基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的危巖識(shí)別及數(shù)值模擬分析

楊緒波　程強(qiáng)　袁進(jìn)科　謝偉　雷航

摘要：針對(duì)峽谷區(qū)高陡邊坡危巖落石地質(zhì)災(zāi)害分布位置高、突發(fā)性強(qiáng)，嚴(yán)重影響該區(qū)域工程建設(shè)安全的問題，以康定榆林至新都橋高速公路桑達(dá)隧道進(jìn)口高位危巖為例，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生成三維實(shí)景模型以及數(shù)字地表模型，全面獲取高位危巖的地質(zhì)地形空間信息，對(duì)危巖區(qū)進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)與失穩(wěn)模式分析，通過三維數(shù)值模擬對(duì)危巖體的運(yùn)動(dòng)過程、運(yùn)動(dòng)軌跡、沖擊能量等進(jìn)行分析。研究表明：該場(chǎng)地危巖可劃分為強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)、中等發(fā)育區(qū)和高位巖堆區(qū)等3個(gè)分區(qū)，巖體破壞以拉裂-傾倒式和剪切-滑移式為主；失穩(wěn)巖體主要沿坡面溝槽向下運(yùn)動(dòng)，顆粒的最大運(yùn)動(dòng)速度接近40 m/s，對(duì)下方公路構(gòu)造物危害嚴(yán)重；綜合分析表明危巖Ⅱ區(qū)受高位危巖及松散巖堆崩落影響最小，適宜路線方案通行。研究成果可為峽谷山區(qū)公路及水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中遇到的高陡崩塌識(shí)別與評(píng)價(jià)提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：高位危巖； 無(wú)人機(jī)傾斜攝影； 高陡邊坡； 崩塌； 川西高原

中圖法分類號(hào)： P231；U456.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.016

0 引 言

崩塌是指陡峻斜坡上的巖土體在長(zhǎng)期的重力作用下，向臨空面方向彎曲、傾倒，最終發(fā)生斷裂、碎裂，并向坡下快速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象［1］。中國(guó)西南地區(qū)以山地為主，河谷深切、邊坡高陡。高陡邊坡巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在長(zhǎng)期重力、降雨、地震等因素作用下，易形成危巖及崩塌落石災(zāi)害，是危害區(qū)域公路、水電等基礎(chǔ)設(shè)施的主要危害因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，G318沿線崩塌、滑坡及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害共1 212處，其中崩塌約210處占17.3%［2］；川藏鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害2 130處，其中崩塌418處占19.6%［3］。陡坡危巖體分布位置高、調(diào)查識(shí)別困難。高位危巖體發(fā)生突然、運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，分析預(yù)測(cè)和防治難度大。

由于危巖體往往分布位置高陡，傳統(tǒng)調(diào)繪手段不僅難度大而且風(fēng)險(xiǎn)高。隨著小型無(wú)人機(jī)的普及與運(yùn)用，快速、有效且安全的調(diào)繪與識(shí)別手段也越來(lái)越豐富，不僅能獲取高分辨率的影像資料，而且通過傾斜攝影技術(shù)能建立全方位的數(shù)字地表三維模型，從而獲取崩塌危巖體高精度的三維空間數(shù)據(jù)，使外業(yè)調(diào)查具有高效、全面、安全、靈活、直觀等特點(diǎn)。如程強(qiáng)等［4］采用無(wú)人機(jī)低空攝影輔助調(diào)查，查明了陡坡危巖體和坡頂變形體的地質(zhì)特征，并獲取了邊坡巖體結(jié)構(gòu)和災(zāi)害體幾何特征等信息；黃海寧等［5］通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行三維實(shí)景建模，并基于三維點(diǎn)云模型，采用最小二乘法進(jìn)行平面擬合，提取主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀；王棟等［6］探討無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)在超高位危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及勘查技巧，并提出危巖體結(jié)構(gòu)面組合體積測(cè)量法；陳昌富等［7］提出了基于無(wú)人機(jī)貼近攝影和聚類算法的高陡邊坡結(jié)構(gòu)面自動(dòng)識(shí)別方法。

對(duì)于崩塌運(yùn)動(dòng)特征的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用數(shù)值模擬的方法。其中，二維模擬具有模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量少、計(jì)算迅速等特點(diǎn)。RockFall是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)的二維軟件，并被廣泛運(yùn)用于模擬滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡及沖擊能量。例如崔凱等［8］運(yùn)用Rocfall軟件分析賀蘭口巖畫34處孤石失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過程和能量變化，為賀蘭口巖畫保護(hù)區(qū)落石災(zāi)害的源頭治理提供了新的途徑與參考；謝金等［9］利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影并結(jié)合Rockfall對(duì)4個(gè)危巖體的崩落運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)危巖體發(fā)生崩塌破壞后滾石會(huì)對(duì)坡腳房屋和公路造成破壞。此外，極限平衡法和二維離散元UDEC 6.0模擬軟件也被黃建等用于九寨溝景區(qū)熊貓海上游右岸危巖的穩(wěn)定性計(jì)算［10］。但二維模擬僅限于某一方向上運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，具有一定局限性。三維模擬能在三維空間上模擬崩塌運(yùn)動(dòng)過程，結(jié)果更加符合實(shí)際，這方面的軟件有Rockyfor3D、Unity3D［11-14］等。其中，王豪等［15］在Unity3D 平臺(tái)上研發(fā)了大規(guī)模崩塌運(yùn)動(dòng)過程模擬軟件，再現(xiàn)崩塌墜落-撞擊-碎裂-堆積的全過程；王頌等［16］利用Rockyfor3D軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，獲得了崩塌的影響范圍和到達(dá)概率、優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)路徑以及優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)路徑下危巖區(qū)塊石距坡面的高度和動(dòng)能，對(duì)崩塌塊石的優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并有效評(píng)估了崩塌的影響范圍。

本文以四川省康定榆林至新都橋高速公路桑達(dá)隧道進(jìn)口上方的高位危巖為研究對(duì)象，通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取了崩塌區(qū)域的高分辨率數(shù)字地表模型，對(duì)危巖區(qū)域進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)及機(jī)理分析，以三維離散元軟件EDEM對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析，結(jié)合Rockfall進(jìn)行崩塌軌跡與沖擊能量的預(yù)測(cè)，為危巖體下方擬建公路的方案選擇及防治工程設(shè)計(jì)提供了較科學(xué)合理的數(shù)據(jù)支持和參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

康定榆林至新都橋高速公路（以下簡(jiǎn)稱“康新高速”）位于四川省甘孜藏族自治州康定市境內(nèi)（見圖1），是川藏南線進(jìn)藏大通道的組成部分。路線全長(zhǎng)約79.449 km，雙向四車道，路基寬度25.5 m，設(shè)計(jì)隧道8座，橋梁22座，橋隧比例65.1%。

1.2 地質(zhì)概況

該項(xiàng)目地處川西高原山地與東部盆地西緣山地接觸帶的大雪山中段，屬于深切割高山、極高山峽谷地貌，場(chǎng)區(qū)海拔2 800 ～4 962 m。區(qū)域地質(zhì)上，路線走廊帶跨越揚(yáng)子陸塊與松潘-甘孜造山帶的交界帶，工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造上屬于鮮水河NW向構(gòu)造帶，以東屬于龍門山NE向構(gòu)造帶，以南為川滇SN向構(gòu)造帶，場(chǎng)區(qū)構(gòu)造與臨近構(gòu)造帶組成“Y”字形構(gòu)造格局。場(chǎng)區(qū)處于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的地區(qū)，第四紀(jì)以來(lái)差異活動(dòng)顯著。近場(chǎng)內(nèi)發(fā)育有折多塘活動(dòng)斷裂、康定-色拉哈活動(dòng)斷裂、雅拉河活動(dòng)斷裂、玉農(nóng)?；顒?dòng)斷裂等多條活動(dòng)斷層（見圖1）。危巖研究區(qū)位于折多塘活動(dòng)斷層西南側(cè)約2.7 km。場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅸ度，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為 0.40 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.40g。

本文研究區(qū)位于四川省康定縣新光明村折多塘磨子溝左側(cè)陡坡處，溝谷呈深切“V”形，坡度35°～60°，場(chǎng)區(qū)海拔3 400～4 100 m，場(chǎng)區(qū)基巖地層為中生界燕山期黑云母花崗巖，坡頂緩坡處分布大量松散巖堆，陡坡處發(fā)育大量松弛危巖，坡表受落石沖擊形成多條小型落石槽，坡腳分布大量崩落塊石，塊石粒徑大者可達(dá)十余米，崩坡積層厚度大于30 m。于磨子溝左側(cè)陡坡處及溝口山咀處設(shè)計(jì)了B線、K線兩種路線方案，且均以隧道形式穿越危巖區(qū)（見圖2）。

2 無(wú)人機(jī)高清數(shù)字地表三維模型建立

2.1 基本原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過多個(gè)角度對(duì)地面情況進(jìn)行拍攝，獲得三維數(shù)據(jù)并真實(shí)反映地物的本來(lái)面貌，客觀地再現(xiàn)了地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性。該技術(shù)具有作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活、建?？旖菅杆?、成果精度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，完成傳統(tǒng)人工手段無(wú)法進(jìn)行的高陡邊坡危巖體調(diào)查工作［17-20］。通過數(shù)字地表三維模型，可快速獲取危巖體的三維空間信息，對(duì)塊體大小、結(jié)構(gòu)面、張拉裂縫等進(jìn)行識(shí)別與測(cè)量。并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步搭建三維數(shù)值模擬的模型，模擬危巖體的運(yùn)動(dòng)過程，分析其運(yùn)動(dòng)特征。

2.2 建模過程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影包括野外像控點(diǎn)布置→航線規(guī)劃→內(nèi)業(yè)處理等步驟構(gòu)成。相控點(diǎn)一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置3～5個(gè)，并以災(zāi)害體為中心，覆蓋災(zāi)害體及周邊關(guān)注區(qū)域?yàn)橐?。航線規(guī)劃采用蛇形走位，由于研究區(qū)域?yàn)槎妇徑Y(jié)合組合坡體，根據(jù)實(shí)際情況將鏡頭方向從0°逐漸增加到90°（按15°或30°的間隔沿水平航線逐條增加），且需保證相片的航向重疊率至少在80%以上，旁向重疊率70%以上（見圖3）。內(nèi)業(yè)處理采用ContextCapture圖形軟件進(jìn)行三維實(shí)景模型建模，該軟件通過“導(dǎo)入照片-添加控制點(diǎn)-空中三角測(cè)量-模型生產(chǎn)-模型輸出”等步驟，逐一實(shí)現(xiàn)數(shù)字建模。

基于數(shù)字三維實(shí)景模型，可方便地于室內(nèi)對(duì)危巖區(qū)主要結(jié)構(gòu)面、裂隙延伸、塊體尺寸等空間三維信息進(jìn)行提取，而且測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)別，對(duì)于危巖崩塌調(diào)查分析具有便捷、安全、高效等特點(diǎn)。本次航拍通過大疆無(wú)人機(jī)御pro，經(jīng)過4個(gè)航飛架次，采集照片541張，模型尺寸1 038 m×1 107 m×917 m，分解為36個(gè)瓦片，生成的三維數(shù)字模型見圖4。

3 危巖體識(shí)別及分區(qū)

3.1 巖體結(jié)構(gòu)面特征識(shí)別

基于三維數(shù)字模型，可快速方便地量取典型危巖體以及巖堆塊石的空間尺寸（見圖5）。場(chǎng)區(qū)巖質(zhì)均由花崗巖構(gòu)成，危巖塊體大者體積達(dá)1 310 m3；坡頂高位巖堆粒徑一般3～8 m，最大粒徑11 m，體積201 m3；坡腳堆積塊石粒徑多以1.5～3.0 m 為主，巨型塊石粒徑大者可達(dá)近20 m，崩落解體后最大體積可達(dá)698 m3。

基于識(shí)別的巖體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)，可獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，巖體內(nèi)主要發(fā)育5組結(jié)構(gòu)面，具體見表1。其中陡傾坡外卸荷裂隙最大張拉寬度可達(dá)3.8 m，充填巖塊或架空。

3.2 危巖體分布及分區(qū)

研究區(qū)整體高程在3 540～3 940 m之間，根據(jù)微地貌特征、危巖分布范圍及發(fā)育程度，可劃分為3個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)為危巖強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，Ⅱ區(qū)為危巖中等發(fā)育區(qū)，Ⅲ區(qū)為高位巖堆堆積區(qū)。危巖分區(qū)見圖6。

危巖強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)即Ⅰ區(qū)，海拔為3 540～3 840 m。其上部3 650～3 840 m為花崗巖陡崖危巖區(qū)，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，斜坡坡度在45°～60°之間，局部80°近直立，并發(fā)育陡傾危巖體；下部3 540～3 650 m為崩塌堆積區(qū)，平均坡度約35°，崩落塊體粒徑平均2～3 m，最大粒徑近20 m。微地貌上，受坡表松弛危巖及坡頂松散巖堆常年崩落沖擊，有5條小型沖溝逐漸發(fā)展為中型落石槽。該區(qū)域內(nèi)分布有7處較為明顯的危巖體，具體見表2。B線桑達(dá)隧道進(jìn)口位于2號(hào)落石槽附近。

危巖中等發(fā)育區(qū)域即Ⅱ區(qū)，位于山咀處，海拔3 500～3 760 m。其中上部（3 550～3 760 m）基巖裸露，平均坡度40°～60°，巖體完整性較好，但局部分布有陡傾危巖體，斜坡中上部分布有小規(guī)模巖堆；下部（3 500～3 550 m）為崩塌堆積區(qū)，平均坡度20°～30°，崩落塊石粒徑2～3 m，最大者可達(dá)10 m。該區(qū)域內(nèi)分布有3處較為明顯的危巖體，具體見表2。K線桑達(dá)隧道進(jìn)口位于山咀中部基巖陡崖處。

Ⅲ區(qū)為高位松散巖堆堆積區(qū)，高程3 818～3 924 m，并位于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之上，斜坡坡度25°～35°，為高位崩落或原位解體的松散塊石，厚約5～10 m，塊石粒徑1～3 m，大者可達(dá)近10 m，坡表穩(wěn)定性較差，在地震工況下易失穩(wěn)崩落。

3.3 危巖體破壞機(jī)制與模式

按照崩塌失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制，可分為傾倒式、滑移式、鼓脹式、拉裂式和錯(cuò)段式崩塌5種。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該危巖體的變形破壞模式為拉裂-傾倒式和剪切-滑移式，且以拉裂-傾倒模式為主，約占80%。

拉裂-傾倒破壞模式其后緣陡傾結(jié)構(gòu)面在自重、降雨、凍融等因素下擴(kuò)展，最終形成控制巖體穩(wěn)定性的主控結(jié)構(gòu)面。隨著斜坡變形體的應(yīng)力調(diào)整，后緣主控結(jié)構(gòu)面開始進(jìn)一步拉張破壞。此時(shí)坡體內(nèi)的一些原生陡傾結(jié)構(gòu)面追蹤主控結(jié)構(gòu)面發(fā)展。裂隙的張開也為雨水的入滲以及反復(fù)凍融作用提供了良好的通道。該破壞的演變過程可概括為變形體應(yīng)力調(diào)整階段—陡傾結(jié)構(gòu)面張拉擴(kuò)展階段—失穩(wěn)破壞階段（見圖7），典型模式見圖8。

剪切-滑移模式主要分布于主控結(jié)構(gòu)面傾向與坡向一致且傾角中緩部位。順坡向外傾結(jié)構(gòu)面被拉裂開，形成拉張裂縫，而具有一定連通率的順坡向緩傾角結(jié)構(gòu)面為主控結(jié)構(gòu)面。在后期的重力或者雨水浸潤(rùn)作用下使得陡傾角裂縫逐漸擴(kuò)張，巖體力學(xué)性質(zhì)降低，當(dāng)后緣切割的張拉性結(jié)構(gòu)面被切穿貫通，主控結(jié)構(gòu)面處的上覆巖體下滑力超過該面抗滑力時(shí)，一旦主控結(jié)構(gòu)面“巖橋段”被剪切貫通，巖體迅速崩落形成崩塌（見圖9）。這種失穩(wěn)模式多發(fā)育于順坡向軟弱結(jié)構(gòu)面斜坡中（見圖10），研究區(qū)均為硬質(zhì)巖體，因此該類破壞模式一般在外傾坡外的主控結(jié)構(gòu)面貫通情況下或強(qiáng)震工況下發(fā)生。

3.4 高位巖堆形成原因分析

研究區(qū)Ⅲ區(qū)分布大量松散高位巖堆，距離坡腳340～450 m，塊石粒徑1～3 m，大者可達(dá)近10 m，其是在強(qiáng)烈的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用與外部因素作用下綜合形成的。

一方面，場(chǎng)區(qū)構(gòu)造劇烈，巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體被其切割成塊狀-碎裂塊狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)山體高陡，地形切割強(qiáng)烈，卸荷及風(fēng)化作用明顯，控制性卸荷裂隙與巖體內(nèi)其他結(jié)構(gòu)面切割組合，形成不同結(jié)構(gòu)特征的危巖體，在重力、暴雨、風(fēng)化、卸荷作用下，加劇了危巖體的變形及破壞。另外一方面，研究區(qū)海拔高程3 400～4 100 m，為季節(jié)性凍土區(qū)。巖體中的拉張性結(jié)構(gòu)面以及卸荷裂隙面是地表水滲入并儲(chǔ)存的主要通道，隨著“水分滲（流）入結(jié)構(gòu)面→低溫成冰產(chǎn)生凍脹力→結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)展、貫通”的反復(fù)凍融作用，加劇了危巖體的發(fā)展，并導(dǎo)致巖體破碎，向臨空面發(fā)生崩塌或原位崩解。以上多種因素疊加綜合作用，導(dǎo)致高位斜坡分布了大量的松散巖堆。

場(chǎng)區(qū)處于Ⅸ度區(qū)，距離折多塘活動(dòng)斷層約2.7 km，因此場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較活躍，地震頻發(fā)。地震剪切波在堅(jiān)硬山體中存在一定放大效應(yīng)，受強(qiáng)烈的地震作用，坡表危巖體或松散巖堆易失穩(wěn)崩塌。

4 失穩(wěn)巖體運(yùn)動(dòng)特征模擬分析

4.1 變形過程模擬分析

為預(yù)測(cè)和評(píng)估桑達(dá)隧道進(jìn)口上部危巖崩塌體在地震作用下的運(yùn)動(dòng)過程及影響，采用離散元計(jì)算軟件EDEM對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析研究。EDEM是一款高級(jí)離散元方法通用仿真分析軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，分析顆粒體的一些基本物性，研究顆粒體微觀力學(xué)特性。

（1） 模型建立及參數(shù)。基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影生成的三維數(shù)字地表模型DEM，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口建立研究區(qū)的三維離散元模型。采用Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型進(jìn)行模擬，即將顆粒群黏結(jié)為一個(gè)巖石團(tuán)體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)受拉或者撞擊破壞后，巖石塊體結(jié)構(gòu)累積的應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，則認(rèn)為黏結(jié)鍵斷裂，破壞隨之發(fā)生。之后顆粒運(yùn)動(dòng)服從經(jīng)典的Hertz - Mindlin無(wú)滑動(dòng)模型，離散元計(jì)算的顆粒模型采用軟球模型，球體顆粒模型直徑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的堆積塊體直徑確定，因此球體顆粒直徑為3 m，共4 600個(gè)顆粒。危巖巖土體的計(jì)算參數(shù)是根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)和危巖防治原理中的恢復(fù)系數(shù)法取值綜合確定，見表3，模擬計(jì)算時(shí)間為65 s。

（2） 落石運(yùn)動(dòng)過程。其運(yùn)動(dòng)軌跡顯示：整個(gè)過程中，危巖體崩落的碎塊石運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為滾動(dòng)模式，高速運(yùn)動(dòng)并與坡面發(fā)生碰撞，碰撞后可短時(shí)間內(nèi)脫離坡面，再繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)（見圖11）。

從崩落顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑分布可以發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算時(shí)間10s時(shí)，顆粒流單元主要在B線隧道斜坡面運(yùn)動(dòng)，分布的WY1～WY4、WY6、WY7等危巖體崩落顆粒流對(duì)B線洞口構(gòu)成威脅。在計(jì)算時(shí)間20 s時(shí)，山頂上分布的堆積體崩落運(yùn)動(dòng)形成的顆粒流密集，其顆粒的最大運(yùn)動(dòng)速度接近40 m/s，對(duì)B線隧道洞口構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

同時(shí)B線斜坡崩落的碎屑顆粒流主要是沿著斜坡坡面分布的5條落石槽向下流動(dòng)，然后運(yùn)動(dòng)到坡腳位置堆積停留。通過顆粒流運(yùn)動(dòng)路徑模擬分析危巖體及堆積體沿落石槽發(fā)生崩落的概率：落石槽1發(fā)生崩落并沖擊洞口的概率為28.76%，落石槽2的概率為14.04%，落石槽3的概率為11.66%，落石槽4的概率為9.07%，落石槽5的概率為12.12%。因此，B線隧道洞口安全將特別受到落石槽1和落石槽2崩落顆粒的嚴(yán)重威脅。

對(duì)于K線方案來(lái)說，主要是WY8、WY9危巖體崩落的局部顆粒造成威脅，顆粒流稀疏，并且山頂Ⅲ區(qū)顆粒崩落后也從K線洞口斜坡較遠(yuǎn)處滾落，大部分巖體碎屑并不會(huì)對(duì)K線隧道口造成影響。K線洞口上方分布的小型松散顆粒規(guī)模有限，崩落時(shí)間主要發(fā)生于前20 s內(nèi)。

4.2 沖擊破壞模擬分析

對(duì)于危巖崩塌、滾落的運(yùn)動(dòng)軌跡及沖擊破壞模擬，采用Rockfall軟件進(jìn)行，其通過輸入一些與斜坡和落石相關(guān)的基本參數(shù)，模擬滾石在斜坡上的運(yùn)動(dòng)路徑、能量分布和彈跳高度等參數(shù)變化，從而為崩塌災(zāi)害的影響范圍研究和防護(hù)治理設(shè)計(jì)提供直觀有效的依據(jù)。

根據(jù)實(shí)際斜坡的情況和危巖體位置確定基本參數(shù)，危巖體大小根據(jù)三維數(shù)字模型量取的典型孤石大小作為模擬依據(jù)，模擬參數(shù)根據(jù)危巖防治原理中的恢復(fù)系數(shù)法取值確定，計(jì)算結(jié)果及相關(guān)參數(shù)見圖12和表4～5。

由模擬計(jì)算結(jié)果可看出：B線方案除了洞口受危巖影響外，連接隧道的橋梁大部分段落也將受落石崩塌影響，除了I區(qū)危巖外，還疊加有Ⅲ區(qū)高位巖堆失穩(wěn)崩落的影響，而且高位巖堆的沖擊能量是其他危巖沖擊破壞力的數(shù)倍，是研究區(qū)內(nèi)最大的危險(xiǎn)源之一；K線方案主要是隧道洞口和連接的橋臺(tái)部位受Ⅱ區(qū)斜坡中部小型巖堆及陡崖處危巖的威脅及影響，其沖擊破壞力為研究區(qū)內(nèi)最小，對(duì)路線方案影響可控。

因此，綜合研究區(qū)危巖發(fā)育特征及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，推薦K線方案，B線方案地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)大，不適宜路線通行。

4.3 防治建議

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、危巖運(yùn)動(dòng)過程模擬以及沖擊能量分析，對(duì)K線危巖區(qū)的處治采用“主、被動(dòng)結(jié)合防護(hù)，清理疏排”的綜合治理方案：

① 清除斜坡中上部表層松散巖堆，于坡口處設(shè)置弧形攔石排導(dǎo)墻及被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)；

② 爆破清除洞口上破碎巖體段松弛危巖，采用“掛網(wǎng)噴混凝土+墊墩錨索（桿）+兩道被動(dòng)網(wǎng)”的方案。

5 結(jié) 論

（1） 康新高速桑達(dá)隧道進(jìn)口危巖及高位巖堆發(fā)育，山高坡陡。通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立三維實(shí)景數(shù)字化模型，獲取巖體結(jié)構(gòu)空間信息，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)斜坡微地貌特征、危巖分布特征以及路線方案，將研究區(qū)內(nèi)劃分為強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)、中等發(fā)育區(qū)和高位巖堆區(qū)3個(gè)危巖分區(qū)。

（2） 研究區(qū)危巖體的變形破壞模式可分為拉裂-傾倒式和剪切-滑移式，且以拉裂-傾倒式為主。

（3） 通過對(duì)研究區(qū)危巖體及巖堆的運(yùn)動(dòng)過程及破壞沖擊力數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明K線方案優(yōu)于B線方案，其受高位巖堆及危巖崩落影響的范圍及沖擊力均有限可控。對(duì)K線危巖區(qū)建議采用“主、被動(dòng)結(jié)合防護(hù)，清理疏排”的綜合治理方案。

（4） 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影及數(shù)值模擬，對(duì)高位危巖區(qū)調(diào)查及評(píng)價(jià)的研究方法切實(shí)可行，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供了可靠地質(zhì)依據(jù)，也為同類型地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］張倬元，王士天，王蘭生，等.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，2009.

［2］崔鵬，鄒強(qiáng).川藏交通廊道山地災(zāi)害演化規(guī)律與工程風(fēng)險(xiǎn)［M］.北京：科學(xué)出版社，2021：69-74.

［3］郭長(zhǎng)寶，張永雙，楊志華，等.川藏鐵路沿線活動(dòng)斷裂與地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)調(diào)查研究［M］.北京：地質(zhì)出版社，2018：136-152.

［4］程強(qiáng)，董秀軍，余建華，等.典型高陡邊坡高位地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及評(píng)估［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，25（增1）：289-294.

［5］黃海寧，黃健，周春宏，等.無(wú)人機(jī)影像在高陡邊坡危巖體調(diào)查中的應(yīng)用［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2019，46（6）：149-155.

［6］王棟，鄒楊，張廣澤，等. 無(wú)人機(jī)技術(shù)在超高位危巖勘查中的應(yīng)用［J］. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（6）：754-759.

［7］陳昌富，何曠宇，余加勇，等.基于無(wú)人機(jī)貼近攝影的高陡邊坡結(jié)構(gòu)面識(shí)別［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，49（1）：145-154.

［8］崔凱，朱鵬，諶文武，等.賀蘭口巖畫載體落石危害及治理研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，28（4）：803-812.

［9］謝金，楊根蘭，覃乙根，等. 基于無(wú)人機(jī)與 Rockfall 的危巖體結(jié)構(gòu)特征識(shí)別與運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（1）：55-64.

［10］黃健，胡卸文，賀書恒.九寨溝景區(qū)熊貓海上游右岸危巖發(fā)育特征及失穩(wěn)機(jī)理分析［J］.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，40（2）：284-289.

［11］劉國(guó)陽(yáng).三維 DDA 接觸模型與邊坡滾石破壞規(guī)律研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2019.

［12］黎尤，何坤，胡卸文，等.震裂山體崩塌形成特征及運(yùn)動(dòng)學(xué)三維模擬：以汶川縣三官?gòu)R村崩塌為例［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2022，30（2）：542-552.

［13］鄧念東，代育朝.無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維全景技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（14）：41-42.

［14］劉福臻，李旭德，王軍朝，等.基于無(wú)人機(jī)和Rockfall Analyst 的崩塌落石特征分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬：以察雅縣崩塌落石為例［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2021，30（3）：171-180.

［15］王豪，黃健，黃祥，等.一種利用Unity3D模擬崩塌三維運(yùn)動(dòng)全過程的方法［J/OL］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）：1-10［2023-03-16］.https：∥doi.org/10.13203/j.whugis20210237.

［16］王頌，張路青，周劍，等.青藏鐵路設(shè)興村段崩塌特征分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，28（4）：784-792.

［17］劉海洋，王學(xué)良，李麗慧，等. 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在崩塌災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，82（6）：81-87.

［18］胡才源，章廣成，李小玲. 無(wú)人機(jī)遙感在高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2019，50（1）：136-140.

［19］席遠(yuǎn)飛，石巖，張琳先，等.利用無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行滑坡地形三維重建的研究［J］. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（10）：94-102.

［20］馬丹璇，張丙先，謝建波，等.無(wú)人機(jī)近景測(cè)量技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2021，42（10）：38-42.

（編輯：劉 媛）

Identification and numerical simulation analysis of unstable rock mass based on UAV tilt photography

YANG Xubo1，CHENG Qiang1，YUAN Jinke2，XIE Wei1，LEI Hang1

（1.Sichuan Highway Planning，Survey，Design and Research Institute Ltd.，Chengdu 610041，China； 2 School of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract： Rockfall occurring on high and steep slopes is a major geological disaster in canyon area，which is characterized as high altitude distribution and strong emergency，seriously affecting the safety of project construction in the area.In this paper，the high altitude unstable rock mass at the entrance of Sangda Tunnel on the Yulin-Xinduqiao Expressway in western Sichuan Province was taken as an example.The 3D model and digital terrain model were generated based on the oblique photography technology.The geological and terrain spatial information of high-altitude unstable rock mass were obtained and the zoning evaluation as well as instability mode analysis were carried out.The motion process，motion trajectory and impact energy of unstable rock mass were simulated and analyzed through numerical simulation.The results indicated that the unstable rock mass in the research site could be divided into three zones，namely，strong developed zone，medium developed zone and high rock accumulation area.The failure types of rock mass were mainly split-dumping type and shear-slipping type.The unstable rock mass mainly moved down along the slope groove.The maximum velocity of particles was close to 40 m/s，which seriously threatened the highway structure below.The comprehensive analysis indicated that the zone II was affected least by high-altitude unstable rock mass and collapse of loose rock in the accumulation area，so it was suggested as a route scheme.The research results can provide references for identification and evaluation of high and steep collapse in the construction of highway and hydropower stations in canyons and mountainous areas.

Key words： high altitude unstable rock mass；UAV tilt photography；high steep slope；collapse；plateau of western Sichuan Province

收稿日期：2022-03-24

基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目“高原山區(qū)坡面動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害新型防治構(gòu)造物及設(shè)計(jì)方法研究”（2022YFG0141）

作者簡(jiǎn)介：楊緒波，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事公路工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)工作。 E-mail：26882767@qq.com