禹門口隧道洞口崩塌災(zāi)害危險性評價

摘 要：【目的】位于中國山西的禹門口隧道在建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)隧道口上方的陡崖存在較多巖石崩塌掉落現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅浩吉鐵路的正常運行。為保護工程區(qū)域，需進行巖崩災(zāi)害綜合分析?！痉椒ā坷肦ocPro3D理論及方法結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，運用無人機高精度航拍影像數(shù)據(jù)，對發(fā)現(xiàn)的64個危巖體失穩(wěn)問題進行數(shù)值模擬研究，分析危巖體的三維運動路徑、速度、彈跳高度、頻率和停駐點等參數(shù)。構(gòu)建了上述4個參數(shù)作為評價因子的崩塌危險性評價模型?！窘Y(jié)果】研究區(qū)域的橋梁錨錠和橋隧工程區(qū)的危險性都處于中等及以上水平，而龍虎公路受影響段的危險性則在低至高之間?！窘Y(jié)論】模擬結(jié)果與實際調(diào)查相結(jié)合，可為選擇崩塌落石防治措施提供合理依據(jù)。

關(guān)鍵詞：危巖體；數(shù)值模擬；RocPro3D；危險性評價

中圖分類號：P642.21 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0101-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.021

Risk Assessment of Collapse Disaster at the Entrance of

Yumenkou Tunnel

ZHANG Zhenjiang1 ZHOU Fengming2 LUO Gan3

（1. Inner Mongolia Hohhot Pumped Storage Power Generation Co.， Ltd， Hohhot 010000，China;

2. Nanyang Yuzi Investment Development Co.， Ltd， Nanyang 473000，China；3. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045，China）

Abstract： [Purposes] During the construction process of the Yumenkou Tunnel located in Shanxi， China， it was discovered that there were many rock collapses and falls on the steep cliffs above the tunnel entrance， seriously threatening the normal operation of the Haoji Railway. In order to protect the engineering area， a comprehensive analysis of rock collapse disasters was conducted. [Methods] Combing with on-site investigations and high-precision aerial imaging data from drones， this study utilized RocPro3D theory and methods to conduct numerical simulation studies on 64 unstable rock masses discovered. The three-dimensional motion path， velocity， bounce height， frequency， and stopping point parameters of the hazardous rock masses were analyzed. A collapse risk assessment model was constructed using the above four parameters as evaluation factors. [Findings] The danger level of bridge anchors and bridge tunnel engineering areas in the study area is at a moderate or above level， while the danger level of the affected section of the Longhu Highway is between low and high. [Conclusions] The combination of simulation results and actual investigation provides a reasonable basis for selecting prevention and control measures for collapse and rockfall.

Keywords： dangerous rock mass; numerical simulation; RocPro3D; hazard assessment

0 引言

崩塌是一種多在山區(qū)山體斜坡發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性、不可預(yù)測性和運動過程的隨機性。破碎的巖石在脫離母巖后，受重力作用，沿著臨空面交替進行自由落體、滾動和滑動［1］。在這一過程中，巖石通常具有高速度和巨大能量，會對其運動路徑上的動植物和建筑物造成嚴(yán)重損害［2］，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施破壞、交通中斷，甚至造成人員傷亡。因此，對高頻崩塌區(qū)進行崩塌危險性評價具有重要意義［3-4］。

危險性評價是對引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性和危害程度進行估量的過程［5］。劉洪江等［6］使用GIS擴展模塊Rockfall Analyst獲取了崩塌塊石的運動學(xué)參數(shù)，并據(jù)此進行了崩塌的危險性評價。劉曉然等［7］提出了可變模糊集評價方法，綜合考慮了15個評價因子，用于評估地震引發(fā)的崩塌危險性。齊洪亮等［8］建立了連陰雨誘發(fā)公路崩塌類災(zāi)害區(qū)域的危險性評價模型，該模型基于區(qū)域影響因素疊加理論。Guzzetti［9］、Jiang［10］則從落石動能、崩落頻率和危巖破碎程度等3個角度構(gòu)建了崩塌災(zāi)害的危險性評價體系。

本研究首先使用RocPro3D軟件構(gòu)建禹門口崩塌模型，模擬了崩塌落石的運動軌跡特征。其次對巖崩塊的能量、速度、頻率、運動高度及停積點進行了分析，預(yù)測了崩塌的運動軌跡。最后對區(qū)域進行了崩塌危險性評價，為崩塌地質(zhì)災(zāi)害的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于晉陜交界處的禹門口地區(qū)，蒙華鐵路從此經(jīng)過。在隧道及大橋的建設(shè)過程中，大量塊石的崩塌給蒙華鐵路建成后的正常運營造成巨大的威脅。

1.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)的危巖體主要來自奧陶系中統(tǒng)峰峰組及上馬家溝組灰?guī)r巖層（O2f），峰峰組地層整合于上馬家溝組之上，分布于隧道洞頂以上，該組地層內(nèi)為巨厚層狀灰?guī)r與角礫狀泥灰?guī)r互層，揭露高程為475～600 m。上馬家溝組地層主要為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾角礫狀泥灰?guī)r，揭露高程450～475 m。由于層狀灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r的軟硬差異及其風(fēng)化性差異，在研究區(qū)形成了3個高程不同的陡崖，較大的高差及較陡的坡度為危巖體的形成提供了條件。危巖體主要由兩組剪節(jié)理擴張形成，分別為節(jié)理1：90°～110°∠80°～85°，節(jié)理2：170°～210°∠85°～90°。

1.2 危巖帶分布

研究區(qū)整體海拔高度為450～600 m，坡度整體為40°～50°，北東向高，南西向低，整體呈半漏斗狀。主要有危巖帶、隧道口、鐵路大橋橋臺及各危巖帶之間的斜坡，其中隧道口及龍門大橋橋臺位于“漏斗”下部，危巖體則主要分布于“漏斗”上部。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，研究區(qū)危巖體分布如圖1所示。其中，3個不同海拔高度由灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r風(fēng)化侵蝕形成的陡崖帶，即對應(yīng)的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)危巖帶如圖1（a）所示。危巖帶上已經(jīng)形成較多危巖體如圖1（b）所示，危巖帶之間的斜坡坡面上則堆積有較多塊石［11］。

Ⅰ區(qū)危巖帶是位于研究區(qū)頂部的海拔高度為530～595 m的峰峰組灰?guī)r陡崖帶。由于該危巖帶的底部是抗風(fēng)化能力更差的角礫狀泥灰?guī)r，該危巖帶底部可以看到已經(jīng)形成較多溶蝕凹腔。該區(qū)危巖帶長超過200 m，是崩塌塊石影響橋隧工程區(qū)主要的物源區(qū)；Ⅱ區(qū)危巖帶是位于研究區(qū)中部的海拔高度為478～502 m的峰峰組白云質(zhì)灰?guī)r陡崖帶，長約175 m；Ⅲ區(qū)危巖帶位于研究區(qū)下部的隧道口上方的海拔高度為450～465 m的上馬家溝組白云質(zhì)灰?guī)r陡崖帶。

危巖帶內(nèi)共有64個危巖體，單個危巖體體積在4～1 500 m3，危巖體總體積約6 000 m3，危巖帶總體積約為1.2×105 m3。其中Ⅰ區(qū)危巖帶分布40塊危巖體，Ⅱ區(qū)危巖帶分布10塊危巖體，Ⅲ區(qū)危巖帶分布9塊危巖體，各危巖帶之間的斜坡上分布5塊危巖體。

2 崩塌危巖體運動軌跡的數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建方法

首先使用無人機航拍和其他測量技術(shù)獲得初始地形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；其次將這些點坐標(biāo)數(shù)據(jù)被導(dǎo)入RocPro3D軟件構(gòu)建三維點云模型，通過點云數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)格并構(gòu)建三維網(wǎng)格模型；最后將網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為面，構(gòu)建初始的三維崩塌模型。

2.2 崩塌模型及計算參數(shù)賦值

本研究目的是通過測量手段獲得高精度的地形數(shù)據(jù)，并建立一個三維數(shù)據(jù)模型。通過現(xiàn)場調(diào)查確定崩塌危巖體的形態(tài)特征和坡面分布情況，從陡崖頂?shù)狡履_居民區(qū)將坡面性質(zhì)分為灰?guī)r區(qū)和軟土區(qū)兩個部分。根據(jù)坡面調(diào)查，不同物質(zhì)組分的坡面參數(shù)賦予數(shù)值見表1。利用 RocPro3D 軟件模擬禹門口隧道口崩塌中石塊的運動軌跡特征。

表1 坡面參數(shù)

[參數(shù) 灰?guī)r區(qū) 軟土區(qū) 法向碰撞恢復(fù)系數(shù) 0.51 0.31 切向碰撞恢復(fù)系數(shù) 0.89 0.82 碰撞回彈垂直偏差角/（°） 20 13 碰撞回彈水平偏差角/（°） 10 10 摩擦系數(shù) 0.5 0.55 ]

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及運動特征分析

研究區(qū)整體呈圈椅狀，高差約200 m。其中Ⅰ區(qū)危巖帶是面abejbVIbd+/F9bjVlKMrC24tV8utRE5zHLdnyNDYeos=積最大、高差最大、海拔最高的，也是最具威脅的危巖帶。Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的危巖體海拔相對較低，范圍較小，主要影響的區(qū)域是下方的龍虎公路。將確定的各參數(shù)導(dǎo)入軟件進行模擬，得到落石的運動軌跡（如圖2所示）。模擬結(jié)果顯示，Ⅰ區(qū)危巖體發(fā)生崩塌后，落石經(jīng)過自由落體、跳動和滾滑動后主要集中在坡面上的5條沖溝。其中3條沖溝的崩塌塊石在隧道口處匯聚，隧道口將承受超過半數(shù)落石的直接撞擊。龍門大橋橋臺處將承受超過90%崩塌塊石的撞擊，而龍虎公路的一段將受到Ⅰ區(qū)危巖帶崩塌落石的撞擊。這意味著發(fā)生崩塌事件時，橋隧工程區(qū)的隧道口和大橋?qū)⒊惺茏畲蟮膿p害概率，龍虎公路的損害概率次之。

在海拔較高、坡度較大的斜坡處，落石主要進行跳動、滾動和滑動運動，停止在坡面的塊石很少。而在海拔較低、坡面平緩的龍虎公路和橋臺處，落石在長時間運動后動能大多已消耗殆盡。此處平緩的地形為落石停止保持穩(wěn)定提供了條件，因此，有高達70%的崩塌塊石會在此處停止。動能較大的崩塌塊石會沖出平緩地形，最終墜入龍虎公路下方的黃河，這與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果基本吻合。

軟件中計算得到的高度、軌跡頻率、速度和停滯點數(shù)量的柵格圖如圖3所示。由圖3可知：①落石的最大高度為33.71 m，這是由于Ⅰ區(qū)危巖帶高差較大，危巖體崩塌時與地面之間存在較大的高差。落石經(jīng)過橋隧工程區(qū)和龍虎公路時，高度普遍在0～15 m，其中經(jīng)過隧道口和龍虎公路的落石高度在10～15 m。②位于橋臺處的柵格中，落石軌跡的最大頻率為56.07%，而坡面上的沖溝內(nèi)落石的軌跡頻率則在10%～30%。③落石的最大速度可達到56.35 m/s，但當(dāng)落石運動到橋隧工程區(qū)和龍虎公路時，速度通常在10～30 m/s。④停在橋臺處的落石最多達到 2 373個，其他的落石則零散地停留在坡面、龍虎公路或者墜入黃河。

3 危險性評價

危險性評價的第一步是將巖崩危險性等級重新劃分為5個等級。在每個DTM網(wǎng)格中，將通過網(wǎng)格的巖崩軌跡之和除以所有巖崩軌跡之和來計算巖崩軌跡頻率（FR）?？臻g頻率表示巖崩塊體的主要運動路徑，代表巖崩災(zāi)害的空間分布。通過在95% （CL-95%）置信限下計算和重新分類巖崩柵格的動力學(xué)數(shù)據(jù)，可以生成巖崩柵格速度（VR）和巖崩柵格彈跳高度（HER），巖崩柵格危險性（HAR）是空間頻率、速度和高度的組合［9-10］。在實際運動過程中，落石在經(jīng)歷一段時間的運動過程后，往往會在速度趨于0時停在能夠受力平衡的位置，道路等工程建筑往往是巖石接觸或者停止的位置，此時將會造成交通堵塞、影響設(shè)施運作的嚴(yán)重后果，因此本研究在Guzzetti［9］與Jiang［10］提出的方法的基礎(chǔ)上，增加了巖崩柵格停駐止點（SR）作為落石危險性評價的因子，計算公式見式（1）。各因子的等級劃分見表2。

[HAR=FR+HER+VR+SR] （1）

得到高度、軌跡頻率、速度及停留止點柵格包絡(luò)值后，統(tǒng)計各5 m×5 m柵格的4項評價因子的數(shù)據(jù)。根據(jù)表2進行等級評價，再通過式（1）計算得到最終的危險性值。研究區(qū)危險性分布如圖4所示。由圖4可知，研究區(qū)中橋梁錨碇和橋隧工程區(qū)域的危險性都在中等以上。在危巖帶的正下方和斜坡上的沖溝由于落石聚積，危險性相對較高。龍虎公路受影響段的危險性在低至高之間變化，而位于坡面沖溝溝口段的危險性高于其他路段。最終得到的危險性分區(qū)能夠為實際工程治理防護措施的設(shè)置提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究通過現(xiàn)場勘驗和基礎(chǔ)地質(zhì)資料分析了危巖體的形成機制，使用RocPro3D軟件模擬了64塊危巖體失穩(wěn)后的運動軌跡，并計算了幾何動力學(xué)柵格數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)作為評價因子對工程區(qū)域的危險性進行評估，結(jié)論如下。

①禹門口隧道上方的危巖帶中的64塊危巖體，在脫離母巖后，超過90%的塊石會撞擊到橋隧工程區(qū)，超過70%的塊石最終會停在龍虎公路及橋臺處。

②使用RocPro3D軟件模擬危巖體的崩塌可以獲取崩塌速度、高度、頻率和停駐止點等關(guān)鍵因子，這些因子可以作為崩塌災(zāi)害危險性評價的指標(biāo)。

③對于禹門口隧道地區(qū)的崩塌危險性評價結(jié)果表明，研究區(qū)中的橋梁錨錠和橋隧工程區(qū)內(nèi)的危險性都在中等及以上。其中，位于危巖帶正下方位置和斜坡中沖溝的位置的危險性較坡面普遍要高。龍虎公路受影響段的危險性在低至高之間，位于坡面沖溝溝口段的危險性高于其他路段。

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收稿日期：2024-02-04

基金項目：水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室開放研究基金資助項目（PKLHD202203）。

作者簡介：張振江（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：安全管理。

通信作者：周峰明（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向：工程建設(shè)管理。