基于正射影像的危巖體特征獲取、穩定性計算和運動學模擬

康塵云

（陜西鐵道工程勘察有限公司，西安 710043）

1 引言

萬州區位于渝東北三峽庫區腹地，因其獨特的砂巖、泥巖互層的地質結構，以及歷史上長江支流的下切，形成了大量的深切溝谷，陡崖眾多，危巖極為發育。危巖的調查與防治成了萬州區交通建設難以繞避的難題。擬建恩施至廣元國家高速公路萬州至開江段雞行壩大橋從七星谷危巖帶下方穿越，危巖崩塌時有發生，如不治理，必將嚴重威脅橋梁的安全。

危巖崩塌具有突發性、難預測性、隨機發生等特點，對其進行精準防治的難度極大，研究熱點也集中在危巖的穩定性評價和運動軌跡重現上。廖斌等[1]利用無人機傾斜攝影獲取了危巖體的三維模型，提取巖體結構面特征，采用赤平投影和定量計算的方法評價其穩定性；周月智等[2]利用非連續變形分析方法（DDA）對地震荷載下危巖的崩塌進行模擬，發現了坡角、軟弱結構面貫通時間、峰值速度、彈跳高度等之間的變化關系；王翔等[3]在拉林鐵路落石試驗中發現，運動方式主要與坡面傾角相關，受坡面摩擦，滾石速度呈非線性減小，速度響應曲線呈余弦型。本文通過地質調查、鉆孔取芯、航測解譯結合穩定性計算理論和運動學模擬，分析危巖體的危害性和影響范圍，并給出針對性的處理措施，以確保雞行壩大橋在建設和運營期間的安全。

2 工程概況和地質背景

雞行壩大橋長550 m，由南向北穿越危巖帶，危巖帶走向為NE15°，長度約335 m，分布高程范圍為238～335 m，高差約97 m，威脅大橋15#～26#墩臺，危巖帶和大橋在15#橋墩處相交，隨后距離逐漸變遠。危巖帶可分為3個區域，分別為：①落石高發區，巖腔明顯，有落石堆積，節理裂隙張開，巖體極為破碎；②潛在發育區，巖腔規模較小，節理裂隙閉合或微張，巖體較破碎；③低風險區，與橋梁設計標高差距小，但在施工前會進行清除，因此影響較小。各段平面分布見圖1，危巖及巖腔實景如圖2所示。

圖1 危巖平面分布圖

圖2 落石高發區危巖及巖腔

3 危巖帶宏觀穩定性

危巖帶宏觀穩定性的判定從結構面的組合形式出發，判定所在斜坡的整體穩定性，采用極射赤平投影法[4]。研究區巖層產狀為151°∠30°，主要發育兩組節理，為垂直邊坡走向和沿邊坡走向的組合，節理面平直，貫通性較好，泥質碎屑充填，節理L1：259°∠64°，節理L2：334°∠68°，斜坡傾向238°，坡度約71°。

對該斜坡做赤平投影分析（見圖3）可知：巖層與邊坡大角度相交，交角87°，為切向坡，不易發生層面滑動；節理L1與邊坡同向，傾向坡外，傾角小于坡角，為不利結構面，易發生傾倒破壞；節理L2與邊坡大角度相交，對穩定性影響較小；各組合交棱線與邊坡斜交，切割巖體，易發生楔形體掉塊。

圖3 斜坡赤平投影分析圖

4 危巖體穩定性計算

采用基于剛體極限平衡原理的危巖評價方法，經分析，危巖下方巖腔明顯，無明顯軟弱基座，因此，判定其破壞模式為墜落式，采用DB 50/T 143—2018《重慶地質災害防治工程勘查規范》第13.3.15條d）款推薦的計算方法。

危巖體的物理力學參數通過在邊坡后緣的鉆孔取芯，經室內試驗得到：

砂巖（天然狀態），重度γ=24.6 k N/m3，黏聚力c=737 kPa，內摩擦角φ=32.9°，抗拉強度flk=280 kPa；

砂巖（飽和狀態），重度γ′=24.9 kN/m3，黏聚力c′=643 kPa，內摩擦角φ′=31.6°，抗拉強度flk′=220 kPa。

危巖位于陡崖頂部，人員無法到達，利用無人機搭載具有高精度測繪功能的RTK，獲取了危巖帶的正射影像，通過Pixmapper 4D軟件制作三維模型[5]，獲取危巖和巖腔的幾何參數，供計算使用，見圖4。

圖4 研究區正射影像三維模型

分別在3個段落內選取典型剖面，計算天然、暴雨兩種工況下的穩定性，見表1。計算結果顯示：①區在天然狀態下處于欠穩定狀態，在暴雨工況下處于不穩定狀態，急需治理；②區在暴雨工況下屬于基本穩定狀態，建議防護；③區在暴雨狀態下屬于欠穩定狀態，但由于該處將被清除，故對擬建工程影響不大。

表1 危巖穩定性計算結果

5 落石運動學模擬

對在暴雨工況下屬于不穩定狀態的危巖進行運動學模擬，可以推測出落石的運動軌跡、彈跳高度和沖擊動能，對防護措施的選型、設計給出合理的建議。運動學模擬采用Rocfall動態模擬軟件，基于硬接觸的剛體拉格朗日力學模型，考慮地面/巖石之間的摩擦耗散作用，還原度較高。

模擬需要的坡面法向恢復系數Rn、坡面切向恢復系數Rt，摩擦系數φ、地表粗糙度等，根據規范和相關文獻取值，如下：

1）上部基巖裸露區：Rn=0.4（St=0.03），Rt=0.86（St=0.04），φ=25.1（St=0.03），粗糙度取2.42。

2）下部堆積區：R′n=0.3（St=0.03），R′t=0.84（St=0.02），φ′=31（St=0.02），粗糙度取3.00。St指離散系數。

因為該軟件原理上遵循隨機過程，故模擬次數選擇50次，以此進行概率統計，也符合落石運動的隨機性。設置落石質量為2 000 kg，初始水平速度和垂直速度均為0，做自由落體運動，見圖5a。

圖5 落石高發區運動學模擬

通過數值模擬的結果發現：

1）落石終止點均位于橋梁右側，距崩塌發生點約100 m以上，見圖5a，穿過橋墩范圍，因此，必將對橋梁形成沖撞，在橋梁處的運動形式以滾動為主，發生彈跳的可能性較小。

2）彈跳高度與坡面傾角的變化相關性較大，大幅度的彈跳往往發生在坡面轉折處，本次模擬中最大彈跳高度約18 m，而在坡面連續性較好的段落，彈跳高度不超過2 m。

3）沖擊動能隨著速度增加快速增大，但在接觸坡面之后，因摩擦耗散作用，增速減小，在落入溝谷之后，小幅波動，橋墩處最大沖擊動能達2 200 kJ；擬建線路右側，即最先接受沖擊部位的沖擊動能集中在623～1 145 kJ，見圖5b和圖5c。

建議以鋼筋混凝土填補巖腔，加強對上部危巖體的支撐，從本質上杜絕危巖體的墜落，同時，危巖的發育是一個動態的過程，為了避免后續可能發生的落石，建議在橋梁右側一定距離設置柔性防護網，阻擋落石沖擊橋梁，造成險情。

6 結論

1）據巖體的完整程度和巖腔的規模，將七星谷危巖帶分為①落石高發區、②潛在發育區和③低風險區。

2）斜坡存在外傾不利結構面（節理L1：259°∠64°），同時受到層面、卸荷裂隙等的共同作用，易發生危巖傾倒和楔形體掉塊；

3）落石高發區在天然工況下處于欠穩定狀態，在暴雨等不利工況下屬于不穩定狀態，嚴重威脅橋梁安全；

4）運動學模擬揭示落石將會對橋梁形成沖擊，彈跳高度約為2 m，沖擊動能約623～1 145 kJ，建議上部填補巖腔、下部設立被動防護網以保證工程安全建設、運營。