型，也称为七参数法[28]，即：
(9) 
(10) 其中：
式中：[X Y Z]T为转换后的大地坐标；[Xl Yl Zl]T为转换前的局部坐标；[Δx Δy Δz]T为平移向量的坐标；k为缩放系数，本研究无缩放，取k=0；R(ε)为转换因子；εX、εY、εZ分别为Xl、Yl、Zl轴转换到X、Y、Z轴的旋转角度。
根据前文所述局部坐标系与大地坐标系的空间关系，本研究的坐标转换公式可简化为
(11) 3) 去除非必要的点云数据和噪音。三维激光扫描仪在扫描过程中会得到扫描对象外围一些非必要的点云数据，此外还有一些噪音。为提高计算机处理的效率和点云模型的精度，必须用Cyclone软件去除非必要点云数据和噪音，获得扫描对象理想的点云数据模型。
3.3 数据分析1) 泥化夹层的层面产状。Cyclone软件可通过区域生长法或拟合平面法获取结构面的单位法向量。因此，本节介绍基于结构面单位法向量计算结构面产状的方法：结构面的产状一般用倾向φ和倾角γ来表征，0°≤φ≤360°，0°≤γ≤90°。图 4为某泥化夹层顶面(即平面DEF)的空间示意图，X正轴方向为东，Y正轴方向为北，Z正轴为向上，点D、E、F分别位于X轴、Y轴、Z轴上，n为平面DEF的单位法向量，n′为向量n在XY水平面的投影，R为象限角，即从Y轴的一端顺时针或逆时针转至某直线的水平锐角。设结构面的单位法向量n的坐标为(A，B，C)，它与水平面的单位法向量(0，0，1)的夹角就是结构面的倾角γ：
(12)
|
| 图 4 泥化夹层顶面的空间几何关系 Fig. 4 Geometric relationship of the top surface of muddy interlayer |
|
|
因为A2+B2+C2=1，所以
(13) 首先计算象限角R：
(14) 然后根据象限角计算倾向φ：
(15) 当C=0时，泥化夹层是直立的，当C=±1时，泥化夹层是水平的。
基于Cyclone软件获得的泥化夹层层面的单位法向量，根据公式(12)—(15)，利用Excel编程计算泥化夹层的层面产状。
2) 泥化夹层的间距。同一扫描剖面中若干泥化夹层顶面的产状总体相似，但也有一定的随机性。为了计算夹层的间距，首先求取一个剖面中所有泥化夹层顶面的单位法向量的平均值，用于替代各个夹层顶面的单位法向量，这样同一剖面中所有泥化夹层相互平行；然后，可根据两平行面的垂直距离计算公式来计算两相邻泥化夹层的间距：
(16) 式中：m为一剖面中泥化夹层的层数；Ai、Bi、Ci为剖面中第i层泥化夹层层面的单位法向量；A、B、C是某剖面中所有泥化夹层层面单位法向量的平均值；P1和P2分别为两相邻平面的平面方程；dp1p2为相邻层面的垂直距离。根据公式(16)用Excel编程计算夹层间距。
3) 泥化夹层层面的粗糙度。将Cyclone软件处理得到的理想的点云数据导入到Geomagic Wrap 2015软件(Geomagic公司，美国)，经过封装、填充、网格医生等一系列处理，生成三角面模型或NURBS精确曲面模型。针对每一层泥化夹层模型，选择最具有代表性的局部区域拟合成平面，采用拟合偏差色谱图评价泥化夹层层面的粗糙度。
结构面粗糙度系数(joint roughness coefficient，CJR)具有各向异性特征。因此，本研究采用李化等[29]提出的方法计算泥化夹层层面的代表性区域沿层面倾向的CJR。计算CJR的步骤：首先在三角面模型中选取具有代表性的泥化夹层层面，用Geomagic Wrap软件沿夹层倾向裁剪剖面；然后将剖面导入CAD中进行数字化处理，获得剖面轮廓线的L0、L和RA；再根据公式(17)—(19)用Excel编程计算CJR。
平直状剖面曲线(0≤CJR≤8)：
(17) 波浪状剖面曲线(8 < CJR≤16)：
(18) 锯齿状剖面曲线(16 < CJR≤20)：
(19) 式中：R0为伸长率，R0=(L-L0)/L，L、L0分别为剖面曲线长度、剖面直线长度；Ra为剖面相对起伏度，Ra=RA/ L0，RA为剖面起伏度。
4) 泥化夹层的几何形态。首先在现场采集厚度稍厚、扰动小的泥化夹层样品，在室内用手持式三维激光扫描仪，即瑞典ROMER RA-7520-2六轴关节臂三维测量仪进行扫描，该设备的测量精度是±0.023 mm，测量半径为1.25 m；然后将点云数据导入Geomagic Wrap 2015软件进行点云拼接、消除噪音、封装、网格医生或精确曲面等一系列处理，生成三角面模型或NURBS精确曲面模型；最后计算模型的体积和表面积，裁剪模型。
4 结果与分析本研究选择了4个剖面进行扫描，剖面编号和地理位置分别为：P1(24°14′47.44″N，102°33′2.77″E，1 842.1 m)，P13(24°14′48.09″N，102°33′7.55″E，1 851.0 m)，P14(24°14′48.10″N，102°33′5.36″E，1 851.0 m)和P20(24°14′47.03″N，102°33′3.13″E，1 841.0 m)。
4.1 泥化夹层的空间分布、层面产状和间距受篇幅限制，本文只给出了剖面P1的泥化夹层空间分布图(图 5、6)。如图 5所示，现场识别出6层泥化夹层，即L1—L6，而三维激光扫描技术只扫描出5层，即L1—L5(图 6)。三维激光扫描技术没有扫描出现场人眼识别的所有泥化夹层，这种情况在其他3个剖面也出现。此情况的原因归纳有三点：一是用三维激光扫描技术研究泥化夹层的空间分布，首先必须在泥化夹层的顶面制作出台阶状陡坎；二是泥化夹层非常薄，小于1 mm；三是白云岩岩体非常破碎，呈mm尺度的碎石颗粒，当泥化夹层的含水率高时，白云岩碎石颗粒与泥化夹层紧紧黏结在一起，而当泥化夹层的含水率逐渐降低，泥化夹层发生干缩翘曲变形，夹层越薄，翘曲现象越显著。因此，在泥化夹层厚度很薄的层面制作台阶状陡坎非常困难，台阶踢面高度和踏面宽度小，徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪不易扫描。针对徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪，为了能更好地研究泥化夹层，台阶踢面高度和踏面宽度要求在2 cm以上。
|
| 图 5 剖面P1现场识别的泥化夹层 Fig. 5 Muddy interlayer identified in situ in Profile P1 |
|
|
|
| a，b，c分别为从Y，X，Z方向观察夹层分布的视图，且b是a中的AA′剖面图。 图 6 基于三维激光扫描的剖面P1泥化夹层的三维视图 Fig. 6 3D view of muddy interlayer in Profile P1 based on 3D laser scanning |
|
|
综合图 5和图 6可以看出，与其他3个剖面类似，大部分泥化夹层分布于整个扫描剖面，延伸长度均超过6.7 m，少数泥化夹层呈局部分布，如剖面P1的L6泥化夹层，长度约0.5 m(图 5)。从宏观和整体上看，泥化夹层相对平直，而且相互近似平行。表 1给出了4个剖面共21层泥化夹层的产状和间距，并采用上半球等角赤平投影法对产状进行分析(图 7)。泥化夹层的倾向、倾角分别在188.45°~209.92°、17.97°~26.09°之间，平均值分别为196.41°±5.51°、22.27°±2.23°。产状极点分布和赤平投影曲线展布都比较集中，说明泥化夹层的产状整体相近，它们相互近似平行，同时也证明了前文所述计算夹层间距的方法是合理的。此外，表 1也给出了17个层面的地质罗盘实测产状和13个直尺测量的夹层间距数据。夹层倾向、倾角和间距的三维激光扫描测量值与罗盘实测值的最大差值分别为2.77°、1.67°和1.4 cm。结果表明，三维激光扫描测量值与实测值相差不大。因此，利用三维激光扫描仪测量夹层产状和间距可满足精度要求。
| 剖面 | 夹层 | 倾向/(°) | 倾角/(°) | 间距/cm |
| P1 | L1 | 196.00(194) | 23.06(23) | |
| 15.9(14.8) | ||||
| L2 | 200.60(201) | 23.78(23) | ||
| 16.7(17.1) | ||||
| L3 | 209.92(208) | 19.16(20) | ||
| 12.6(12.5) | ||||
| L4 | 207.77(205) | 23.67(22) | ||
| 9.3(8.9) | ||||
| L5 | 197.06(198) | 23.42(22) | ||
| P13 | L8 | 198.75 | 17.97 | |
| 10.8 | ||||
| L9 | 191.50(190) | 21.00(20) | ||
| 41.8 | ||||
| L10 | 199.29 | 18.99 | ||
| P14 | L2 | 193.86 | 24.24 | |
| 16.4 | ||||
| L3 | 188.45 | 23.49 | ||
| 49.1 | ||||
| L4 | 194.47(195) | 23.19(21) | ||
| P20 | L3 | 196.42(195) | 20.38(21) | |
| 9.9(8.5) | ||||
| L4 | 191.83(193) | 20.08(20) | ||
| 28.3(28.2) | ||||
| L5 | 190.34(190) | 23.65(22) | ||
| 29.7(30.1) | ||||
| L7 | 194.58(193) | 21.22(21) | ||
| 21.3(22.3) | ||||
| L8 | 189.59(190) | 22.36(21) | ||
| 24.0(23.6) | ||||
| L9 | 195.98(194) | 23.44(22) | ||
| 26.8(27.4) | ||||
| L10 | 195.36(195) | 19.90(20) | ||
| 3.7(2.9) | ||||
| L11 | 195.97(196) | 25.96(25) | ||
| 14.5(15.1) | ||||
| L12 | 193.42(191) | 22.68(23) | ||
| 24.6(24.9) | ||||
| L13 | 203.35(202) | 26.09(25) | ||
| 注：括号内数据为地质罗盘实测产状和直尺实测间距。 | ||||
|
| 图 7 泥化夹层产状的极点和赤平投影图 Fig. 7 Pole plot and plane projection of muddy interlayer |
|
|
泥化夹层的间距在3.7~49.1 cm之间，剖面P20泥化夹层L5与L7的间距为29.7 cm(表 1)，平均值为(20.4±12.0)cm。利用三维激光扫描技术研究泥化夹层的厚度特征，首先必须同时在泥化夹层的上、下层面制作台阶状陡坎，但由于本研究区的泥化夹层普遍较薄，在夹层的上、下层面制作台阶状陡坎是极其困难的，因此只能在现场用直尺多次测量泥化夹层的厚度来研究。现场调查发现不同层位的泥化夹层的厚度不同，同一层位泥化夹层的厚度在横向上也发生变化，大部分泥化夹层的厚度在10 mm以内，最薄的不到1 mm，最厚的约20 mm，如剖面P13的L10、剖面P14的L4和剖面P20的L13。
据前人研究报道：宝珠寺水电站坝址区泥化夹层的厚度主要分布在0.1~5.0 cm范围，仅夹层D2的厚度就高达15.0~30.0 cm[10]；黄河龙门水库坝址区泥化夹层厚度在0.2~5.0 cm之间，较厚者可达8.0~10.0 cm[11]；上犹江大坝坝基泥化夹层厚度一般在几cm至20 cm，沿走向延伸长度在10~20 m，少数较厚的夹层延伸30~40 m即尖灭[12]；小浪底水库坝址区泥化夹层的厚度在1~4 cm范围，夹层垂直间距在4.9~60.0 m之间[30]。与上述研究报道相比可以看出，玉溪市生活垃圾焚烧发电厂高边坡的泥化夹层具有整体相对平直、相互近似平行、非等距分布、间距小、层数多、厚度薄的特点。
本研究未能分析整个高边坡的泥化夹层空间分布，这是受现场工作条件的限制，不能制作出横穿整个高边坡的具有台阶状的剖面。但如果能够准备这样一个更大尺度的台阶状剖面，用三维激光扫描仪研究整个高边坡的泥化夹层空间分布在技术上是可行的。
4.2 泥化夹层层面的粗糙度本节基于典型区域平面拟合偏差色谱图和沿倾向泥化夹层顶面最长剖面轮廓线的粗糙度系数来评价泥化夹层的粗糙度。区别在于前者评价的是整个典型区域的粗糙度，典型区域越偏离平面，偏差值越大，泥化夹层越粗糙；而后者只能评价沿倾向的粗糙度。例如，图 8给出了剖面P14泥化夹层L4顶面典型区域的平面拟合偏差色谱图，色谱呈条带状非均匀分布，说明泥化夹层的顶面并非光滑平面，而是凹凸不平的。表 2给出所有泥化夹层的平面拟合偏差和粗糙度系数，偏差范围为-22.4 ~32.5 mm，超过泥化夹层的厚度，而粗糙度系数在5.67~16.77之间，平均值是10.11±3.25。以上分析表明，尽管4.1节研究表明泥化夹层宏观整体相对平直，但细观来看，泥化夹层的顶面还是粗糙的，不是光滑平面。
|
| 图 8 剖面P14泥化夹层L4顶面典型区域的平面拟合偏差色谱 Fig. 8 Plane fitting deviation chromatography for typical area of top surface of muddy Interlayer L4 in Profile P14 |
|
|
| 剖面 | 夹层 | 拟合偏差/mm | 粗糙度系数 |
| P1 | L1 | -5.9~9.9 | 6.92 |
| L2 | -4.2~14.7 | 14.71 | |
| L3 | -7.5~14.7 | 7.68 | |
| L4 | -3.6~3.5 | 5.67 | |
| L5 | -6.2~7.1 | 7.05 | |
| P13 | L8 | -8.5~24.9 | 16.37 |
| L9 | -15.2~20.3 | 6.91 | |
| L10 | -22.4~32.5 | 12.51 | |
| P14 | L2 | -9.6~11.5 | 10.41 |
| L3 | -4.2~4.0 | 9.34 | |
| L4 | -6.4~16.7 | 12.85 | |
| P20 | L3 | -4.2~5.2 | 12.86 |
| L4 | -7.1~8.3 | 9.33 | |
| L5 | -5.2~5.9 | 10.43 | |
| L7 | -1.2~3.3 | 10.00 | |
| L8 | -6.7~10.8 | 10.20 | |
| L9 | -3.8~2.1 | 7.59 | |
| L10 | -2.2~2.9 | 16.77 | |
| L11 | -1.9~1.7 | 7.50 | |
| L12 | -5.0~9.8 | 10.86 | |
| L13 | -5.0~7.3 | 6.27 |
本研究在剖面P13共采集了3个泥化夹层样品进行室内三维激光扫描，其中在夹层L9采集1个样品，命名为P13-L9-S1，在夹层L10采集2个样品，分别命名为P13-L10-S1、P13-L10-S2。因篇幅限制，本节仅展示P13-L10-S2的三维几何形态(图 9、图 10)。
|
| a. 泥化夹层的顶面；b. 泥化夹层的底面。 图 9 P13-L10-S2的三维几何形态 Fig. 9 Three-dimensional geometry morphology for P13-L10-S2 |
|
|
|
| a. 泥化夹层的顶面；b. 泥化夹层的横截面。 图 10 P13-L10-S2的横截面形态 Fig. 10 Cross section morphology for P13-L10-S2 |
|
|
夹层P13-L10-S2的长、宽分别约为12 cm、8 cm(图 10a)，顶面有5个陡坎，其中3个近似相互平行(图 9a)，这些陡坎是上覆破碎白云岩在挤压作用下岩体结构面在泥化夹层中留下的印膜，而底面则相对光滑(图 9b)，这种“顶糙底滑”的现象在其他2个夹层样品中也很显著。产生这种现象的原因可能是泥化夹层的强度低、变形模量小，在层间剪切过程中泥化夹层对上覆破碎白云岩岩体的支撑作用弱；而上覆白云岩岩体除产生层间滑移外，还可能产生旋转等，导致上覆破碎白云岩岩体运动不协调，白云岩岩体不同程度嵌入泥化夹层，在顶面留下结构面印膜；并且泥化夹层与下伏破碎白云岩岩体不存在泥化夹层支撑白云岩岩体的情况，仅发生层间滑移。
如表 3所示，3个泥化夹层样品的体积比较接近，在29.90~36.60 cm3之间，表面积在154.29~214.40 cm2之间，表面积与体积之比在5.14~5.86 cm-1之间，远远大于同体积的立方体和圆球体的表面积与体积之比(1.52~1.93 cm-1)；说明泥化夹层的三维形态是极其不规则的。将夹层裁剪成6段清晰地展示了泥化夹层的横截面形态(图 10)。泥化夹层的顶面呈锯齿状，最大隆起高度约5 mm，底面总体相对光滑。泥化夹层的厚度不均匀，最薄处约2 mm，最厚处约9 mm。
| 样品编号 | 泥化夹层 | 表面积/体积/cm-1 | ||||
| 表面积/cm2 | 体积/cm3 | 泥化夹层 | 同体积立方体 | 同体积圆球体 | ||
| P13-L9-S1 | 166.26 | 32.35 | 5.14 | 1.88 | 1.52 | |
| P13-L10-S1 | 154.29 | 29.90 | 5.16 | 1.93 | 1.56 | |
| P13-L10-S2 | 214.40 | 36.60 | 5.86 | 1.81 | 1.62 | |
玉溪市生活垃圾焚烧发电厂高边坡泥化夹层具有如下特征：
1) 大部分泥化夹层横向分布于整个扫描剖面，少数呈局部分布。
2) 从宏观和整体上看，泥化夹层具有整体相对平直、相互近似平行、非等距分布、间距小、层数多、厚度薄的特点。泥化夹层的平均倾向为196.41°±5.51°，平均倾角为22.27°±2.23°，间距在3.7~49.1 cm之间，平均值为(20.4±12.0)cm。不同层位的泥化夹层厚度不等，同一层位泥化夹层的厚度在横向上也发生变化，厚度在1~20 mm之间，有些夹层厚度小于1 mm。
3) 从细观上看，泥化夹层的顶面凸凹不平，局部区域呈陡坎状，平面拟合偏差在-22.4~32.5 mm之间，沿倾向泥化夹层顶面最长剖面轮廓线的粗糙度系数在5.67~16.77之间，平均值为10.11±3.25。泥化夹层的顶面粗糙，底面相对光滑。泥化夹层的表面积与体积之比在5.14~5.86 cm-1之间，远大于同体积的立方体和圆球体的表面积与体积之比(1.52~1.93 cm-1)，三维形态极其不规则。
4) 运用三维激光扫描技术研究泥化夹层的空间分布和几何形态是可行的。针对徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪，为了能更好地扫描泥化夹层，台阶踢面高度和踏面宽度要求在2 cm以上。
本研究不足之处：受泥化夹层厚度薄和现场工作条件的限制，未能用三维激光扫描技术研究泥化夹层厚度的横向分布规律及整个高边坡泥化夹层的空间分布，但其在技术上是可行的。
致谢: 昆明理工大学工程训练中心马坚高级工程师在瑞典ROMER RA-7520-2六轴关节臂三维测量仪使用方面提供了帮助；昆明理工大学建筑工程学院陈积普博士、潍坊昌达建设集团有限公司陶可友工程师和西南交通大学土木工程学院何宏智博士研究生在徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪操作方面提供了帮助，在此一并致谢。
| [1] |
王在泉, 张黎明, 贺俊征. 泥化夹层对边坡工程稳定性影响及控制方法研究[J]. 青岛建筑工程学院学报, 2004, 25(4): 1-5. Wang Zaiquan, Zhang Liming, He Junzheng. Influence of Mudded Intercalation on Slope Stability and Its Controlling[J]. Journal of Qingdao Institute of Architecture and Engineering, 2004, 25(4): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.1673-4602.2004.04.001 |
| [2] |
龚裔芳, 金福喜, 张可能, 等. 红砂岩泥化夹层力学特性及其对边坡稳定性的影响[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2010, 29(2): 220-223. Gong Yifang, Jin Fuxi, Zhang Keneng, et al. Influence on Slope Stability of Physical-Mechanical Property of Clayer Thin Interlayer in Red Sandstone[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2010, 29(2): 220-223. |
| [3] |
白永健, 王运生, 葛华, 等. 金沙江深切河谷百胜滑坡演化过程及成因机制[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(6): 1680-1688. Bai Yongjian, Wang Yunsheng, Ge Hua, et al. Formation Evolution and Genetic Mechanism of Baisheng Landslide in the Deep-Incised Valley of Jinsha River[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2019, 49(6): 1680-1688. |
| [4] |
牟会宠, 石慧馨, 叶珍久. "软弱夹层"对坝基岩体稳定的影响[J]. 地质科学, 1975, 10(3): 265-278. Mu Huichong, Shi Huixin, Ye Zhenjiu. The Influence of Weak Interbed on the Stability of Rock Mass of Dam Foundation[J]. Scientia Geologica Sinica, 1975, 10(3): 265-278. |
| [5] |
杜晓丽, 宋宏伟, 魏京胜. 地震对软弱夹层边坡稳定性影响数值模拟研究[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2010, 32(1): 39-42. Du Xiaoli, Song Hongwei, Wei Jingsheng. Numerical Simulation Research on Stability of Slope with Weak Sandwich Under Seismic Loadings[J]. Journal of China Three Gorges University (Natural Sciences), 2010, 32(1): 39-42. |
| [6] |
张志强, 李宁, 陈方方, 等. 软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(增刊1): 2637-2644. Zhang Zhiqiang, Li Ning, Chen Fangfang, et al. A Practical Method to Simulate Thickness of Weak Interbed and Its Application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(Sup.1): 2637-2644. |
| [7] |
简文星, 殷坤龙, 马昌前, 等. 万州侏罗纪红层软弱夹层特征[J]. 岩土力学, 2005, 26(6): 901-905. Jian Wenxing, Yin Kunlong, Ma Changqian, et al. Characteristics of Incompetent Beds in Jurassic Red Clastic Rocks in Wanzhou[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(6): 901-905. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2005.06.015 |
| [8] |
朱赛楠, 殷跃平, 李滨. 大型层状基岩滑坡软弱夹层演化特征: 以重庆武隆鸡尾山滑坡为例[J]. 工程地质学报, 2018, 26(6): 1638-1647. Zhu Sainan, Yin Yueping, Li Bin. Evolution Characteristics of Weak Intercalation in Massive Layered Rockslides: A Case Study of Jiweishan Rockslide in Wulong, Chongqing[J]. Journal of Engineering Geology, 2018, 26(6): 1638-1647. |
| [9] |
肖拥军, 殷坤龙, 黄学斌, 等. 巴东新城白土坡深层岩体软弱夹层地质特征[J]. 水文地质工程地质, 2007, 34(6): 72-75. Xiao Yongjun, Yin Kunlong, Huang Xuebin, et al. Weak Intercalated Layers' Geologic Feature in Deep-Seated Rock Mass of Baitupo Slope in Badong New Town-Site of the Three Gorges Reservoir[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2007, 34(6): 72-75. DOI:10.3969/j.issn.1000-3665.2007.06.017 |
| [10] |
王东华. 宝珠寺水电工程坝址区泥化夹层的工程地质研究[J]. 西北水电技术, 1986(2): 1-13. Wang Donghua. Research on the Engineering Geological Characteristics of Siltized Intercalation in Baozhusi Hydroelectric Dam Site[J]. Northwest Hydropower, 1986(2): 1-13. |
| [11] |
刘会源. 黄河龙门水库坝址区泥化夹层分布规律的初步研究[J]. 人民黄河, 1987(3): 59-64. Liu Huiyuan. Preliminary Study on Distribution of Clay Interactions in Longmen Dam Site[J]. Yellow River, 1987(3): 59-64. |
| [12] |
凌湖南, 史尚尧. 上犹江大坝基础板岩破碎泥化夹层及其对大坝稳定的影响[J]. 大坝与安全, 1990(2/3): 48-56. Ling Hunan, Shi Shangyao. Siltized Intercalation Interbeded in Slate Fragmentation and Its Controlling on Dam Stability in Shangyou River Dam Foundation[J]. Large Dam and Safety, 1990(2/3): 48-56. |
| [13] |
董秀军, 黄润秋. 三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(增刊2): 3629-3635. Dong Xiujun, Huang Runqiu. Application of 3D Laser Scanning Technology to Geologic Survey of High and Steep Slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Sup.2): 3629-3635. |
| [14] |
徐进军, 王海城, 罗喻真, 等. 基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J]. 岩土力学, 2010, 31(7): 2188-2191. Xu Jinjun, Wang Haicheng, Luo Yuzhen, et al. Deformation Monitoring and Data Processing of Landslide Based on 3D Laser Dcanning[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(7): 2188-2191. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2010.07.027 |
| [15] |
马俊伟, 唐辉明, 胡新丽, 等. 三维激光扫描技术在滑坡物理模型试验中的应用[J]. 岩土力学, 2014, 35(5): 1495-1505. Ma Junwei, Tang Huiming, Hu Xingli, et al. Application of 3D Laser Scanning Technology to Landslide Physical Model Test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(5): 1495-1505. |
| [16] |
陈致富, 陈德立, 杨建学. 三维激光扫描技术在基坑变形监测中的应用[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(增刊): 557-559. Chen Zhifu, Chen Deli, Yang Jianxue. Application of Three-Dimensional Laser Scanning Technique in Deformation Monitoring of Excavations[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Sup.): 557-559. |
| [17] |
王凤艳, 赵明宇, 王明常, 等. 无人机摄影测量在矿山地质环境调查中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2020, 50(3): 866-874. Wang Fengyan, Zhao Mingyu, Wang Mingchang, et al. Application of UAV Photogrammetry in Mine Geological Environment Survey[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2020, 50(3): 866-874. |
| [18] |
董秀军, 黄润秋. 三维激光扫描测量在汶川地震后都汶公路快速抢通中的应用[J]. 工程地质学报, 2008, 16(6): 774-779. Dong Xiujun, Huang Runqiu. Application of 3D Laser Scanner in Making Duwen Road Travelable in Short Term After Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 2008, 16(6): 774-779. DOI:10.3969/j.issn.1004-9665.2008.06.007 |
| [19] |
何秉顺, 丁留谦, 孙平. 三维激光扫描系统在岩体结构面识别中的应用[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2007, 5(1): 43-48. He Bingshun, Ding Liuqian, Sun Ping. The Application of 3D Laser Scanning Technology in Rock Joint Sets Identification[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2007, 5(1): 43-48. DOI:10.3969/j.issn.1672-3031.2007.01.008 |
| [20] |
许度, 冯夏庭, 李邵军, 等. 基于三维激光扫描的锦屏地下实验室岩体变形破坏特征关键信息提取技术研究[J]. 岩土力学, 2017, 38(增刊1): 488-495. Xu Du, Feng Xiating, Li Shaojun, et al. Research on Key Information Extraction of Rock Mass Deformation and Failure Characteristics in Jinping Underground Laboratory Based on 3D Laser Scanning Technique[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(Sup.1): 488-495. |
| [21] |
许度, 冯夏庭, 李邵军, 等. 激光扫描隧洞变形与岩体结构面测试技术及应用[J]. 岩土工程学报, 2018, 40(7): 1336-1343. Xu Du, Feng Xiating, Li Shaojun, et al. In-Situ Testing Technique for Tunnel Deformation and Structural Plane of Rock Mass Based on Contactless Laser Scanning Method and Its Application[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(7): 1336-1343. |
| [22] |
葛云峰, 夏丁, 唐辉明, 等. 基于三维激光扫描技术的岩体结构面智能识别与信息提取[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(12): 3050-3061. Ge Yunfeng, Xia Ding, Tang Huiming, et al. Intelligent Identification and Extraction of Geometric Properties of Rock Discontinuities Based on Terrestrial Laser Scanning[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36(12): 3050-3061. |
| [23] |
姜丽丽, 吴勇, 尹恒, 等. 三维激光扫描技术在地表巨粒组粒度分析中的应用[J]. 地质灾害与环境保护, 2012, 23(1): 103-107. Jiang Lili, Wu Yong, Yin Heng, et al. Applying 3D Laser Scanning in Granularity Analysis of the Surface Giant Particle[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2012, 23(1): 103-107. DOI:10.3969/j.issn.1006-4362.2012.01.021 |
| [24] |
游志诚, 王亮清, 杨艳霞, 等. 基于三维激光扫描技术的结构面抗剪强度参数各向异性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(增刊1): 3003-3008. You Zhicheng, Wang Liangqing, Yang Yanxia, et al. Anisotropic Research on Strength Parameters of Discontinuity Based on Three-Dimensional Laser Scanning Technology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(Sup.1): 3003-3008. |
| [25] |
马福贵, 宋元福, 然见多杰, 等. 三维激光扫描技术在地质灾害调查中的应用[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2017, 28(3): 101-105. Ma Fugui, Song Yuanfu, Ran Jianduojie, et al. Application of the Three-Dimensional Laser Scanning in the Investigation of Geologic Hazard[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2017, 28(3): 101-105. |
| [26] |
赵志锐, 刘文连, 王志强. 玉溪市生活垃圾焚烧发电项目边(滑)坡治理工程勘察报告[R]. 昆明: 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司, 2019. Zhao Zhirui, Liu Wenlian, Wang Zhiqiang. Reconnaissance Report on Landslide at Yuxi Municipal Solid Waste Incineration Power Plant[R]. Kunming: Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co Ltd, 2019. |
| [27] |
谢雄耀, 卢晓智, 田海洋, 等. 基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(11): 2214-2224. Xie Xiongyao, Lu Xiaozhi, Tian Haiyang, et al. Deveopment of a Modeling Method for Monitoring Tunnel Deformation Based on Terrestrial 3D Laser Scanning[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(11): 2214-2224. |
| [28] |
胡超, 周宜红, 赵春菊, 等. 基于三维激光扫描数据的边坡开挖质量评价方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(增刊2): 3979-3984. Hu Chao, Zhou Yihong, Zhao Chunjiu, et al. Slope Excavation Quality Evaluation Based on Three-Dimensinal Laser Scan Data[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(Sup.2): 3979-3984. |
| [29] |
李化, 黄润秋. 岩石结构面粗糙度系数JRC定量确定方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(增刊2): 3489-3497. Li Hua, Huang Runqiu. Method of Quantitative Determination of Joint Roughness Coefficient[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(Sup.2): 3489-3497. |
| [30] |
夏德成. 小浪底水库坝址区地质条件对泥化夹层空间分布的控制作用[J]. 水利水电技术, 1991(9): 50-54. Xia Decheng. Geological Conditions and Its Control on the Distribution of Mudded Intercalation in Xiaolangdi Project[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 1991(9): 50-54. |