青藏鐵路設興村段崩塌特征分析與運動學模擬*

王 頌 張路青 周 劍 韓振華 劉海洋

（①中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京100029，中國）

（②中國科學院大學，北京100049，中國）

（③中國科學院地球科學研究院，北京100029，中國）

0 引 言

隨著國家“一帶一路”倡議的實施，大規(guī)模的高速公路、鐵路、輸變電線路等基礎設施在西藏加緊建設，成為連接我國與南亞各國的紐帶。然而，復雜的地質條件增加了建設難度，千公里尺度的線狀開挖工程又對脆弱的地質環(huán)境造成了強烈擾動，加劇了沿線地質災害的暴發(fā)，如僅川藏公路（西藏境）各類地質災害點多達1500處（祝建等，2018）。地質災害嚴重制約基礎設施的建設，影響已建成設施的安全運營，甚至給人民的生命財產安全造成嚴重危害。西藏地區(qū)地質災害類型眾多，包括泥石流、崩塌、滑坡、水毀、溜砂等。其中，崩塌是指以滑動、傾倒、墜落等方式從山體上所分離的巖土體，沿著陡立的坡體發(fā)生了跳躍、翻滾或滑動等運動，最后因能量喪失停留在坡體或坡腳處的過程（沈均等，2008；何思明等，2014）。崩塌是對線性工程產生危害的重要災害類型之一，具有典型的頻發(fā)性和隨機性（張路青等，2004a）。目前，針對崩塌的研究主要包括崩塌的形成、運動特征、危險性評價、防護技術等諸多方面（張路青等，2004b，2005；劉永平等，2005；趙冬等，2018）。在崩塌十分發(fā)育的西藏地區(qū)，分析和預測崩塌的運動特征，對已建成的線性工程防護和未建成的線性工程選線更具指導意義。

研究崩塌的運動特征離不開現場調查，無人機作為新興的地理信息獲取工具，比起普通相機和三維激光掃描儀，更適合對巖體進行全方位的測量，尤其是可以觀測到人們無法到達的位置，被越來越多地用于地質災害調查中（劉海洋等，2017）。例如，王學良等（2018）提出了基于區(qū)域工程地質分區(qū)－區(qū)域遙感分析－山體無人機航拍－巖體結構特征分析的山區(qū)輸變電工程崩塌危巖體識別和分析方法，研究崩塌對桿塔（變電站）的沖擊；彭雙麒等（2018）采用無人機獲取了崩塌的高分辨率數字地表模型，并對崩塌堆積體的粒徑進行了統(tǒng)計分析。

對崩塌運動特征的分析與預測多采用數值模擬的方法。Rockfall作為專門模擬崩塌的軟件，能夠快速獲得崩塌的到達概率、跳躍高度、運動速度、能量等諸多結果，被廣泛應用于崩塌研究中（韓振華等，2017；陸明，2017）。然而，Rockfall是二維模擬軟件，只能選取坡體某些方向上的剖面作為崩塌的特定路徑，人為控制了崩塌的運動方向。Rockyfor3D是Dorren開發(fā)的三維崩塌模擬軟件，使用數字高程模型（DEM）表示地形參數，可計算崩塌在三維空間的運動，結果更加符合實際（Dorren et al.，2010；Monnet et al.，2017）。Radtke et al.（2014）使 用Rockyfor3D研究了森林對崩塌運動的阻礙作用，提出管理森林的方式，以便于對崩塌進行防護。Bourrier et al.（2015）提出一種基于Rockyfor3D的崩塌防護欄的設計方法，根據統(tǒng)計結果和概率分析使防護設計更加合理。

本文選取位于拉薩—羊八井之間的設興村段崩塌作為研究對象，調查歷史崩塌分布和物源區(qū)危巖體特征，并使用無人機對研究區(qū)進行航空攝影測量，獲取巖體結構面信息和高精度DEM數據。結合現場調查情況和無人機數據，采用Rockyfor3D對危巖區(qū)進行三維模擬計算。

1 工程地質條件

1.1 拉薩—羊八井段地質背景

拉薩—羊八井段位于西藏高原的中部，喜馬拉雅山脈的北部，平均海拔3650im，屬于高原溫帶半干旱季風氣候，地勢北高南低，由東向西傾斜（央金卓瑪等，2017）。在大地構造上，地處岡底斯—念青唐古拉陸塊和喜馬拉雅陸塊的結合部位，受特提斯洋的擴張、消亡和喜馬拉雅陸塊和岡底斯陸塊的碰撞造山作用的影響。地層區(qū)劃主要屬岡底斯—喜馬拉雅構造地層大區(qū)，岡底斯—騰沖地層區(qū)，拉薩—沃卡地層分區(qū)和卻?！啥嗟貙臃謪^(qū)，巖性以砂巖、灰?guī)r、花崗巖、閃長巖、頁巖、礫巖以及第四紀的砂、黏土為主。該區(qū)段地震活動較頻繁，根據中國地震動參數區(qū)劃圖（中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2015），設興村及其周邊地區(qū)為地震烈度Ⅷ度區(qū)，地震動加速度反應譜特征周期為0.45is，地震動峰值加速度為0.2ig。

圖2 設興村段崩塌點周邊地質圖Fig.2 Geological map of the surrounding of the rockfall along Shexing Village section

1.2 崩塌點工程地質條件

設興村段崩塌點屬于峽谷向寬谷過渡的窄谷地貌，山體陡峭，河谷深切，溝壑縱橫，崩塌和泥石流災害頻發(fā)。沿線建有京拉公路（G109），青藏鐵路和京藏高速（G6）三大交通工程，是連接拉薩和羊八井的重要交通樞紐。除交通線外，沿線還建有大量的輸電線塔、電線桿和信號塔等。本文所研究的崩塌點位于拉薩—羊八井之間的堆龍德慶區(qū)（圖1），距設興村約2ikm，GPS為29°48′24.72″N，90°45′25.34″E。該崩塌點所在坡體巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，可劃分為4個典型危巖區(qū)。危巖區(qū)A、B、C和D分別距坡底50im、90im、130im和170im。坡面發(fā)育有較多的小型沖溝。坡腳海拔有3840im，附近有大量歷史崩塌塊石堆積，輸電線路和G109緊鄰坡體，且未建設防護設施。

設興村段崩塌點附近地層巖性和地質構造如圖2所示。研究區(qū)域內發(fā)育有一條逆斷層，地層之間存在角度不整合接觸，且葉巴附近有新近紀的花崗斑巖（γπN）侵入，馬鄉(xiāng)附近有白堊紀的石英閃長巖（δοK1）侵入。整個研究區(qū)內出露的地層還有典中組的安山巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r等（E1d）；塔克那組的砂巖、頁巖、泥巖等（K1t）；設興組的砂巖、泥巖（K2s＾）；第四紀的砂礫石、黏土（Qhpal）等。設興村段崩塌主要發(fā)育于古近系（E）地層中，逆斷層穿過山體。

2 崩塌點基本特征

2.1 歷史崩塌的分布特征

圖1 青藏鐵路設興村段崩塌概況Fig.1 Overview of the rockfall along Shexing village section of Qinghai-Tibet Railway

圖3 崩塌堆積區(qū)（局部）及巖體結構面Fig.3 Partial accumulation area of rockfalls and the rock mass structure surfaces

設興村附近歷史上有多次崩塌事件發(fā)生，坡底和坡面都堆積了大量的崩塌塊石。調查中發(fā)現坡底是大粒徑崩塌塊石的主要堆積區(qū)。坡底塊石堆積區(qū)全貌如圖3所示，將坡底劃分為3個子區(qū)域，統(tǒng)計獲得的體積大于0.1im3的塊石數量分別是103塊、138塊和65塊。根據統(tǒng)計結果作出歷史崩塌坡底堆積的塊石數量與尺寸分布特征圖（圖4）。從圖4中可以看出，體積在0.1～1.0im3的塊石數量最多，合計占93%，而體積大于5im3的塊石僅有5塊。其中，最大塊石體積可達120im3，平均塊石體積約1.4im3。體積大于5im3的塊石主要在坡底中部，其他大小的塊石在整個坡底均有分布。G109國道上未見有崩塌塊石，但少量體積約1im3的塊石經過公路滾至靠近青藏鐵路一側。比起坡底，坡面上堆積著數量更多的崩塌塊石。由于其數量過多，塊度較小，且山高坡陡，難以攀登，因此沒有對其數量和尺寸進行逐個統(tǒng)計。通過無人機拍攝的影像觀察可得，坡面上大部分塊石尺寸小于0.1im3，大于1im3的塊石很少。坡底和坡面的歷史崩塌塊石尺寸分布特征可以為數值模擬中坡體參數反演提供一定的數據支持。

2.2 巖體結構面產狀

圖4 坡底堆積的歷史崩塌塊石數量與尺寸分布特征Fig.4 The number and size distribution characteristics of fallen rocks accumulating at the bottom of the slope

巖體結構面對邊坡巖體的破壞起控制作用。然而，危巖區(qū)所在區(qū)域高度大、坡度陡，難以到達實際結構面的位置進行測量。根據無人機拍攝獲取的危巖區(qū)巖體結構面三維點云數據，利用Coltop軟件可以快速獲取巖體結構面產狀。選取危巖區(qū)中3組結構面較平整的位置各提取150余點的X、Y、Z坐標。通過計算獲得每組結構面150個產狀，并作出這些產狀對應的極射赤平投影極點圖（圖5）。從圖5中可得，每組結構面提取的產狀數據比較集中，離散度小。計算每組結構面150個產狀的平均數，獲得平均產狀分別是J1：140°∠54°，J2：300°∠44°，J3：220°∠87°，并在圖5中繪制平均產狀對應的極射赤平投影。

圖5 巖體結構面極射赤平投影Fig.5 Stereographic projection of structural plane of rock mass

2.3 崩塌物源區(qū)的危巖體特征

所研究的危巖體位于危巖區(qū)的頂部，受3組主要結構面切割呈塊狀結構。危巖體的塊度由結構面間距控制。通過無人機攝影測量，針對大于0.1im3的危巖體進行了統(tǒng)計，獲得4個危巖區(qū)頂部巖體結構面間距及體積如表1所示。4個危巖區(qū)中，A和D處的巖體塊度較大，B和C處危巖體塊度較小。與歷史崩塌塊度對比，危巖體塊度主要集中在0.5～1.5im3范圍內，其他過大或過小的塊石較少，而歷史崩塌堆積于坡底的塊石體積主要集中在0.1～1.0im3范圍內。這說明在坡底堆積的崩塌塊石不僅僅來自于4個危巖區(qū)，少部分小塊石是來自山體其他位置的小型崩塌。已崩落的塊石堆積于坡底或坡面，無論其來源何處，已經改變了坡體的表面性質，給后崩塌塊石的運動形成阻礙。因此，如2.1節(jié)所述，歷史崩塌塊石尺寸特征為坡體參數反演提供數據支持，而危巖體的塊度可以為數值模擬過程中物源區(qū)參數的選取提供依據。

表1 危巖區(qū)頂部巖體結構面間距及體積Table 1 Spacing and volume of rock mass structures at the top of dangerous rock areas

2.4 危巖體失穩(wěn)方式

危巖體破壞是主控結構面端部巖石破裂導致的（陳洪凱等，2015）。設興村段危巖區(qū)巖體被3組主要結構面切割，且危巖區(qū)臨空面方向也是主要結構面方向。根據結構面相互切割關系，可對危巖區(qū)的穩(wěn)定情況進行初步判斷（李智毅等，1994）。若選取J3組結構面為臨空面，如圖5所示，J1和J2兩組結構面相交于M點，交線OM的傾向與臨空面J3的傾向一致，且其傾角小于臨空面的傾角，說明危巖區(qū)在J3傾向方向是不穩(wěn)定的。同理，若選取其余某個結構面作為臨空面，則另兩組結構面投影弧與臨空面投影弧相對，即在J1和J2傾向方向是相對穩(wěn)定的。但除3組主要結構面，危巖區(qū)頂部巖體還發(fā)育有部分次要結構面，使得危巖體也有可能向J1和J2傾向方向失穩(wěn)。

按照崩塌失穩(wěn)的力學機制，可分為傾倒式、滑移式、鼓脹式、拉裂式和錯段式崩塌5種（潘懋等，2012；袁志輝等，2014）。傾向J3臨空面的危巖體受結構面切割呈板狀，危巖體近乎直立，在重力或其他外力作用，容易以危巖體底部某一點為支點發(fā)生傾倒。而傾向為J1和J2臨空面的危巖體，傾角在45°～55°，在重力作用下具有向臨空面滑移的趨勢。

危巖體失穩(wěn)后，其運動方式隨斜坡的坡度、坡形和表面性質變化，可表現為滑動、滾動、跳躍和自由崩落等多種形式（張路青等，2004c；張倬元等，2009）。同時，塊石可能的運動路徑也很多，難以確定，需要借助數值模擬軟件對塊石運動的優(yōu)勢路徑進行預測。

3 運動學模擬

3.1 參數反演

采用Rockyfor3D進行數值模擬時需要確定的主要參數包括兩大類，分別是危巖體特征參數和巖土體表面參數。危巖體特征參數包括rockdensit、blshape、d1、d2和d3。rockdensit表示危巖體的密度，blshape表示危巖體的形狀，d1、d2和d3表示危巖體的尺寸。巖土體表面參數包括rg70、rg20、rg10和soiltype。rg70、rg20和rg10分別表示區(qū)域內占70%、20%和10%的已有塊石障礙物的高度，以反映巖土體表面的粗糙程度。在程序中它們主要被用于計算塊石碰撞過程中的切向恢復系數以及表面能損失，但并不改變DEM反映的地形。soiltype表示巖土體表面的彈性，主要被用于計算塊石碰撞過程中的法向恢復系數，取值為0～7范圍內的整數，取值越小，彈性越小。

在arcmap中對研究區(qū)內不同性質的巖土體進行劃分（圖6），A～D代表4個危巖區(qū)，①～○1分別代表了坡面、危巖體、坡底、公路、鐵路、河流、草地等巖土體區(qū)域。不同區(qū)域內參數的取值不同。4個危巖區(qū)中的危巖體特征參數取值如表2所示，其中，d1、d2和d3是根據統(tǒng)計獲得的危巖體的平均尺寸。對于不同的崩塌，公路、河流和草地的巖土體表面參數差別很小，參考Rockyfor3D手冊中已經標定的結果直接取值即可（Dorren，2016）。鐵路表面的粗糙程度主要由碎石道砟和鐵軌決定，可根據道砟的粒徑級配和鐵軌厚度取值。坡面、危巖體和坡底的表面參數則需要結合現場實際情況進行反演。首先根據調查的歷史崩塌分布特征，確定了表面參數的取值范圍；然后根據取值范圍內的各個參數試算，獲得崩塌結束后塊石的空間分布；最后對比模擬結果與現場條件，選取坡面、危巖體和坡底表面參數的合理取值。

試算過程中，模擬次數設置為100次，即每個柵格模擬拋出的塊石數量是100，共計拋出104i500個塊石。通過試算，最終確定巖土體表面參數如表3所示，崩塌塊石的空間分布如圖7所示。

從模擬結果中可知，崩塌塊石主要在3個堆積區(qū)分布，其中左側和中部堆積塊石數量較多，右側較少；塊石主要集中在G109附近，極少到達青藏鐵路。上述模擬結果與現場情況比較符合。

圖6 巖土體及危巖區(qū)的劃分Fig.6 Classification of rock and soil mass and dangerous rock areas

表2 4個危巖區(qū)內危巖體特征參數設定Table 2 Characteristic parameters of dangerous rock mass in four dangerous rock areas

表3 研究區(qū)內巖土體表面參數設定Table 3 Geotechnical surface parameters in the study area

3.2 崩塌運動特征分析

保持模擬次數、輸入的危巖體特征參數和巖土體表面參數不變，對A、B、C、D 4個危巖區(qū)分別計算，以分析每個危巖區(qū)塊石的崩塌運動特征。塊石的到達概率計算公式如下：

圖7 崩塌塊石的空間分布Fig.7 Spatial distribution of fallen rocks

式中：Reach＿probability為某一柵格位置上塊石的到達概率；Nr＿passages為該柵格上通過的塊石數量；Nr＿sourcecells為危巖區(qū)的物源點數，程序中默認一個柵格為一個物源點；Nr＿simulations為模擬次數，即從一個物源點拋出的塊石數。因此，Nr＿sourcecells×Nr＿simulations表示從危巖區(qū)模擬拋出的塊石總數。

通過數值模擬，獲得各危巖區(qū)崩塌塊石到達概率如圖8所示。根據各危巖區(qū)崩塌塊石到達概率作出優(yōu)勢運動路徑（圖8），并給出優(yōu)勢運動路徑下各危巖區(qū)塊石與坡面間的關系（圖9）。量化危巖崩塌后對下方公路、電線桿等的影響，統(tǒng)計結果如表4所示。

從崩塌分布范圍上來說，危巖區(qū)A處崩塌主要從坡體正前方通過，很大概率上對電線桿、輸電線塔和G109國道形成威脅，最遠可到達信號塔和青藏鐵路，但概率極低；危巖區(qū)B處崩塌主要從坡體右側通過，危巖區(qū)C和危巖區(qū)D處崩塌主要從坡體左側通過，主要威脅電線桿和G109，基本不會到達信號塔和青藏鐵路。

從運動過程來說，在坡降較大的位置，塊石距坡面的高度大，與坡面撞擊后彈跳高度也較大。塊石距坡面的最大高度一般出現在坡體的中上部，到達坡底時，高度減小。從坡頂到坡底，運動過程中的動能呈先增大后減小的趨勢。以危巖區(qū)A處塊石的優(yōu)勢運動路徑為例，塊石平均尺寸為2im×1im×1im，通過輸電線塔和G109時，其質心距輸電線塔底部高度為7.5im，距公路高度為2.8～3.9im，沖擊動能也能達到1000～1500ikJ。因此，崩塌塊石會對輸電線塔的塔身和公路上通行的汽車形成威脅。

圖8 各危巖區(qū)崩塌塊石到達概率及優(yōu)勢運動路徑預測Fig.8 Arrival probability and dominant motion paths of rockfalls in dangerous rock areas

圖9 優(yōu)勢運動路徑下各危巖區(qū)塊石與坡面間的關系Fig.9 Relationships between fallen rocks and slopes under the dominant motion paths

表4 各危巖區(qū)崩塌塊石模擬結果統(tǒng)計Table 4 Simulation results of rockfalls in dangerous rock areas

根據現場歷史崩塌調查結果，本研究區(qū)屬于崩塌高發(fā)區(qū)域。危巖區(qū)巖體破碎，物源豐富，將繼續(xù)發(fā)育崩塌，因此有必要進行防治。數值模擬結果可以為崩塌的防治提供指導。根據圖7和圖8給出的崩塌塊石運動影響范圍、優(yōu)勢運動路徑和最終堆積位置，可以確定防護范圍；根據圖9給出的優(yōu)勢運動路徑下各危巖區(qū)塊石距坡面的高度和動能，可以確定防護高度和防護強度。從防護范圍說，崩塌沒有到達青藏鐵路，即重點防護的對象應是G109、電線桿和輸電線塔，防護設施應建立在輸電線路靠近坡體一側，但此時防護高度較高。若將防護設施建立在G109和輸電線路之間，則防護高度減小，但輸電線路則無法防護。因此，在具體防治時還需要結合崩塌災害風險的容忍標準和工程投資，給出該區(qū)域更加合理的崩塌防治措施。

4 結 論

（1）依托現場調查結果，結合無人機航空攝影和結構面信息自動化處理等技術，實現了對青藏鐵路設興村段崩塌塊石歷史分布、巖體結構面產狀和危巖區(qū)特征的快速獲取，克服了傳統(tǒng)野外調查工作耗時長、視角受限等缺點，為復雜地質條件下崩塌地質災害的識別和預測提供了技術和方法。

（2）基于無人機航攝提取高精度DEM，并采用現場數據統(tǒng)計分析和參數反演相結合的方法確定輸入參數，進行了崩塌三維數值模擬。結果表明模擬獲得的崩塌塊石空間分布與現場吻合較好，為運動學分析提供了可靠的依據。

（3）根據三維數值模擬獲得的到達概率對崩塌塊石的優(yōu)勢運動路徑進行了預測，消除了二維數值模擬方法中人工直接選取塊石運動路徑所帶來的誤差，有效評估了崩塌的影響范圍。結果表明4個危巖區(qū)的崩塌塊石主要威脅輸電線路和G109，對青藏鐵路和G6無影響。塊石在坡體中上部運動時跳躍高度和動能較大，到達坡底時逐漸減小。上述工作還可以為崩塌防護設計提供一定的指導。