多節理石灰巖質高陡邊坡崩塌落石分析

馬 俊，郭曉麗，田 野，楊宇，

（1.山西晉焦高速公司，山西 晉城 048000；2.山西省交通科技研發有限公司 巖土與地下工程重點實驗室，山西 太原 030032）

0 引言

高陡巖質邊坡崩塌落石是一種分布廣泛且影響嚴重的地質災害，主要通過現場調查方法進行評價與預測，但是在很多山區，受地形地貌影響，難以進行直接測量，增大了落石災害評價的難度。

隨著技術的不斷發展與完善，各類非接觸測量技術被廣泛應用于地理信息識別中，三維激光掃描儀、無人機、衛星遙感、Lidar、InSAR、熱成像等，通過這些手段，可以準確且快速地獲取地面信息，大大降低人為測量的成本和危險。以上測量手段獲取的地理信息多以數字數據表達，最常見的是點云數據，點云數據是諸多地物點的集合，根據測量精度不同，點云的密度也有所差別。點云數據中，每個點包含X、Y、Z絕對坐標，可以確定空間位置。此外還含有其他關鍵信息，例如地物顏色、地理坐標等。根據點云數據，可以在室內實現對測量地區地形地貌的重構，并建立高程圖、地形圖、地貌圖等，構建三維地質模型，為后續數值計算提供基礎。

激光掃描結果有很多種后期處理方法，學者們基于激光掃描進行了深入研究與探討。Fanti[1]利用地面激光掃描技術提取了巖體結構面幾何結構，將落石類型分為彎曲傾倒和楔塊破壞。Ravanel[2]利用陸地激光掃描識別了地貌，通過長期掃描，可以為環境變化提供基礎數據。Marsella[3]采用地面激光掃描重建了邊坡的幾何結構,描述巖石不連續面的分布和方向，有助于落石危險和風險評估。Van Veen[4]以激光掃描為手段，對落石信息進行了檢測與識別，構建了邊坡變形頻率與震級的關系。Fanos[5]利用激光雷達獲取了高精度數字地形模型，從落石源、誘發因素、運動形式等方面進行了全面分析，并對落石進行了風險評估與預測。Obanawa[6]利用無人機運動和地面激光掃描測量對復雜地貌進行測量，構建了多期三維點云，定量評價了巖體體積變化特征。Vanneschi[7]利用地面激光掃描獲得邊坡表面幾何結構的詳細三維幾何信息，進一步利用三維概念數值模擬，對摩擦角、不連續剪切和法向剛度、不連續間距和方向等關鍵參數進行了一系列敏感性分析。Dong[8]利用地面激光掃描方法，描述了從原始點云數據重建塊狀巖體三維表示的處理方法。塊體離散元是一種以非連續性介質力學為基礎的數值模擬方法，適用于塊裂介質和板裂介質的穩定性分析，尤其適用于崩塌落石的計算。

本文利用三維激光掃描技術，對太行山南麓的高速公路高陡邊坡進行了調查與測量，選取了其中一個典型邊坡進行穩定性分析，通過建立三維地質數字模型，提出了一套適用于高陡巖質邊坡危巖落石的穩定性評價方法。從崩塌落石誘發機制和運動機理出發，將巖質崩塌分為三大類：摩擦-滑動型、鎖固-斷裂型和碎裂型。研究結果可以為其他地區崩塌落石研究提供參考，為崩塌地質災害防治提供理論基礎。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

研究區域位于山西省太行山南麓，上覆第四系全新統洪積塊石（Q4），下部以奧陶系中下統馬家溝組灰巖（O2）為主，基巖產狀154°～161°∠19°～23°，受太行山構造作用影響，巖體節理裂隙發育，節理面無填充物，平均間距約2～4 cm，巖體內部有小型溶洞分布。邊坡長度約90 m，高度69 m，整體傾向6°，坡面平均傾角52°，其分布區域及工程地質剖面如圖1所示。

圖1 研究地點（單位：m）

巖塊夾雜有很多細小石英礦脈，硬度較高，錘擊有清脆響聲，難溶解于水，平均密度為2.42 g/cm3。干燥巖塊平均縱波波速為5 500 m/s，干燥巖塊單軸抗壓強度為50 MPa，飽和單軸抗壓強度為47 MPa，表面回彈值最高8.9 MPa，最低5.1 MPa，主要礦物成分見表1。

表1 礦物成分

1.2 儀器設備

三維激光掃描技術是一種新興的非接觸式空間信息獲取技術，可以對目標實現快速、精確、無接觸測量的作用，該次測試采用的是德國Z+F 5010型三維激光掃描儀，可實現水平360°垂直320°全方位點云數據掃描與捕捉，最高精度可達到0.3 mm，最遠測距187.3 m，可自動檢查數據質量，檢查標志質量，查找補測盲區，數據實時拼接。

圖2 Z+F 5010三維激光掃描儀

2 三維激光結果

三維激光掃描儀掃描結果如圖3所示，圖中可以清晰地分辨出坡體形狀，由于表層覆蓋有植物，需要進行進一步處理。

圖3 三維掃描全景

首先對點云進行去噪處理（圖4a），去除道路、車輛、植物等干擾因素，再剔除邊坡邊緣的體外孤立點，獲得了較為清晰準確的點云集合。在此基礎上，將點云通過算法連接，形成面，并通過手動填充孔洞，刪除凸出部分，調整坡形，使其與實際坡形相同（圖4b）。隨后利用平面工具，對邊坡表面的若干結構面進行標注，得到平面并編號（圖4c），通過調取平面信息，可獲取平面的法向向量，進而換算得到結構面的產狀。

圖4 三維地質結構面建立

以處理后的點云數據為基礎，生成等高線，通過插值法進行填充，構建邊坡三維地質模型（圖5），實現模型可視化重構。可以從圖中看到明顯的3級臺階，以及白云巖和石灰巖的界面。

圖5 三維地質模型建立

3 工程巖體穩定性分析

3.1 赤平極射投影分析

依據三維激光點云數據計算得到了12組具有代表性的巖體結構面產狀，列于表2。

表2 巖體主要結構面產狀

依據節理特征，繪制出坡面與兩組節理面的赤平極射投影圖。兩組節理面的投影交點處于邊坡面外側，邊坡整體處于穩定狀態，發生楔形體破壞的可能性較小，但是根據現場觀測，巖體表層遭受強烈風化作用，巖體破碎，容易發生小塊體崩塌。

圖6 赤平投影圖

3.2 落石能量分布特征

根據三維激光掃描點云數據得到的地形結果，可得到邊坡剖面圖，按照工程地質情況，邊坡分為3種材料類型，頂部為碎石土，中下部為堅硬石灰巖，坡腳為瀝青路面。綜上可知，危巖體以小塊居多，因此在進行能量計算時，按照平均重量10 kg為準，坡體轉折部位定位初始點，初始水平速度和豎直速度均為0 m/s，在重力作用下發生運動。

落石整體上發生了3次運動形式的變化，邊坡下部發生一次，路面上發生兩次，其中在路面上第一次以彈跳為主，彈跳高度較高，跳躍后能量急劇降低，使得路面上的第二次運動形式轉為滾動。以邊坡不同位置為基礎，分為7個關鍵點，進行落石能量分析。整體呈現正態變化，從A到D點，能量逐漸增大，渡過D點后，能量發生大幅度衰減，在經過E-F段時，能量發生二次衰減，最終散落到G點，能量消耗殆盡。

由此可知，邊坡下部D點位置承受最大落石能量，而落石集中掉落于坡腳的E-F段內，在路面發生跳躍，極易對邊坡下部和坡腳造成破壞。

圖7 落石運動軌跡及能量分布

4 危巖落石巖體風險分級

基于劉洪亮等[9]提出的可拓學理論，依據三維激光掃描獲取的信息，進行落石風險評價方法，結合工程巖體質量分級標準，充分考慮多種影響因素的相互作用，對危巖落石風險評價方法進行了改進和完善。

根據研究發現，影響危巖落石的主要因素可分為三大類：落石運動特征、工程地質條件以及自然環境條件，其中具體影響分類列于表3。其中按照對工程影響程度大小分為5級：極低風險、低風險、中等風險、高風險以及極高風險，每級對應的評分等級為1、2、3、4、5分。將落石運動特征細分為7種次級影響因素，基于落石運動學特征、落石能量以及落石影響范圍對影響程度進行分級。工程地質條件分為8類，依據工程巖體質量進行分級。自然環境條件分為6類。

表3 危巖落石影響因素

由于篇幅限制，計算原理及過程在此暫不列出，可參見劉洪亮等人的計算方法。本文研究的邊坡具體參數列于表4。最終計算得到的變量特征值為4.16，危巖巖體整體質量為Ⅳ級，屬于高風險巖體。

表4 太行山南麓某高陡巖質邊坡指標參數

對于單個邊坡，不同位置的巖體風化程度有所差異，落石運動特征也不相同，在進行落石防護時，若選取保守防護措施，會導致工程造價過高。因此細化斜坡巖體風險分級，可以為防護措施提供依據，便于針對性防護，可以有效節省成本，達到最優支護效果。將上述計算方法嵌入程序，基于CAD進行二次開發，針對單體邊坡不同位置的落石特征、巖性差異、風化程度進一步分級。

圖8 邊坡巖體分級

依據本節研究結果，可以構建高陡巖質邊坡崩塌落石的力學模型。針對多節理硬質巖體，根據節理發育程度和接觸類型不同，建立了3種變形破壞模式：摩擦-滑動型、鎖固-斷裂型、碎裂型。具體特征列于表5。

表5 崩塌力學模式

5 結語

對太行山南麓灰巖質高陡邊坡進行調查，以其中具有代表性的邊坡為對象，通過三維激光掃描，構建了邊坡三維地質模型，并以此為基礎，利用塊體離散元進行了穩定性分析，同時建立了落石能量與運動路徑的關系，依據巖體受力特征和節理發育情況對高陡巖質邊坡崩塌模式進行了分類。得到了以下認識：

a）三維激光掃描是一種有效可靠的非接觸測量方法，可以準確地識別地物信息，并進行一系列后續處理與分析，可極大縮減勞動量，提高工作效率。

b）高陡邊坡崩塌主要受到層理和節理控制，層理、節理與坡形三者的空間關系共同決定了邊坡的穩定性。

c）節理發育的碳酸鹽巖邊坡在發生崩塌落石后，還需注意其引起的次生災害，重點探測坡體內部的溶洞。

d）落石運動路徑受坡形影響較大，落石能量與運動路徑呈正態分布的關系，當落石運動至邊坡中下部時，能量達到最大，在經歷一系列彈跳、滾動等行為后，能量迅速衰減，大量落石集中在坡腳，形成塊石堆積體。

e）按照巖體結構面發育特征和受力特征，建立了3種高陡巖質邊坡崩塌力學模式：摩擦-滑動型、鎖固-斷裂型以及碎裂型，不同模式具有不同的運動形式和破壞程度。