基于正射影像的危巖體特征獲取、穩(wěn)定性計(jì)算和運(yùn)動(dòng)學(xué)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(qū)位于渝東北三峽庫區(qū)腹地，因其獨(dú)特的砂巖、泥巖互層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，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(fā)育。危巖的調(diào)查與防治成了萬州區(qū)交通建設(shè)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(shí)有發(fā)生，如不治理，必將嚴(yán)重威脅橋梁的安全。

危巖崩塌具有突發(fā)性、難預(yù)測(cè)性、隨機(jī)發(fā)生等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)防治的難度極大，研究熱點(diǎn)也集中在危巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和運(yùn)動(dòng)軌跡重現(xiàn)上。廖斌等[1]利用無人機(jī)傾斜攝影獲取了危巖體的三維模型，提取巖體結(jié)構(gòu)面特征，采用赤平投影和定量計(jì)算的方法評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性；周月智等[2]利用非連續(xù)變形分析方法（DDA）對(duì)地震荷載下危巖的崩塌進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)了坡角、軟弱結(jié)構(gòu)面貫通時(shí)間、峰值速度、彈跳高度等之間的變化關(guān)系；王翔等[3]在拉林鐵路落石試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)方式主要與坡面傾角相關(guān)，受坡面摩擦，滾石速度呈非線性減小，速度響應(yīng)曲線呈余弦型。本文通過地質(zhì)調(diào)查、鉆孔取芯、航測(cè)解譯結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，分析危巖體的危害性和影響范圍，并給出針對(duì)性的處理措施，以確保雞行壩大橋在建設(shè)和運(yùn)營期間的安全。

2 工程概況和地質(zhì)背景

雞行壩大橋長550 m，由南向北穿越危巖帶，危巖帶走向?yàn)镹E15°，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(tái)，危巖帶和大橋在15#橋墩處相交，隨后距離逐漸變遠(yuǎn)。危巖帶可分為3個(gè)區(qū)域，分別為：①落石高發(fā)區(qū)，巖腔明顯，有落石堆積，節(jié)理裂隙張開，巖體極為破碎；②潛在發(fā)育區(qū)，巖腔規(guī)模較小，節(jié)理裂隙閉合或微張，巖體較破碎；③低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，與橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高差距小，但在施工前會(huì)進(jìn)行清除，因此影響較小。各段平面分布見圖1，危巖及巖腔實(shí)景如圖2所示。

圖1 危巖平面分布圖

圖2 落石高發(fā)區(qū)危巖及巖腔

3 危巖帶宏觀穩(wěn)定性

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

對(duì)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(fā)生層面滑動(dòng)；節(jié)理L1與邊坡同向，傾向坡外，傾角小于坡角，為不利結(jié)構(gòu)面，易發(fā)生傾倒破壞；節(jié)理L2與邊坡大角度相交，對(duì)穩(wěn)定性影響較小；各組合交棱線與邊坡斜交，切割巖體，易發(fā)生楔形體掉塊。

圖3 斜坡赤平投影分析圖

4 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算

采用基于剛體極限平衡原理的危巖評(píng)價(jià)方法，經(jīng)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(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》第13.3.15條d）款推薦的計(jì)算方法。

危巖體的物理力學(xué)參數(shù)通過在邊坡后緣的鉆孔取芯，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)得到：

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

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

危巖位于陡崖頂部，人員無法到達(dá)，利用無人機(jī)搭載具有高精度測(cè)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(shù)，供計(jì)算使用，見圖4。

圖4 研究區(qū)正射影像三維模型

分別在3個(gè)段落內(nèi)選取典型剖面，計(jì)算天然、暴雨兩種工況下的穩(wěn)定性，見表1。計(jì)算結(jié)果顯示：①區(qū)在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，急需治理；②區(qū)在暴雨工況下屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，建議防護(hù)；③區(qū)在暴雨?duì)顟B(tài)下屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但由于該處將被清除，故對(duì)擬建工程影響不大。

表1 危巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 落石運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬

對(duì)在暴雨工況下屬于不穩(wěn)定狀態(tài)的危巖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，可以推測(cè)出落石的運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度和沖擊動(dòng)能，對(duì)防護(hù)措施的選型、設(shè)計(jì)給出合理的建議。運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬采用Rocfall動(dòng)態(tài)模擬軟件，基于硬接觸的剛體拉格朗日力學(xué)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(fù)系數(shù)Rn、坡面切向恢復(fù)系數(shù)Rt，摩擦系數(shù)φ、地表粗糙度等，根據(jù)規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)取值，如下：

1）上部基巖裸露區(qū)：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(qū)：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(shù)。

因?yàn)樵撥浖砩献裱S機(jī)過程，故模擬次數(shù)選擇50次，以此進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，也符合落石運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性。設(shè)置落石質(zhì)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(yùn)動(dòng)，見圖5a。

圖5 落石高發(fā)區(qū)運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬

通過數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）落石終止點(diǎn)均位于橋梁右側(cè)，距崩塌發(fā)生點(diǎn)約100 m以上，見圖5a，穿過橋墩范圍，因此，必將對(duì)橋梁形成沖撞，在橋梁處的運(yùn)動(dòng)形式以滾動(dòng)為主，發(fā)生彈跳的可能性較小。

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

3）沖擊動(dòng)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(dòng)，橋墩處最大沖擊動(dòng)能達(dá)2 200 kJ；擬建線路右側(cè)，即最先接受沖擊部位的沖擊動(dòng)能集中在623～1 145 kJ，見圖5b和圖5c。

建議以鋼筋混凝土填補(bǔ)巖腔，加強(qiáng)對(duì)上部危巖體的支撐，從本質(zhì)上杜絕危巖體的墜落，同時(shí)，危巖的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，為了避免后續(xù)可能發(fā)生的落石，建議在橋梁右側(cè)一定距離設(shè)置柔性防護(hù)網(wǎng)，阻擋落石沖擊橋梁，造成險(xiǎn)情。

6 結(jié)論

1）據(jù)巖體的完整程度和巖腔的規(guī)模，將七星谷危巖帶分為①落石高發(fā)區(qū)、②潛在發(fā)育區(qū)和③低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

2）斜坡存在外傾不利結(jié)構(gòu)面（節(jié)理L1：259°∠64°），同時(shí)受到層面、卸荷裂隙等的共同作用，易發(fā)生危巖傾倒和楔形體掉塊；

3）落石高發(fā)區(qū)在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨等不利工況下屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重威脅橋梁安全；

4）運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬揭示落石將會(huì)對(duì)橋梁形成沖擊，彈跳高度約為2 m，沖擊動(dòng)能約623～1 145 kJ，建議上部填補(bǔ)巖腔、下部設(shè)立被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)以保證工程安全建設(shè)、運(yùn)營。