风化是影响岩石工程性质的重要因素之一, 准确划分岩石风化程度是为工程设计提供安全设计参数的重要内容^{[1, 2, 3, 4, 5]}。划分岩石风化程度并研究岩石的工程特性, 是选择大型水电工程、高层建筑、道路桥梁等工程建基面及确定地基基础设计施工方案的关键, 对评价围岩的稳定性具有重要意义^{[6, 7]}。目前, 因岩石风化导致矿物组成、结构构造变化造成的地质及工程灾害越来越多^{[8, 9, 10, 11, 12, 13]}, 建筑基础及边坡的稳定均与岩石风化程度有关^{[14, 15]}。

目前, 岩石风化研究方法主要有野外调查、物探、钻探^{[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}、岩石光谱特征研究^{[28, 29, 30, 31]}及遥感影像目视判读^[32]等。然而, 利用野外调查及物探、钻探等地面方法划分岩石风化程度, 虽然准确度较高, 但需投入巨大的人力、物力及财力, 工作效率较低, 难以满足在海量数据背景下快速对岩石风化程度划分的需求, 尤其在地质条件复杂区域, 很难利用该方法研究岩石的风化程度。利用岩石光谱特征研究风化程度存在的主要问题是, 植被覆盖度较大而岩石露头少的地区, 难以准确反映岩石的光谱特征; 对于同物异谱、同谱异物划分岩石风化程度, 其精度明显下降, 甚至出现错误; 利用光谱特征可研究部分岩石是否风化, 但划分岩石风化程度较困难。利用遥感目视判读岩石风化程度, 时间消耗较多, 且此方法主要根据影像特征解译岩石风化, 也难以划分岩石风化程度。

针对现有岩石风化程度划分方法存在的问题, 本文以花岗岩为研究对象, 通过分析岩石风化程度与坡度的耦合关系, 提出了基于坡度特征的花岗岩风化程度划分方法。该方法不仅弥补了野外调查及物探、钻探等地面方法工作效率低的问题, 且不受地形及植被覆盖等限制, 与遥感影像目视判读岩石风化方法相比, 其划分精度也较高。

花岗岩岩石风化程度参照《工程岩体分级标准》(GB/T 50218— 2014), 分为未风化、微风化、弱风化、强风化和全风化5级。

2.1 花岗岩地质单元

利用卫星遥感数据, 通过人机交互式解译方法, 解译研究区花岗岩地质单元, 绘制地质界线。解译成果如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 研究区花岗岩岩性分布Fig.2 Lithology distribution of granites in the study area

2.2 坡度分级

岩石经冻融、风蚀、日晒等作用后, 由于受重力、冲刷等外动力搬运作用, 形成稳定的地貌, 一般坡度平缓地区比坡度陡峭地区岩石风化程度高。利用10 m分辨率的DEM数据在ArcGIS平台进行填洼处理, 提取坡度信息, 结合《GB/T 15772— 2008水土保持综合治理规划通则》将坡度划分为[0° , 5° )、[5° , 15° )、[15° , 25° )、[25° , 35° )和[35° , 90° ]5个等级。研究区花岗岩坡度分级如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 花岗岩区坡度分级Fig.3 Slope grade of granites in the study area

2.3 坡度与花岗岩风化程度关系

野外极少见未风化的花岗岩。已知研究区花岗岩风化程度如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 研究区花岗岩风化程度Fig.4 Weathering degree of granites in the study area

统计研究区356个花岗岩单元内各级坡度面积占本单元总面积的百分比, 绘制各级风化程度坡度分级曲线。在各级风化程度坡度分级特征曲线中, 随机选取10条曲线展示(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 花岗岩各级风化程度坡度分级特征曲线Fig.5 Characteristic curves of slope grade for different granite weathering degrees

一般情况下, 岩石粒径越大、含抗风化矿物越少、地质年代越老, 岩石越易风化, 但是通过卫星遥感技术手段很难获取岩石粒径、矿物含量、地质年代等信息。由图5可知, 虽然花岗岩粒径、矿物含量、地质年代等不同, 但风化程度相同的坡度分级特征曲线基本一致, 且不同风化程度下, 坡度分级特征曲线的差异较大。因此, 利用卫星遥感信息解译花岗岩地质界限, 再利用地质单元内各级坡度面积百分比, 可划分花岗岩风化程度。目前, 利用卫星遥感解译花岗岩并提取坡度信息技术已比较成熟, 其解译及提取精度也较高。在解译出地质单元体的基础上分析其各级坡度面积百分比, 进而划分岩石风化程度的方法具有可操作性。

计算上述各级坡度面积百分比平均值(表1), 根据表1绘制花岗岩风化程度坡度分级特征曲线(图6)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 研究区岩石风化程度坡度分级面积百分比均值 Tab.1 Area percentage of slope grade for different rock weathering degrees in the study area 坡度 风化程度坡度分级面积占比/% 微风化 弱风化 强风化 全风化 [0° , 5° ) 9.52 14.32 19.71 25.59 [5° , 15° ) 13.96 17.45 29.71 60.58 [15° , 25° ) 29.25 33.78 33.34 11.50 [25° , 35° ) 33.22 26.67 13.84 1.50 [35° , 90° ] 14.05 7.78 3.40 0.83

表1 研究区岩石风化程度坡度分级面积百分比均值 Tab.1 Area percentage of slope grade for different rock weathering degrees in the study area

图6

Fig.6

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	图6 坡度分级特征曲线Fig.6 Characteristic curves of slope grade

图中f_i={a_i, b_i, c_i, d_i, e_i}为第i类风化程度中各级坡度面积百分比, 其中a、b、c、d、e分别为[0° , 5° )、[5° , 15° )、[15° , 25° )、[25° , 35° )、[35° , 90° ]坡度面积百分比, 角标1、2、3、4分别代表全风化、强风化、弱风化、微风化。

由图6可知, 不同风化程度的坡度特征曲线各不相同。全风化坡度面积百分比特征为b₁> c₁, 且a₁> c₁, 其他风化坡度面积百分比无此特征; 强风化坡度面积百分比特征为b₂> d₂, 且a₂< c₂, 其他风化坡度面积百分比无此特征; 弱风化坡度面积百分比特征为c₃> d₃, 且b₃< d₃, 其他风化坡度面积百分比无此特征; 微风化坡度面积百分比特征为c₄< d₄, 其他风化坡度面积百分比无此特征。

综上, 得到花岗岩风化程度遥感快速划分方法。

设某一地质单元内, [0° , 5° )、[5° , 15° )、[15° , 25° )、[25° , 35° )、[35° , 90° ]坡度面积百分比分别为a_x, b_x, c_x, d_x, e_x。

若满足b_x > c_x, 且a_x> c_x, 则推断该地质单元风化程度为全风化;

若满足b_x > d_x, 且a_x< c_x, 则推断该地质单元风化程度为强风化;

若满足c_x> d_x, 且b_x < d_x, 则推断该地质单元风化程度为弱风化;

若满足c_x< d_x, 则推断该地质单元风化程度为微风化。

选取鸭绿江部分地区为推广试用区, 地理位置如图7所示。该区花岗岩岩性分布及坡度分级情况分别如图8、图9所示。

图7

Fig.7

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	图7 推广试用区地理位置示意Fig.7 Location of test region

图8

Fig.8

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	图8 试用区花岗岩岩性分布Fig.8 Lithology distribution of granites in the test region

图9

Fig.9

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	图9 试用区花岗岩坡度分级Fig.9 Slope grade of granites in the test region

利用花岗岩风化程度遥感快速划分方法划分推广试用区的花岗岩风化程度如图10所示。在试用区各类花岗岩风化程度中分别随机选取60个点进行野外验证, 验证点分布情况如图11, 部分野外验证点照片如图12。利用花岗岩风化程度遥感快速划分方法划分岩石风化程度的精度如表2。

图10

Fig.10

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	图10 试用区花岗岩风化程度Fig.10 Weathering degree of granites in the test region

图11

Fig.11

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	图11 野外验证点分布Fig.11 Distribution of field verification points in the test region

图12

Fig.12

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	图12 野外验证点Fig.12 Photos of the field verification points

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 基于坡度特征的花岗岩风化程度划分方法精度评价 Tab.2 Accuracy evaluation of the method for the classification of granite weathering degree based on slope characteristics 风化程度 总个数 划分正确点数 精度/% 总体精度/% 全风化 60 49 81.67 强风化 60 45 75.00 弱风化 60 41 68.33 74.17 微风化 60 43 71.67

表2 基于坡度特征的花岗岩风化程度划分方法精度评价 Tab.2 Accuracy evaluation of the method for the classification of granite weathering degree based on slope characteristics

由表2可知, 花岗岩全风化的划分精度最高, 弱风化的划分精度最低, 总体精度为74.17%。导致总体精度偏低的主要原因有以下2方面。

(1)在圈定地质界限和提取坡度过程中, 存在一定的人为误差和系统误差, 是导致花岗岩风化程度划分精度偏低的主要原因。

(2)同一地质单元体被地表水系或第四系分割成2个或多个地质单元, 利用该方法在被分割后的2个或多个单元体内进行计算, 导致错分现象。

利用卫星遥感技术圈定地质界限, 统计地质单元体内各级坡度的面积百分比, 绘制坡度分级特征曲线, 得到坡度分级与花岗岩风化程度之间的关系, 提出了花岗岩风化程度遥感快速划分方法。经推广试用和野外验证, 全风化花岗岩的划分精度较高, 准确率达81.67%, 弱风化花岗岩的划分精度较低, 准确率为68.33%, 总体精度为74.17%, 基本达到预期效果。目前该方法处于试用阶段, 一些技术难题尚未解决, 其技术方法和精度有待进一步提高。