桐新高速四平隧道危巖落石運(yùn)動特征及危害性研究

于進(jìn)泉 蒲春林 馬 康 周 欽

(1.中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司 四川成都 610041；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴州貴陽 550081)

1 引言

山區(qū)公路處于特定的環(huán)境地質(zhì)條件，在高陡山區(qū)易發(fā)生危巖落石災(zāi)害，阻斷公路通行，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如，2019年5月28日，G78汕昆高速河池一號隧道口發(fā)生崩塌落石，道路交通受到阻斷。2021年9月30日，國道G347線黑水境內(nèi)段西爾隧道口發(fā)生危巖崩塌，導(dǎo)致茂縣至紅原G347線交通中斷?？梢姡谏絽^(qū)公路開展高陡危巖體的危害程度和威脅范圍研究非常必要。

對于危巖落石運(yùn)動軌跡及危害性研究，多數(shù)學(xué)者基于數(shù)值軟件計算分析，獲得危巖體的運(yùn)動特征?？讉1]通過PFC軟件模擬了有形狀的危巖落石塊體和無形狀的危巖落石質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動過程，對比分析了碰撞速度與彈跳高度。Ansari.M.K[2]利用落石軟件評估玄武巖塊的運(yùn)動距離、彈跳高度、動能和運(yùn)動速度，并編制了落石危險分布圖。肖智勇[3]運(yùn)用Rockfall軟件獲得了高陡危巖體運(yùn)動軌跡及沖擊能量。何宇航[4]采用Rockfall軟件模擬落石運(yùn)動軌跡，確定滾石的威脅范圍和危險等級。

本文以桐梓至新蒲高速四平隧道洞口高陡危巖體為依托，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，構(gòu)建危巖體三維空間模型，通過Rockfall計算軟件研究危巖落石的運(yùn)動軌跡、動能、彈跳高度、落點(diǎn)位置等運(yùn)動特征，評價了危巖落石運(yùn)動影響范圍和危害程度，為公路高陡危巖體防治設(shè)計提供技術(shù)支撐。

2 危巖體基本概況

2.1 危巖體調(diào)查

文獻(xiàn)[5]表明，大多數(shù)危巖體發(fā)育于大于50°的陡坡和高位坡體，從空間分布形態(tài)上屬于高陡危巖體。利用無人機(jī)攝影技術(shù)，獲取測區(qū)多角度影像資料和三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到高精度危巖體模型[6-8]。本文研究區(qū)地處桐梓縣婁山關(guān)鎮(zhèn)四平隧道洞口，建立四平隧道洞口危巖體模型，如圖1所示。

2.2 危巖體環(huán)境條件及特征

(1)危巖體環(huán)境條件

研究區(qū)海拔介于945～1 284 m之間，相對高差339.0 m，地形坡面呈“上陡下緩”的特點(diǎn)，下部斜坡自然坡度在22°～40°，上部陡崖近直立，屬于中山中切割侵蝕地貌，陡崖地帶地層巖性主要為奧陶系五峰組、中統(tǒng)寶塔組泥質(zhì)灰?guī)r，斜坡地帶地層巖性為奧陶系湄潭組粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖，從地層結(jié)構(gòu)上屬于上硬下軟組合結(jié)構(gòu)。從構(gòu)造上，研究區(qū)屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔北臺隆、遵義斷拱、鳳崗北東向構(gòu)造區(qū)，處于單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀 35°～45°∠7°～10°，地質(zhì)構(gòu)造較為簡單[9-10]。

(2)危巖體特征

利用無人機(jī)采集危巖體模型，解析后識別出13塊危巖體，根據(jù)危巖體分布特點(diǎn)，將危巖體劃分為兩個區(qū)域，分別為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)。從Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)分別選取最不利危巖體作為研究對象，記為WY1和WY2。測得危巖體WY1分布高程在1 310～1 314 m，長度約2.4 m，高度約3.2 m，厚度約1.8 m，方量約13.82 m3；測得危巖體 WY2分布高程在1 295～1 318 m，長度約2.9 m，高度約2.0 m，厚度約2.5 m，方量約14.50 m3。與桐梓至新蒲高速公路相對高差130～146 m，均判定為特高位危巖體。通過危巖體模型研判，下部軟巖風(fēng)化使得上部硬巖卸荷裂隙不斷延伸擴(kuò)展，形成的不穩(wěn)定危巖塊體發(fā)生傾倒失穩(wěn)，形成落石災(zāi)害，對桐梓至新蒲高速四平隧道洞口段構(gòu)成嚴(yán)重危害[11]。

3 落石運(yùn)動特征分析

3.1 Rockfall模型建立

通過無人機(jī)采集數(shù)據(jù)確定了危巖體位置、幾何形狀、大小、運(yùn)動方向以及實(shí)際邊坡坡面形態(tài)，危巖體形態(tài)特征基本參數(shù)取值見表1。WY1和WY2均發(fā)生傾倒式破壞，危巖體初始運(yùn)動狀態(tài)為倒轉(zhuǎn)，兩者大小相近，假定水平初速度為0.5 m/s，豎向初速度為0.5 m/s，角速度為2.0 m/s，分別沿剖面1和剖面2發(fā)生運(yùn)動，以此對危巖體WY1及所處剖面1、危巖體WY2及所處剖面2進(jìn)行Rockfall建模計算分析，模型見圖2及圖3[12]。

表1 研究區(qū)危巖體基本參數(shù)取值

邊坡特征影響落石運(yùn)動軌跡和能量轉(zhuǎn)換，是影響落石運(yùn)動的重要因素[13]。根據(jù)危巖體斜坡面巖體性質(zhì)、坡面覆蓋層狀況和植被發(fā)育特征等情況，綜合確定斜坡面的碰撞法向恢復(fù)系數(shù)、碰撞切向恢復(fù)系數(shù)和動摩擦系數(shù)等基本參數(shù)，如表2所示。

表2 研究區(qū)落石運(yùn)動斜坡面基本參數(shù)取值

Rockfall軟件是一款用于計算落石運(yùn)動軌跡的概率統(tǒng)計分析軟件，按預(yù)定分布隨機(jī)抽樣對落石運(yùn)動軌跡進(jìn)行計算分析，得到落石運(yùn)動特征規(guī)律。塊體生成方式選擇隨機(jī)，落石隨機(jī)數(shù)量為1 000個。

3.2 結(jié)果分析

借助 Rockfall軟件，對危巖體 WY1、危巖體WY2進(jìn)行模擬計算，繪制出危巖落石的運(yùn)動軌跡圖、動能分布圖和彈跳高度分布圖，以此分析落石運(yùn)動特征規(guī)律，評價危巖落石運(yùn)動影響范圍和危害程度，為公路高陡危巖體防治設(shè)計提供技術(shù)支撐。

(1)運(yùn)動軌跡分析

圖4、圖5分別為危巖體WY1、危巖體WY2運(yùn)動軌跡圖，可直觀展示危巖體WY1、危巖體WY2在斜坡面上的整個運(yùn)動軌跡。從兩處高陡危巖體的運(yùn)動軌跡可以看出，危巖體落石隨機(jī)發(fā)生1 000次，其運(yùn)動軌跡整體趨勢基本一致，但運(yùn)動軌跡又表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性；危巖體失穩(wěn)墜落后隨地面形態(tài)變化發(fā)生多次碰撞彈起、滾動并最終停止運(yùn)動；在坡面陡峭地帶危巖體進(jìn)行斜拋運(yùn)動，如危巖體WY2中段，在坡度較緩地帶危巖體主要以滾落方式運(yùn)動，如危巖體WY1中后段。

(2)運(yùn)動動能分析

圖6、圖7分別為危巖體WY1、危巖體WY2在運(yùn)動過程中總動能分布圖。危巖體WY1在泥質(zhì)灰?guī)r較陡斜坡地帶經(jīng)過兩次跳躍后，距離四平隧道洞口約80 m斜坡上達(dá)到最大運(yùn)動速度和最大動能，動能最大值約16 263 kJ，落石繼續(xù)在碎塊石堆積層較緩斜坡上發(fā)生跳躍滾動，能量損失較大，到達(dá)四平隧道洞口時，沖擊動能為649 kJ；危巖體WY2在粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r較陡斜坡地帶經(jīng)過四次跳躍后，距離四平隧道洞口處路基地帶達(dá)到最大運(yùn)動速度和最大動能，動能最大值約20 368 kJ，落石繼續(xù)在高速公路路面上發(fā)生跳躍滾動，最終停留在高速公路上，說明了地形坡度緩、坡體剛度較小能夠顯著削弱落石的運(yùn)動動能。

為了進(jìn)一步研究危巖體WY1、WY2對桐梓至新蒲高速公路危害程度，在Rockfall軟件中于隧道口設(shè)置計數(shù)器，發(fā)生隨機(jī)1 000次落石，危巖體WY1共有48次落到隧道口，危巖體WY2共有199次落到隧道口，揭示危巖體WY1落至高速公路為小概率事件，對高速公路危害相對較??；危巖體WY2落至高速公路為大概率事件，對高速公路危害相對較大，并且滾落至高速公路的動能大，對公路破壞性大。

(3)彈跳高度分析

圖8、圖9分別為危巖體WY1、WY2在運(yùn)動過程中彈跳高度分布圖。危巖體WY1發(fā)生2次顯著的彈跳運(yùn)動，第一次發(fā)生在墜落下方的泥質(zhì)灰?guī)r陡斜坡地帶，出現(xiàn)最高的彈跳高度約10.5 m，第二次發(fā)生在WY1落石運(yùn)動過程中的中段，該段地處碎塊石堆積層較緩斜坡地帶，彈跳高度約3.6 m，其他運(yùn)動過程主要為輕微彈跳和滾動方式，在隧道洞口落石以滾落方式運(yùn)動，危巖體WY1運(yùn)動過程中彈跳高度表現(xiàn)為先增大后減少趨勢；危巖體WY2發(fā)生3次顯著的彈跳運(yùn)動，第一次發(fā)生在粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r基巖較陡斜坡地帶，出現(xiàn)最高的彈跳高度約為8.1 m，第二次發(fā)生在WY2落石運(yùn)動過程中的中段，該段地處粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r基巖較陡斜坡地帶，彈跳高度約3.1 m，第三次發(fā)生在WY2落石運(yùn)動過程中的后段，位于隧道洞口處路基地面，彈跳高度約4.9 m，在隧道洞口路基處落石以彈跳方式運(yùn)動，危巖體WY2運(yùn)動過程中彈跳高度表現(xiàn)為先增大后減少最后再增大的趨勢。

從危巖體WY1、WY2運(yùn)動軌跡圖和運(yùn)動特性分布曲線可以分析出如下規(guī)律:①危巖體下落后運(yùn)動過程中動能隨著坡面變化出現(xiàn)漲落，危巖體落石運(yùn)動過程，重力勢能不斷轉(zhuǎn)化成動能，坡面對落石運(yùn)動產(chǎn)生能量損失。②坡面特性及坡面坡度強(qiáng)烈影響落石運(yùn)動軌跡、運(yùn)動動能和彈跳高度。③危巖體WY1落石運(yùn)動軌跡前段的落石速度快、運(yùn)動能量大、彈跳高，運(yùn)動軌跡中段落石不斷與坡面相互作用，其較平緩坡面、較小剛度的坡體吸收較大能量，隨之落石速度減小、運(yùn)動動能降低，產(chǎn)生顯著削弱效應(yīng)，運(yùn)動范圍縮小，從而危害性較?。晃r體WY2落石運(yùn)動軌跡前段的落石速度快、運(yùn)動能量大、彈跳高，運(yùn)動軌跡中段落石不斷與坡面相互作用，其較陡的坡面、較大的坡體剛度吸收較小能量，隨之落石速度增大、運(yùn)動動能增加，削弱效應(yīng)不顯著，運(yùn)動范圍擴(kuò)大，從而危害性較大。因此，相比危巖體WY1，危巖體WY2造成的破壞性更大。④從落石運(yùn)動至高速公路邊緣處的運(yùn)動軌跡看，落石隨機(jī)發(fā)生1 000次，危巖體WY1落至高速公路為小概率，危巖體WY2落至高速公路為大概率。⑤坡面堆積層、茂密植被能夠有效緩沖和消耗落石運(yùn)動沖擊能量，在落石防護(hù)設(shè)計中可以充分借鑒，降低落石沖擊的破壞程度。

4 結(jié)論

依托桐梓至新蒲高速公路四平隧道危巖體開展落石危害性研究，利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)和圖像處理技術(shù)，構(gòu)建危巖體三維實(shí)景模型，實(shí)現(xiàn)危巖高精度可視化，通過概率統(tǒng)計分析軟件Rockfall展開了兩處高陡危巖體的落石運(yùn)動特征模擬計算研究，對比分析了落石運(yùn)動軌跡、運(yùn)動動能、彈跳高度等特性規(guī)律，評估了危巖體影響范圍和破壞程度。

(1)坡面特性及坡面坡度影響落石運(yùn)動方式，落石運(yùn)動方式有墜落、斜拋、彈跳、滾動等。在較硬性陡峭坡面，危巖體以斜拋運(yùn)動為主，如危巖體WY2中段；在較柔性緩坡地帶，危巖體以滾動方式為主，如危巖體WY1中后段。

(2)危巖體WY1落石運(yùn)動軌跡前段的落石速度快、運(yùn)動能量大、彈跳高，運(yùn)動軌跡中段落石不斷與坡面相互作用，其較平緩的坡面、較小剛度的坡體吸收較大能量，隨之落石速度減小、運(yùn)動動能降低，產(chǎn)生削弱效應(yīng)，運(yùn)動距離縮短，從而危害性降低；危巖體WY2落石運(yùn)動軌跡前段的落石速度快、運(yùn)動能量大、彈跳高，運(yùn)動軌跡中段落石不斷與坡面相互作用，其較陡的坡面、較大的坡體剛度吸收較小能量，隨之落石速度增大、運(yùn)動動能增加，削弱效應(yīng)不顯著，運(yùn)動范圍擴(kuò)大，從而危害性較大。因此，相比危巖體WY1，危巖體WY2造成的破壞性更大。

(3)從落石運(yùn)動至高速公路邊緣處的運(yùn)動軌跡看，落石隨機(jī)發(fā)生1 000次，危巖體WY1落至高速公路為小概率，危巖體WY2落至高速公路為大概率，危巖體WY2對桐梓至新蒲高速四平隧道洞口危害更大。

(4)高陡危巖體具有強(qiáng)大的災(zāi)害性，威脅桐梓至新蒲高速公路四平隧道洞口行車安全，在落石防護(hù)設(shè)計中需采取削弱落石沖擊能量措施，以降低落石沖擊的破壞程度。