基于RocPro3D的大華橋水電站危巖體數值模擬研究

摘要：大華橋水電站右岸危巖體頻繁發生崩塌，對沿線的建設工程構成了嚴重威脅。為了保護工程區域，開展了巖崩災害綜合分析研究，包括野外調查、數值模擬和緩解策略。利用RocPro3D理論及方法，結合現場調查和無人機高精度航拍影像數據，對大華橋水電站的危巖體失穩問題進行了數值模擬研究。首先，采用RocPro3D構建三維地質模型，模擬分析危巖體失穩后的運動特征。根據評估落石特征，對不同高度的被動防護網P1進行模擬分析，通過攔截率確定被動防護網P1的最佳高度。其次，在固定P1的基礎上，增設被動防護網P2和P3，設置不同的高度進行模擬。最后，提出了一種優化防護策略，以降低防護系統的材料成本并提高防護效率，從而降低蘭坪至六庫公路及隧洞口面臨的落石威脅。研究結果具有很好的可視化特性，可為制定有針對性的治理措施提供參考，對防災減災工程具有重要的參考意義。

關鍵詞：RocPro3D;危巖體;數值模擬;被動防護網;災害防治

中圖分類號：P642.21文獻標識碼：A文章編號：2096-6792（2025）01-0152-09

危巖體失穩造成的災害日益增多，研究危巖體的運動和失穩過程，有助于提高預測和預警能力，制定有效的治理策略［1-2］。危巖體一旦失穩崩塌，將會向下運動，常引起不可預知的落石運動。分析落石的運動特征可為危巖體的有效治理提供依據。落石分析包括識別落石源區域、統計失效頻率（落石時間頻率）、模擬落石運動行為以及評估落石災害或風險。這些分析已被廣泛應用于減輕落石災害的決策過程。巖崩源的識別是巖崩分析的第一步，也是最重要的一步。與傳統的野外工作相比，最近開發的技術，如攝影測量和光探測與測距（激光雷達），使得識別落石源區域和從遠處提取高精度的數字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）成為可能［3］。為了描述落石軌跡，通常采用二維或三維落石模擬。二維落石模擬通常基于給定的截面來分析落石的運動，而三維落石模擬可以更真實地描述沒有橫向約束的落石軌跡［4］。由于地形、巖石形狀、運動學過程等因素會使力學參數的實際值大幅度變化，因此給定的落石運動軌跡趨于隨機性和概率性［5-6］。通過落石軌跡，可以計算出空間頻率、落石速度、落石高度、落石沖擊點和停止點等落石特征，這些特征是落石評估的關鍵因素［7-9］。

目前，二維落石模擬軟件中以Rocfall軟件為主，僅能選擇坡體某一方向的剖面（二維）作為崩塌的特定路徑，從而人為控制崩塌的運動方向。因此，選用三維模擬軟件，如RocPro3D、Rockyfor3D和CRSP等，其能夠在三維空間中模擬崩塌運動，結果更加符合實際情況。RocPro3D是一款專用于危巖崩塌的軌跡建模和防護工程設計的三維軟件，已經被廣泛應用于危巖體研究中。如何在RocPro3D中構建準確可靠的危巖體三維模型，成為研究的重點問題。隨著無人機技術的發展，高分辨率遙感影像數據在危巖體研究中得到了廣泛應用［10-11］。JIANG N等［7］、SARRO R等［12］、WANG Z F等［21］針對危巖體，結合無人機高精度航拍影像數據和RocPro3D模擬工具，研究了危巖體的運動軌跡和速度等運動特征。結果表明，結合高分辨率無人機影像數據和三維數值模擬技術，可以更加準確地預測危巖體的運動軌跡和速度，為危巖體治理提供可靠依據。

為了減小落石對公路和建筑物的威脅，應該在落石的優勢路徑上鋪設被動防護設施。這些設施包括堤防、溝渠、落石保護廊道、緩沖層和柔性防護系統［13］。在巖崩攔截中，這些設施的材料、結構設計和安裝位置均起著關鍵作用。盡管對防護措施的材料和結構設計兩個因素已有詳細研究，但對于防護系統的安裝位置討論較少［14-16］。在中國西南地區的一些大型工程中，如壩肩開挖或不穩定邊坡加固［17］，工程師常根據經驗或簡單的二維計算來確定防護系統的參數和安裝位置。然而，這種方法往往導致過度防護，增加了成本。因此，為了解決防護系統安全可靠且最小化成本的實際問題，本文針對大華橋水電站右岸危巖體，利用高分辨率無人機影像數據和三維數值模擬技術，模擬得出其失穩后的運動特征;然后，根據模擬結果，提出使用被動防護網的巖崩緩解措施，并進行多次巖崩模擬，以證明這些緩解措施的合理性;最后，根據這些措施的防護效率和相應的防護成本，提出防護系統的優化策略。

1研究區概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪白族普米族自治縣兔峨鄉境內的瀾滄江干流上，如圖1所示，它是瀾滄江上游河段規劃推薦開發方案的第六級電站，上、下游梯級分別為黃登和苗尾水電站。大華橋水電站為堤壩式開發，壩址處右岸有蘭坪至六庫公路通過，昆明至蘭坪有省級公路連通。壩址距昆明市公路里程約588 km，距蘭坪白族普米族自治縣城77 km，對外交通較便利。大華橋水電站工程壩址區兩岸山勢雄偉，左岸山頂高程可延伸到2 450 m，右岸山頂高程為2 150 m，地形無大型沖溝發育。壩址處河谷兩岸對稱性尚好：1 540 m高程以下，左岸一般為坡度50°～75°的基巖陡坡;1 540 m高程以上為10°～30°的緩坡;右岸為40°～50°的單面山坡，坡高可達400 m。總體來看，下壩址河谷兩岸邊坡高陡，河谷呈“V”字形，兩岸微地貌完整性較差，正常蓄水位1 477 m，谷寬約200 m。

瀾滄江流域總體屬于西部型季風氣候，其顯著特點是干、濕兩季分明。一般6—10月為雨季，11月—翌年5月為干季。流域內降水年內分配極不均勻，主要集中在汛期的6—10月，約占全年的85%，其中又以6—8月為最多，約占全年的60%，降水的分布自北向南隨流域高程增加而遞增。暴雨的中心主要集中在中、下游，以局部暴雨為主。大華橋壩址地處中游區中段（圖1），多年平均降水量為973.5 mm。

壩址出露基巖巖性主要有：白堊系景星組下段（K1j1）灰白色、灰綠中～粗粒石英砂巖與紫紅色絹云母板巖不等厚互層;侏羅系（J）上統壩注路組（J3b）含鐵絹云母板巖、粉砂巖。其中侏羅系（J）上統主要分布在區域性斷裂F26-1的西側，多以紫紅色為主，巖體完整性差，呈薄層狀，板理面發育，間距一般小于10.0 cm。白堊系為下壩址主要地層，厚度大于502.0 m，其中石英砂巖為中厚層～厚層狀結構，強度高，所占比例約40%;板巖具板狀構造，互層～中薄層結構，抗壓強度較低，占比約60%。兩岸緩坡處均有第四紀覆蓋，為崩坡積碎石土，厚度2.0～15.0 m。河床沖積砂卵礫石層厚度一般15.0 m，局部達27.5 m，局部有中粗砂層分布，最大厚度2.9 m，分布不連續，呈透鏡狀。河床未發現有基巖深槽分布。

大量調查結果表明，天然斜坡和人工邊坡是形成危巖體的重要條件之一。斜坡越陡，危巖體形成的可能性就越高。據統計，大多數危巖體形成在坡度大于45°的陡峻邊坡上，而反坡上的懸崖更容易出現危巖體［18］。降雨對危巖體的影響非常顯著，危巖體的劇烈變形通常發生在雨季大雨之后。根據對西南地區地質災害的調查，超過70%的危巖體崩塌發生在雨季。巖性在巖質邊坡形成危巖體方面起著明顯的控制作用。危巖體多發育在塊狀、厚層狀的堅硬巖石和相對較堅硬的脆性巖體上。一般來說，只有較堅硬的巖石才能形成高陡的邊坡地形，而弱構造節理或卸荷裂隙的存在則增加了危巖體崩塌的風險［18］。

2危巖體基本特征

2.1危巖體結構信息對危巖體進行工程地質調查，需進行地面調查、無人機攝影測量和結構面信息提取與分析3個方面的工作。地面調查獲取危巖體巖性和控制性結構面性質等信息［10］。應用無人機傾斜攝影技術測量得到含拍攝點地理坐標的高清照片，然后利用專業軟件完成高精度三維模型建立［11］。建立三維模型獲取研究區的高精度三維數字地形信息以及巖體結構面產狀和展布等。無人機使用大疆M300，其相關技術參數見表1，表中：1.0 ppm表示無人機每飛行1.0 km誤差增加1.0 mm；fps表示畫面每秒傳輸幀數。

構建研究區的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），需要先獲取高清影像數據并進行校準，然后進行影像數據拼接，最后構建研究區的DEM。通過DEM數據獲取危巖體的幾何尺寸，進而求得危巖體的平面面積和體積。利用無人機影像和DEM數據，提取出露的結構面信息［1］。在待測結構面上提取多點三維坐標，將它們擬合為平面并計算相應的平面方程參數，然后構建平面方程參數與結構面產狀換算關系，最終計算出結構面產狀。圖2為結構面信息提取過程，為了驗證提取的結構面信息的準確性，通過人工測量方式測定若干易測結構面產狀信息，并將其與提取的結構面信息進行對比。

右岸危巖體分布在右壩肩下游開挖邊坡以上的陡崖上，結合現場測量與三維影像模型測量，結構面發育以陡傾角為主，基本可以分為4組：①NW350°～NE10°、SE（NW）∠75°～80°;②NW280°～290°、NE（SW）∠80°;③NE5°～20°、NW（SE）∠5°～25°;④NW275°～300°、SW（NE）∠5°～25°。裂隙一般延伸短小，以第①②組最為發育，一般為閉合狀或隱裂隙，裂隙間距數厘米至數十厘米不等，延伸長度可達數十米，與岸坡走向基本垂直。其中：①組為層面裂隙，陡傾角裂隙展布，廣泛分布于壩址區;②組裂隙與①組相互垂直，陡傾向下游或上游;③④組為緩傾角裂隙組。

圖3分別為基于三維激光掃描數據和無人機三維影像，經半自動化識別獲取的巖體結構面走向分布圖和極點等密度圖。

由圖3（a）可知，裂隙以走向NE8°和NW275°兩組最為發育。緩傾角裂隙一般隨機分布，占裂隙總數的10%～20%，規律性不強。據統計分析，緩傾角裂隙主要發育兩組：一組走向NE20°，傾向NW（SE）∠10°～30°;另一組走向NW280°，傾向SW（NE）∠20°。

2.2危巖體分布特征圖4為危巖體分布特征，右岸危巖體分布在右壩肩下游開挖邊坡以上的陡崖上，根據危巖體的發育特征分為4個區：Ⅰ區主要是壩肩1 600 m以上部位，地形較陡，危巖體的特征主要受巖體卸荷影響，失穩模式以傾倒、錯斷為主;Ⅱ區主要為纜機平臺下游側的壩肩邊坡，危巖體受裂隙組合切割影響，表現為塊狀，失穩模式為錯斷、崩塌;Ⅲ區主要分布在壩肩邊坡，地形相對較緩，危巖體表現為錯斷、崩塌以及松散塊式;Ⅳ區主要分布在壩下游高處邊坡，地形上表現為突出的山脊，危巖體為傾倒卸荷形成的不穩定塊體。

3數值模擬結果及分析

3.1RocPro3D軟件介紹RocPro3D是一款專用于危巖崩塌的軌跡建模和防護工程設計的三維軟件。其主要功能是通過導入文件來構建地形，并定義各個區域的巖土特性和物理特性。在進行落石模擬時，可以設定多個初始起點或區域，并計算數百個不同的塊體。RocPro3D利用概率方法，反映了塊體形狀、巖土特性和地形的不規則變化，從而計算塊體的運動軌跡。通過運算，可以得出塊體在運動過程中的能量、速度和彈跳高度等特征圖像［19］。

3.2參數選取使用RocPro3D軟件進行數值模擬需要確定兩類主要參數：危巖體特征參數和巖土體表面特征參數。危巖體特征參數包括形狀（Shape）、尺寸（直徑d）以及密度（ρ）。巖土體表面特征參數包括法向恢復系數（Rn）、切向恢復系數（Rt）、動摩擦系數（Ks）［19］，大多數三維巖崩軌跡模型使用這幾種參數來計算巖塊的回彈和滾動或滑動［20］。Rn、Rt、Ks均服從正態分布（μ為均值，σ為標準差），公式為：

Rn=v-nv+n，（1）

Rt=v-tv+t。（2）

式中：v+n和v-n分別為碰撞前、后沿法向的速度;v+t和v-t分別為碰撞前、后沿切線方向的速度。

Ks值可以通過現場試驗獲得，也可以通過落石特征（落石軌跡、沖擊點或停止區域）進行三維反分析獲得。

在設置不同材料的參數時，初始模擬取的值往往基于一定范圍的經驗值。因此，所取的參數一般都有一定的偏差，需要根據仿真結果調整機械參數。現場調查通常難以獲得落石軌跡和特征，因此分析落石塊停止點是修正力學參數的重要方法［21-23］。本次模擬中，選擇了Ⅰ區高陡危巖帶作為危巖體物源區，設置危巖源區掉落的塊石數量為10 000塊，如圖5所示。

通過模擬計算，可以獲得塊石沿途堆積的分布情況，并與已發生的崩塌堆積區進行對比，模擬結果與現場調查結果基本吻合。此外，模擬結果中邊坡上分散的巖塊也與現場觀測到的分布情況基本一致。因此，可以假設模型中模擬的落石運動是合理的。多次模擬最終獲得的巖土體表面特征參數，見表2。

3.3危巖體失穩后運動特征通過確定的特征參數對危巖區可能崩塌落石進行模擬，設置危巖源區掉落的塊石數量為10 000塊，其他數值模擬輸入參數見表2。圖6為3種不同情況下的落石軌跡。圖6（a）為無防護網情況下模擬的落石軌跡，巖塊從源區脫落，首先沿著坡面向下滑動，一部分落石沿滑床左側的低洼區移動，匯聚在隧洞口上方邊坡，最后到達坡腳河流，落石軌跡有很大一部分到達或穿越坡腳的蘭坪至六庫公路，在公路及隧洞口也有大量的落石停駐。為了攔截落石，在圖6（b）所示位置鋪設了防護網P1。模擬結果表明，大多數落石被防護網P1攔截。然而，騰躍高度極高且能量巨大的落石仍然能夠越過和穿透防護網P1。因此，在圖6（c）所示位置鋪設了防護網P2和P3。在3個防護網的共同作用下，落石對隧洞口和公路的威脅得到了大幅度降低。

通過計算每個落石的運動，可以得到落石的特征，包括空間頻率、能量、速度、高度、沖擊點和停止點。為了更好地進行落石危害評估，對落石的特征進行了柵格重新劃分，依據危險性分為5類，結果見表3。速度和高度圖是包絡型圖，在包絡型圖中應用置信度限制來表示網格單元群體的統計參數。本文置信區間限制設為95% （CL-95%）。碰撞頻率圖和碰撞點圖均為疊加式圖，表示巖石與網格交叉或碰撞的總數。圖7為無防護網情況下模擬的落石特征。

由圖7（a）可知，大部分落石沿滑床兩側的低洼區移動，最后向河內沉積區收斂，最大頻率為8.56%。由圖7（b）可知，最大速度出現在崩塌后落入水中的一瞬間，最大速度為103.5 m/s。由圖7（c）所示的高度分布圖可知，斜坡下部塊體的彈跳高度相對于斜坡上部塊體的彈跳高度較高，這主要是因為坡度比從上到下逐漸增大。如圖7（d）所示，沖擊位置分布與頻率分布相似，1 m × 1 m網格的最大累計沖擊次數為2 583次，位于隧洞前的公路上。對于落石的機械能，從圖7（e）中可以發現，在斜坡中部至下部的能量較大，類似于速度的分布。但動能受少量大體積落石的影響，能量分布中的高能光柵呈線性分布。

3.4被動防護網情況下巖崩模擬為了減輕巖崩危害，采取柔性防護系統是必要的。柔性防護系統由鋼絲、鋼圈和鋼架構成，主要分為主動防護系統和被動防護系統。主動防護系統安置在巖崩的源頭，試圖在巖塊開始滑落之前攔截它們。然而，在大華橋水電站右岸高陡崖壁面積廣闊且不穩定的情況下，安裝活動網有很大的風險和困難。另一種常用的柔性防護系統是被動防護系統，它被安裝在巖崩軌跡的中間，以攔截巖塊。通過選擇合適的位置和高度，以及適量的被動網，可以有效、經濟地減輕巖崩風險。優化被動柔性系統的關鍵是確定理想的位置、適當的凈高度和合適數量的被動網。優化過程中需要考慮3個因素：被動網的高度、安裝位置和強度。

在本研究中，根據圖7中的落石特征，選擇了預備位置P1來安裝被動網，如圖6（b）所示。根據表3，確定被動網能夠承受的最大沖擊能量為4 500 kJ。被動防護網的高度在一定的位置范圍內顯然是減輕落石災害的一個重要因素。為了確定合適的安裝高度以達到最佳的攔截效果，設置了不同高度的被動網，即1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m，總共進行了6次巖崩模擬。被動防護網P1不同高度的攔截率如圖8所示，由圖8可知，攔截效率與被動網高度呈正相關趨勢，但被動網高度達到3.0 m后，攔截效率趨于穩定。因此，選擇將被動防護網P1的高度設置為3.0 m，以實現最優化設計。

被動防護網P1具有足夠的強度，可以攔截落石，但會產生3種結果：石塊被網攔截、石塊飛過網的上方和穿過網。當石塊高度高于被動網時，它將保持預定的軌跡;當石塊達到被動網時，其能量超過被動網所承受的最大沖擊能量（4 500 kJ），導致穿過網時速度減慢。因此，在一些騰躍高度極高或能量極大的落石塊體（通常發生在高差較大的陡坡上）的截流上存在困難。根據設置被動防護網P1的落石模擬結果，即使被動防護網高度達到4.0 m，如圖8所示，最大落石截流率也未達到100%。因此，依靠單一被動防護網攔截所有落石塊不合適。為了阻止極端巖崩，唯一的方法是在較低的位置捕捉它們。因此，增加被動防護網的數量是必要的。

圖9為安裝被動防護網P1后的落石特征，可以觀察到穿過或越過被動防護網P1的落石主要出現在滑床兩側的沖溝地帶。

在圖6（c）的位置上，增加了被動防護網P2和P3的鋪設，并設置被動防護網的最大承受沖擊能量為4 500 kJ，被動防護網的高度設置為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m，進行了7次巖崩模擬。通過使用不同高度的防護網進行模擬，計算出了各種高度下的攔截率，如圖10所示。結果表明，被動防護網P2的攔截率隨著高度的增加而遞增，當高度設置為4.0 m后，攔截率趨于穩定;而被動防護網P3在高度設置為1.5 m時就能發揮非常好的攔截效果。

3.5模擬結果分析防護網的最大高度受到材料和結構的限制，如果無限制地增加被動網的高度，其穩定性和保護效果將迅速降低。此外，在給定的長度下，被動網的高度和成本成正比。因此，不建議僅通過增加防護網的高度來減輕巖崩災害，應優先選擇合適的位置，并適度增加被動網的數量。防護系統的優化目標是在減輕危害的同時降低成本，為了達到這一目標，本文提出采用多區域攔截的方法。首先，通過對單個防護網進行分析，確定初步的攔截區域。然后，通過對多個被動網進行分析，根據落石特征，增加新的攔截區域。模擬結果表明，優化后的防護系統為：防護網P1、P2、P3的高度分別為3.0、4.0、1.5 m，防護網的最大承受沖擊能量為4 500 kJ。

圖11展現出安裝被動防護網P1+P2+P3后的落石特征，由圖可知，在經過3個防護網的加固后，從高陡邊坡上滾落的巖石對蘭坪至六庫公路及隧洞口的危險性降至最低。大部分未被阻擋的落石是因為它們越過或穿過了防護網。例如，圖12所示的2091號落石軌跡特征，它在到達防護網P1時的沖擊能量超過4 500 kJ，所以直接穿過了防護網P1，然后經過多次彈跳后，高度達到4.0 m以上，越過了防護網P2，防護網P3未對其起到攔截作用。

2091號落石在越過防護網P2后，該落石又多次彈跳，最終停在了隧洞口公路上。部分未被攔截的落石直接越過或穿過了公路，最終停在了大華橋水電站壩址下游。這些落石沒有對水電站的正常運行產生任何影響。

4結論

1）利用無人機航拍高分辨率的照片和資料，最終生成數字高程模型和數字地形圖模型。該模型可以對巖體結構面進行提取，從而獲得巖體結構面特征。利用這些模型可以更加準確地評估巖體的穩定性和破壞模式，為地質災害的預防和防治提供重要的依據。

2）根據危巖體分布及崩塌發育特征，以危巖Ⅰ區高位陡崖作為崩塌物源區，而危巖Ⅲ區地形較緩，危巖體以坡崩積的碎塊石為主，從三維數值模擬軟件RocPro3D的反演分析來看，危巖Ⅰ區高位陡崖符合作為崩塌物源區的特點。

3）巖崩三維數值模擬用于可視化和量化巖崩災害是可行的。使用RocPro3D軟件多次對危巖區進行了崩塌運動學三維數值模擬，以提高被動防護網的效用。由模擬結果可知，被動防護網的安裝位置和高度對巖崩的緩解起著重要作用。通過分析防護系統的攔截能力和減災能力，可以確定最合適的防護網安裝位置、數量和高度。根據分析結果，建議采用以下安裝方案：防護網的最大承受沖擊能量為4 500 kJ，P1、P2、P3的高度分別為3.0、4.0、1.5 m。

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Rockfall Numerical Simulation at Dahuaqiao Hydropower

Station Using RocPro3D

WANG Zhongfu1，2， LUO Gan1， YANG Xiaojie1

（1.College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450046， China; 2.Hunan Provincial key Laboratory of key Technology on

Hydropower Development， Changsha 410014， China）

Abstract：

Frequent collapses of dangerous rock masses on the right bank of the Dahuaqiao Hydropower Station pose significant threats to construction projects along the Lancang River. In order to protect the project area， a comprehensive analysis of rockfall hazards was carried out， including field surveys， numerical simulations， and mitigation strategies. In this study， the RocPro3D theory and method combined with on-site investigation and UAV high-precision aerial image data were used to conduct numerical simulation research on the instability of dangerous rock mass in Dahuaqiao Hydropower Station. First， a three-dimensional geological model was constructed using RocPro3D to simulate and analyze the movement characteristics of rock masses after instability. According to the evaluation of rockfall characteristics， the simulation analysis of passive protective net P1 with different heights is carried out， and the optimal height of passive protective net P1 is determined by the interception rate. Subsequently， additional passive protective nets P2 and P3 were introduced， and their heights were adjusted for further simulation analysis. Finally， an optimized protection strategy was proposed to reduce the material costs of the protection system and enhance its efficiency， thereby mitigating the threat of rockfalls to the Lanping-Liuku highway and tunnel entrances. The research results provide clear visualizations and offer valuable references for the development of targeted mitigation measures， contributing significantly to disaster prevention and mitigation engineering.

Keywords：

RocPro3D; rockfall; numerical simulation; passive protective net; disaster prevention and control

（編輯：喬翠平）