龍門黃河大橋左岸危巖體發(fā)育特征及其危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

段素真，劉漢東，王忠福，何思明，李冬冬

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041）

1 引言

巖質(zhì)滑坡或巖質(zhì)崩塌是高陡巖質(zhì)邊坡地區(qū)常見(jiàn)的地表演化過(guò)程，對(duì)坡腳及溝谷出口處的人民生命財(cái)產(chǎn)及基礎(chǔ)設(shè)施安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。 晉陜兩省交界的黃河峽谷段，兩岸地形陡峻，巖體卸荷裂隙發(fā)育，存在大量規(guī)模不等的危巖體，小規(guī)模滾石災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。 龍門黃河大橋左岸橋臺(tái)上方為直立峭壁，由于卸荷、風(fēng)化及凍融循環(huán)作用，橋臺(tái)上方發(fā)育的大量危巖體是大橋建設(shè)與正常運(yùn)行的潛在威脅，因此詳細(xì)查明危巖體規(guī)模、分布范圍、影響因素、潛在破壞模式及形成機(jī)制對(duì)危巖體防治和工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)意義重大。

結(jié)構(gòu)面是控制危巖體規(guī)模、潛在失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性的重要因素［1-4］。 因此，危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治的關(guān)鍵在于控制性結(jié)構(gòu)面的確定，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)人工測(cè)量方式獲取結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距、延展長(zhǎng)度及充填情況。 然而，對(duì)于高陡邊坡，人工測(cè)量不僅效率低，且測(cè)量人員面臨巖體墜落及滾石沖擊等潛在危險(xiǎn)［5-7］。三維激光掃描技術(shù)以其快速高效獲取三維空間信息的優(yōu)勢(shì)，在工程地質(zhì)調(diào)查及三維變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 基于三維激光掃描技術(shù)獲取的三維點(diǎn)云信息，通過(guò)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的識(shí)別方法可以高效地統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域大量的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)［8-12］。 但是，三維激光掃描儀需要通過(guò)拼接多站掃描數(shù)據(jù)才能獲取掃描對(duì)象完整的三維影像。 對(duì)于形態(tài)復(fù)雜的掃描對(duì)象，即使增加掃描站數(shù)，三維激光掃描儀仍存在掃描盲區(qū)；此外，高昂的價(jià)格和笨重的設(shè)備也成為其在復(fù)雜地形山區(qū)中使用的限制條件［13］。 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，不僅設(shè)備攜帶方便，且能在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)較大范圍復(fù)雜地形區(qū)域的測(cè)量工作，逐漸成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和應(yīng)急搶險(xiǎn)工作的重要技術(shù)。 目前，航空攝影測(cè)量主要用于三維地形和地貌調(diào)查，在巖體結(jié)構(gòu)信息與危巖體三維空間數(shù)據(jù)提取方面的應(yīng)用有待進(jìn)一步開(kāi)展細(xì)化與深入研究［14-21］。

本研究通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲取了危巖分布區(qū)復(fù)雜而精細(xì)的三維地形信息，基于三維數(shù)字模型和高清影像提取危巖體控制性結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，結(jié)合地面調(diào)查，對(duì)危巖體空間分布、形態(tài)與規(guī)模、潛在失穩(wěn)模式等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并采用三維離散元法構(gòu)建典型危巖體及地表三維數(shù)值模型，通過(guò)分析危巖體三維運(yùn)移路徑、沖擊能量等，提出了相應(yīng)的危巖體防治措施。 本文的研究成果一方面可為橋臺(tái)上方危巖體防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面也為無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在高陡邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查中的應(yīng)用提供一個(gè)重要的實(shí)證。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于晉陜交界處禹門口地區(qū)，此處黃河由北向南，兩岸地形切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，高差一般100～300 m。 龍門黃河大橋左岸橋臺(tái)上方發(fā)育的大量危巖體對(duì)該大橋施工及運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，圖1 為研究區(qū)地形地貌圖。 危巖體所在斜坡呈上寬下窄的喇叭狀，斜坡上部寬約255 m、下部寬約125 m，斜坡頂面坡度為5°～10°，坡頂下部陡崖坡度大于80°，斜坡下部坡度為40°～50°。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪及勘探揭示，研究區(qū)出露地層以第四系全新統(tǒng)坡積碎石土、塊石土，奧陶系中統(tǒng)峰峰組（ O2f）、上馬家溝組（ O2s）為主。 碎石土分布于山坡中上部的斜坡地帶，成分主要為石灰?guī)r、角礫泥灰?guī)r，顆粒呈棱角狀，無(wú)分選，結(jié)構(gòu)較密實(shí)。 奧陶系中統(tǒng)峰峰組分布于橋臺(tái)以上，為灰?guī)r及角礫狀泥灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r互層，巖層的產(chǎn)狀為300°∠7°，其中灰?guī)r層厚45～50 m，角礫狀泥灰?guī)r層厚7 ～15 m，白云質(zhì)灰?guī)r層厚10～19 m。 奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組位于奧陶系中統(tǒng)峰峰組之下，出露巖層為白云質(zhì)灰?guī)r，局部夾多層薄層角礫狀泥灰?guī)r，中厚-厚層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，巖層層厚15～26 m。

3 危巖體基本特征

3.1 巖體結(jié)構(gòu)信息提取新技術(shù)

基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量進(jìn)行危巖體工程地質(zhì)調(diào)查主要包括地面調(diào)查、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、結(jié)構(gòu)面信息提取與分析三方面內(nèi)容。 通過(guò)地面調(diào)查獲取危巖體地層巖性、控制性結(jié)構(gòu)面性質(zhì)等信息。 通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取研究區(qū)三維數(shù)字地形信息，以及巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及空間展布等。 地面調(diào)查獲取的特征結(jié)構(gòu)面信息也可用于驗(yàn)證無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方式對(duì)研究區(qū)進(jìn)行調(diào)查，獲取研究區(qū)高精度三維影像，并對(duì)各危巖帶進(jìn)行細(xì)部拍照。 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量采用大疆精靈Pro4，測(cè)量范圍覆蓋研究區(qū)并向外延伸500 m，測(cè)量范圍約為1.0 km2。研究區(qū)DEM 構(gòu)建過(guò)程主要包括獲取高清影像數(shù)據(jù)、基于GPS 標(biāo)志點(diǎn)校準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)拼接、構(gòu)建研究區(qū)DEM。

危巖體幾何尺寸可以通過(guò)DEM 數(shù)據(jù)直接量取，進(jìn)而求得危巖體平面面積與體積。 利用無(wú)人機(jī)影像和DEM 數(shù)據(jù)提取出露結(jié)構(gòu)面信息過(guò)程如下：在待測(cè)結(jié)構(gòu)面上提取多點(diǎn)三維坐標(biāo)，將三維點(diǎn)擬合成平面并計(jì)算相應(yīng)的平面方程參數(shù)，構(gòu)建平面方程參數(shù)與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀換算關(guān)系，計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。 為驗(yàn)證基于無(wú)人機(jī)影像提取的結(jié)構(gòu)面信息（見(jiàn)圖2）的準(zhǔn)確性，可通過(guò)人工測(cè)量方式測(cè)定若干易測(cè)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，將其與提取方式得到的結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行對(duì)比。

圖2 結(jié)構(gòu)面信息提取過(guò)程

3.2 危巖體分布特征

經(jīng)調(diào)查分析，危巖體所在斜坡為坡度大于80°的懸崖，高程450 ～600 m。 基于無(wú)人機(jī)三維高清影像，共識(shí)別出59 個(gè)危巖體，單個(gè)體積4 ～1500 m3，危巖體總體積約6000 m3。 根據(jù)危巖體的分布高度、破壞形式、可能滾落的距離等，將其劃分為3 個(gè)危巖帶（見(jiàn)圖3）。 表1 為特征危巖體（W11、W18、W41）幾何尺寸與結(jié)構(gòu)面信息。

表1 特征危巖體幾何尺寸與結(jié)構(gòu)面信息

上部危巖帶位于上部陡崖及坡頂，長(zhǎng)255 m，坡面坡度80°～90°，危巖體分布高程為536 ～600 m，共調(diào)查危巖體40 處（W1 ～W40）。 受地形控制，危巖體潛在崩塌方向?yàn)?80°～330°。 體積小于10 m3的單體危巖共22 處，主要位于坡體頂部，被裂隙切割成塊狀；體積為10～100 m3的共12 處，主要分布于上部陡崖坡面；體積為100 ～1000 m3的共3 處（W11、W25、W35），位于上部危巖帶坡腳處；體積大于1000 m3的共3 處（W18、W23、W34），其空間形態(tài)主要受卸荷裂隙和凹腔控制（見(jiàn)圖4），位于上部危巖帶坡腳處。

圖4 溶蝕孔洞與差異風(fēng)化凹腔

中部危巖帶位于中部陡崖，長(zhǎng)170 m，坡面坡度80°～90°，危巖體分布高程為480 ～500 m，共調(diào)查危巖體10 處（W41～W50）。 危巖體潛在崩塌方向?yàn)?88°～315°。 單體危巖規(guī)模較小，其中體積小于10 m3的共8處，體積為10 ～100 m3的有1 處（W50），體積大于100 m3的有1 處（W46，體積為372 m3）。

下部危巖帶位于左岸橋臺(tái)上方陡崖，長(zhǎng)125 m，坡面坡度80°～90°，分布高程450～470 m，共調(diào)查危巖體9 處（W51 ～W59）。 危巖體潛在崩塌方向?yàn)?85°～345°。 單體危巖規(guī)模較小，體積為0.5～7.8 m3。

4 數(shù)值模擬及分析

4.1 危巖崩塌動(dòng)力過(guò)程分析方法

三維數(shù)值模擬可以得到危巖體失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、對(duì)潛在威脅對(duì)象的沖擊速度和沖擊能量等信息，這是防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。 顆粒離散元（代表軟件為Particle Flow Code，簡(jiǎn)稱PFC）通過(guò)球單元（Ball）和墻單元（Wall）構(gòu)建實(shí)體和邊界，可以較好地模擬崩（崩塌）、滑（滑坡）、流（泥石流）等災(zāi)害的動(dòng)力過(guò)程。 基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取的高精度地表數(shù)字模型可以準(zhǔn)確而快捷地構(gòu)建研究區(qū)三維地表模型。 三維地表模型由29457 個(gè)三角形墻單元構(gòu)成，模型南北長(zhǎng)390 m、東西寬500 m（見(jiàn)圖5（a））。 結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面信息，可以準(zhǔn)確地獲取危巖體幾何形態(tài)和體積，在PFC中通過(guò)聚合顆粒的方式創(chuàng)建相應(yīng)的危巖體三維模型（見(jiàn)圖5（b）、（c）、（d））。

圖5 危巖體與地表三維仿真模型

在顆粒離散元模型中，巖體彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比等宏觀力學(xué)參數(shù)通過(guò)不同的顆粒接觸模型和接觸參數(shù)來(lái)表征。 通常采用單軸數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)室?guī)r體單軸試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整微觀參數(shù)，得到與室內(nèi)試驗(yàn)相同的巖體宏觀強(qiáng)度和變形參數(shù)，即認(rèn)為此組微觀參數(shù)可以用來(lái)模擬相應(yīng)巖體的力學(xué)特性。 通過(guò)上述方法，并參考已有研究成果［4］，得到此次計(jì)算所需的巖體力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

堆積體失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其能量主要通過(guò)顆粒與顆粒之間和顆粒與坡面之間的摩擦和碰撞來(lái)耗散。 在顆粒離散元模型中，摩擦耗能通過(guò)顆粒和坡面摩擦系數(shù)表征，碰撞引起的能量耗散則通過(guò)在運(yùn)動(dòng)方程中引入阻尼的方式實(shí)現(xiàn)。 阻尼類型包括局部阻尼和黏滯阻尼。 局部阻尼主要模擬流體（空氣、水等）對(duì)系統(tǒng)施加的阻力，黏滯阻尼主要模擬顆粒撞擊引起的能量損失。危巖體運(yùn)動(dòng)過(guò)程受重力支配，可不考慮空氣阻力作用，無(wú)須施加局部阻尼作用。 黏滯阻尼則與巖體類型、坡面物質(zhì)組成、植被發(fā)育特征等有關(guān)，通常通過(guò)測(cè)定回彈系數(shù)的方式獲取。 參考已有研究成果，結(jié)合龍門黃河大橋橋臺(tái)上方斜坡特征，確定本次模擬所用坡面特性參數(shù)與阻尼系數(shù)（見(jiàn)表3）。

表3 坡面特性參數(shù)與阻尼系數(shù)

4.2 危巖體潛在失穩(wěn)模式與形成機(jī)制分析

4.2.1 潛在失穩(wěn)模式

根據(jù)地面調(diào)繪資料成果，危巖體主要孕育于灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r形成的陡崖之中，它們均以角礫泥灰?guī)r為基座。 危巖的形成是陡峻斜坡地貌和上硬（灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r）下軟（角礫泥灰?guī)r）巖體結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果。 受臨空條件、結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系、巖體結(jié)構(gòu)等因素影響，龍門黃河大橋左岸橋臺(tái)上方危巖體潛在失穩(wěn)模式分為傾倒式、墜落式、滑移式3種主要類型（見(jiàn)圖6）。

圖6 潛在失穩(wěn)模式

（1）傾倒式。 此類危巖體下部軟弱基座被逐漸掏空，重心逐漸外傾，巖體中產(chǎn)生拉張裂縫，在重力和裂隙水壓力作用下，拉張裂縫加深變寬，當(dāng)拉張裂縫向下貫穿至軟弱基座時(shí)，巖體向前傾斜翻轉(zhuǎn)，形成傾倒式崩塌。 傾倒式崩塌往往具有鏈?zhǔn)椒磻?yīng)特征，即前次崩塌的發(fā)生為后部巖體提供了新的臨空面，后部巖體再次進(jìn)入“裂縫形成—裂縫擴(kuò)張—傾倒破壞”的過(guò)程，如此循環(huán)下去。 上部危巖帶中的危巖體W18、W23、W25、W34、W35，中部危巖帶中的危巖體W45、W46、W49，以及下部危巖帶中的危巖體W53、W54 等，均為傾倒式危巖，巖體后部發(fā)育有高傾角裂縫是其共同特征。

（2）墜落式。 此類危巖體凸出坡面形成懸臂形態(tài)，巖體底部臨空，后部發(fā)育未貫通裂縫，未貫通部分巖體維持危巖體整體穩(wěn)定，承受較大的剪應(yīng)力和拉張應(yīng)力。 在靜力時(shí)效或動(dòng)力作用下，后部裂縫向深部擴(kuò)展，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)一步集中，一旦裂縫貫通，危巖體便發(fā)生墜落式崩塌。 墜落式崩塌同樣具備鏈?zhǔn)椒磻?yīng)特征，前次崩塌形成后，后部巖體便進(jìn)入“豎向裂縫形成—裂縫變寬加深—裂縫貫通—墜落崩塌”的循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而引起新的墜落式崩塌。 上部危巖帶中的危巖體W19、W20、W21、W24、W26、W27，中部危巖帶中的危巖體W44，下部危巖帶中的危巖體W52、W57 等，為典型的墜落式危巖體。

（3）滑移式。 此類危巖體中發(fā)育有傾向與危巖體臨空面坡向一致的軟弱結(jié)構(gòu)面，在自重應(yīng)力和靜水壓力、動(dòng)水壓力作用下沿外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生水平和垂直變形，巖體重心一旦脫離母巖即形成滑移式崩塌。 上部危巖帶中的危巖體W39、W40，中部危巖帶中的危巖體W41，下部危巖帶中的危巖體W58，均屬于此類危巖體。

4.2.2 危巖體形成機(jī)制分析

對(duì)于龍門黃河大橋橋臺(tái)上方的危巖體，構(gòu)造裂隙以及風(fēng)化、卸荷作用是影響其穩(wěn)定的主要因素。 首先，橋臺(tái)上方危巖體所處坡面基本直立，一方面為危巖體失穩(wěn)滑移提供了臨空面，另一方面坡面應(yīng)力集中產(chǎn)生大量的卸荷裂隙，在卸荷裂隙與構(gòu)造裂隙的組合作用下，巖體被切割成塊狀。 其次，危巖體所處斜坡由堅(jiān)硬致密的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r與角礫泥灰?guī)r構(gòu)成，巖體強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力差異顯著，差異性風(fēng)化導(dǎo)致坡腳處的角礫泥灰?guī)r體中存在大小不同的凹腔（見(jiàn)圖4），堅(jiān)硬的白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r底部臨空而局部凸出坡面，改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)一步加劇局部應(yīng)力集中，為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r巖體的失穩(wěn)滑移和臨空墜落創(chuàng)造了條件。

4.3 危巖體運(yùn)動(dòng)路徑預(yù)測(cè)與防治建議

基于離散元法的動(dòng)力過(guò)程分析可以得到危巖失穩(wěn)后完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以及準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)速度，為危巖崩塌災(zāi)害防治措施設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。大橋左岸上方地形近似漏斗狀，危巖體失穩(wěn)后整體向橋臺(tái)位置匯集，橋臺(tái)將會(huì)受到劇烈沖擊。 對(duì)于上部危巖帶，約30%危巖體將撞擊到龍虎公路，平均沖擊速度約25.6 m／s，平均沖擊能量約54558 kJ；約70%的危巖體將撞擊橋臺(tái)或橋面，平均沖擊速度約26.1 m／s，平均沖擊能量約109674 kJ。 對(duì)于中部危巖帶，危巖體將全部撞擊到橋臺(tái)或橋面，平均撞擊速度約15.8 m／s，平均沖擊能量約16371 kJ。 對(duì)于下部危巖帶，危巖體失穩(wěn)后將全部與橋臺(tái)或橋面發(fā)生碰撞，平均沖擊速度約16.4 m／s，平均沖擊能量約43937 kJ。 由此可見(jiàn)，危巖體失穩(wěn)后將對(duì)橋臺(tái)構(gòu)成巨大沖擊，沖擊能量均超過(guò)104kJ，嚴(yán)重威脅黃河大橋的安全運(yùn)營(yíng)。 雖然前述計(jì)算中未考慮危巖體因解體而發(fā)生能量損失的情況，但危巖體對(duì)橋臺(tái)的潛在巨大沖擊仍不容忽視。

根據(jù)危巖體潛在破壞模式及失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬，在地震或強(qiáng)降雨觸發(fā)危巖體失穩(wěn)后將對(duì)橋臺(tái)構(gòu)成極大威脅，嚴(yán)重危及黃河大橋的正常運(yùn)營(yíng)。 在沒(méi)有防護(hù)措施的情況下，危巖體沿坡面存在多次凌空飛躍進(jìn)而加速的情況，沖擊能量巨大。 因此，建議采用主動(dòng)防護(hù)措施對(duì)危巖體進(jìn)行加固，然后在危巖體潛在運(yùn)動(dòng)路徑上，設(shè)置多級(jí)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)或攔擋墻等，通過(guò)多次攔截消耗崩塌體沖擊能量。

5 結(jié)論

準(zhǔn)確的巖體結(jié)構(gòu)面信息是進(jìn)行巖體穩(wěn)定分析、失穩(wěn)模式分析、動(dòng)力分析及設(shè)計(jì)加固措施的重要依據(jù)。龍門黃河大橋左岸橋臺(tái)段地形陡峻，危巖體叢集，傳統(tǒng)地面調(diào)查費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。 本文基于地面調(diào)查及無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)分析了危巖體空間分布與規(guī)模、控制性結(jié)構(gòu)面等，并基于三維離散元數(shù)值分析對(duì)危巖體潛在失穩(wěn)模式、形成機(jī)理及危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得出如下結(jié)論：

（1）龍門黃河大橋左岸橋臺(tái)上方危巖體分布在高程450 ～600 m、坡度大于80°的漏斗狀懸崖地段，在高程上可劃分為上、中、下3 個(gè)危巖帶，單體危巖體積為4～1500 m3，總體積約6000 m3，主要危及龍門黃河大橋橋臺(tái)施工與運(yùn)營(yíng)安全。

（2）裂隙切割和差異性風(fēng)化是誘發(fā)危巖體失穩(wěn)的主要因素，危巖體潛在失穩(wěn)模式有傾倒式、墜落式和滑移式，其中墜落式及滑移式主要發(fā)生在坡體表面，體積相對(duì)較小，傾倒式主要發(fā)生在由差異風(fēng)化形成的凹腔地段。（3）危巖體失穩(wěn)后到達(dá)左岸橋臺(tái)或橋面的平均沖擊速度為15.8～26.1 m／s，各危巖帶單個(gè)危巖體平均沖擊能量均超過(guò)104kJ，沖擊能量巨大，建議對(duì)危巖體采取主動(dòng)加固，并設(shè)置被動(dòng)攔截的綜合防治措施。