集成遥感与岩土力学建模评估含天然洞穴的结构复杂岩体稳定性

《Geosciences》：Integrated Remote Sensing and Geotechnical Modelling for the Stability Assessment of Structurally Complex Rock Masses with Natural Cavities

　　

研究人员提出了一种结合遥感与详细岩土分析的远程岩土工作流，应用于希腊某天然洞穴围岩岩体，旨在评估变工况下洞穴-边坡耦合系统的稳定性。该方法融合无人机（UAV）摄影测量与基于SLAM的激光雷达（LiDAR）测量，获取厘米级地表与地下空洞数据，并将数据集融合为几何一致的边坡-洞口-洞穴三维表征，用以改进边坡形态、内部洞穴几何及外露不连续面格局的记录。融合空间数据用于提取代表性二维洞穴-边坡剖面以进行平面应变有限元分析；数值模型采用Hoek–Brown破坏准则构建等效连续体模型，通过强度折减（Shear Strength Reduction）技术对多情景进行稳定性评估。总体表明，集成岩土与遥感方法可提升几何完整性与一致性、增强可复现性，并降低复杂含洞岩体情景化稳定性评估中的几何相关不确定性。

研究背景方面，陡峻地形、强风化碎裂岩体及天然洞穴或人工扰动共存区，岩崩与岩质边坡失稳是关键地质灾害；传统单一遥感或单一岩土手段难以同时刻画外部边坡形态、内部洞穴几何及不连续面配置，几何盲区与参数化不确定性制约定量稳定性评估。为此，研究人员以希腊伯罗奔尼撒Messinia大区Palaio Loutró附近Koufierou洞穴为 pilot case，该洞穴位于Pindos单元上白垩统薄-中厚层灰岩背斜枢纽带，岩层近垂直、强褶皱碎裂岩溶化，主室约50 m长、宽5.5–9 m、高7–17 m，且为含拜占庭壁画的文化纪念物，需内外协同评估。论文发表于《Geosciences》，核心目标是建立可复现的多尺度空间数据融合框架，将RTK-UAV摄影测量、GNSS拒止环境下SLAM LiDAR、野外不连续面量测、直剪试验、RMR/GSI分级与RS2平面应变有限元等效连续体分析串联为单一工作流。

关键技术方法上，研究人员以DJI Mavic 3 Enterprise RTK无人机按均值GSD 1.9 cm获取829张影像，经Drone2Map生成密集点云（DPC）、数字表面模型（DSM）与数字地形模型（DTM）；以GeoSLAM Horizon移动LiDAR（初始1.70亿点，处理后1.27亿点）扫描洞穴内部，借5个GNSS控制点在FARO Connect中把SLAM局部坐标配准至UAV框架，于洞口重叠区检核几何连续性；野外分3个构造扇区用地质罗盘测97组不连续面产状，按ISRM记间距/持续性/充填等，在CloudCompare中裁剪点云子集，用Discontinuity Set Extractor（DSE）半自动提取优势节理组并与Dips结果交叉验证；取石灰岩试样直径54 mm做ASTM D5607直剪试验（人工锯切面与天然粗糙面各3组，法向应力0.655–2.620 MPa）；以RMR_bas与GSI≈RMR_bas?5推Hoek–Brown参数（m_i=10，D=0），在RS2 v11.027中以平面应变等效连续体+HoeK–Brown准则+强度折减（SRF）算4种情景。

研究结果部分，3.1节直剪试验表明人工锯切面摩擦角φ聚于42.4–43.5°、视黏聚力c=131–153 kPa，天然粗糙面φ=42.8–48.2°、c=196–262 kPa，后者因起伏度与咬合额外增益，人工面作Scenario D弱化边界下限参考。3.2节不连续面分析中，DSE与野外Dips主导陡倾组倾向差?9°~+10°、倾角差Sector2达+20°、Sector3达+15°，低倾角组靠野外保留，最终用混合集作运动学解释与数值参数化基础而非逐面匹配。3.3节岩体质量显示三扇区RMR_bas对应GSI 63–68（中等碎裂灰岩），由间距与持续性控差异，地下水影响可忽略，转Hoek–Brown得m_b、s、α等等效参数。3.4节弹塑性有限元取Section 2–2（最大洞口剖面）离散三角元，重力+水平侧压，SRF法得：Scenario A静力基准SRF=2.40；Scenario B换低变形模量8 GPa及另一组HB参数SRF=1.96；Scenario C伪静力地震k_h=0.15（希腊Zone II参考0.24g半数略增）SRF=2.12；Scenario D洞周设弱化环（取人工面下限c、φ）SRF=1.36且塑性带集中于洞缘，为固定几何下最不利。讨论部分指出，UAV+DSE可补露头陡倾组但不可替代野外低倾角记录；内部LiDAR仅供几何不支持内不连续面族推断；RS2等效连续体不显式模拟楔体/块体沿节理滑落；四情景非全参数敏感分析而属情景比对，弱化洞周带在固定剖面下显著削稳定裕度但不证明内因总优于外因。结论部分翻译如下：本研究开发并应用了集成UAV–LiDAR方法以定量评估天然洞穴岩体稳定性，工作流涵盖UAV摄影测量、SLAM LiDAR、野外不连续面制图、室内试验、岩体分级与有限元分析；内外几何一致融合降低了简化假设不确定性；DSE与野外互补，后者保低倾角关键面；RMR–GSI给等效力学参数使模拟反映岩体而非完整岩石行为；固定剖面下洞周弱化带令SRF最低（1.36），伪静力地震次之；平面应变等效连续体不显式复现三维楔体释放与块体剥落；该框架为含天然洞穴碳酸盐岩体提供可迁移的稳定性评估范式。