賀 鵬，劉 奇，王 通，黃 為，劉先峰，5

(1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031； 4.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031； 5.新疆工程學(xué)院土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830091)

引言

落石為較陡邊坡上的單個(gè)或局部巖體，在地質(zhì)作用以及外界作用的綜合影響下，失穩(wěn)脫離邊坡，以墜落、跳躍、滾動(dòng)或滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式中的一種或幾種的組合快速向下運(yùn)動(dòng)[1]。隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的發(fā)展，逐漸由東部平原地區(qū)向中西部地形復(fù)雜的高邊坡山區(qū)修建，山區(qū)存在的崩塌落石現(xiàn)象隨時(shí)威脅著鐵路安全。危巖落石已成為威脅我國(guó)鐵路安全的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。因此，研究落石在邊坡坡面上的運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度及沖擊能量，為防護(hù)措施的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，對(duì)落石災(zāi)害的防治具有重要意義。

針對(duì)危巖落石災(zāi)害問題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。楊少軍等[2]結(jié)合危巖落石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)橋梁工程防治危巖落石設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討；吳紅剛等[3]基于模型試驗(yàn)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)面及不同形態(tài)的危巖體進(jìn)行了碰撞試驗(yàn)，研究了落石結(jié)構(gòu)面對(duì)坡面沖擊的不同作用影響；何思明等[4-7]針對(duì)崩塌滾石災(zāi)害的力學(xué)機(jī)理及落石在坡面上的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，揭示了落石在坡面上的回彈規(guī)律，并提出了崩塌滾石災(zāi)害防治的關(guān)鍵技術(shù)；SPADARI等[8]對(duì)澳大利亞新南威爾士的滾石開展了原位坡面試驗(yàn)，研究了滾石在坡面上的運(yùn)動(dòng)特性；BUZZI[9]等基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)落石在邊坡上的回彈恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行了研究；ASTERIOU[10]等研究了地質(zhì)條件和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)落石恢復(fù)系數(shù)的影響；蔣敦榮等[11]利用數(shù)值模擬研究了不同工況下落石沖擊拱形明洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征；王東坡等[12]對(duì)彝良地震誘發(fā)的崩塌、落石等災(zāi)害特征進(jìn)行了調(diào)查，為災(zāi)后重建提供了支持。

危巖落石前期勘察能夠?yàn)槲r落石的分析與治理提供準(zhǔn)確的影像信息，其中，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確、迅速、高效地獲取正射影像信息，并進(jìn)行地形圖繪制，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，具有工期短，成本低，能適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境的優(yōu)勢(shì)[13]。隨著計(jì)算電子技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影在露天煤礦、復(fù)雜山區(qū)、農(nóng)村拆遷、城市建設(shè)等[14-21]諸多領(lǐng)域受到越來越多的應(yīng)用，為工程技術(shù)人員的勘察提供了便利。雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)危巖落石災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，但較少與先進(jìn)的工程勘察技術(shù)(無人機(jī)傾斜航空攝影、激光三維掃描技術(shù)等)相結(jié)合。

以黔張常鐵路為依托，通過無人機(jī)傾斜航空攝影及實(shí)景三維建模技術(shù)獲取邊坡坡型，研究位于張家界禾家村車站工點(diǎn)邊坡的落石運(yùn)動(dòng)特性，為危巖落石防治措施的修建及改造提供數(shù)據(jù)支持，為類似工程中危巖落石的勘察研究提供借鑒。

1 工程概況

新建黔江至張家界至常德鐵路位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶，線路自渝懷鐵路黔江站引出東行，沿途經(jīng)重慶市、湖北省、湖南省，鐵路正線長(zhǎng)336.3 km。沿線地形起伏較大，巖壁陡峻，基巖出露，地層為第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、細(xì)(粗)圓礫土，下伏基巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖夾砂巖。地質(zhì)災(zāi)害突出，其中，以危巖落石不良地質(zhì)對(duì)線路的危害較為嚴(yán)重。工點(diǎn)位于張家界禾家村車站內(nèi)，地貌屬低山山麓及澧水寬谷區(qū)，山坡坡度較陡，一旦發(fā)生落石，會(huì)給鐵路安全帶來嚴(yán)重威脅。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

張家界禾家村車站工點(diǎn)山體陡峻，人員無法登臨調(diào)査，因此，采用無人機(jī)傾斜航空攝影手段對(duì)線路右側(cè)山體進(jìn)行調(diào)査。航攝作業(yè)區(qū)域?yàn)楹鲜埣医缡杏蓝▍^(qū)東禾家村，坐標(biāo)29°10′25.75″，110°37′36.93″，面積約1.1 km2。測(cè)量區(qū)域范圍示意如圖1所示，其中，紅色區(qū)域?yàn)闄C(jī)場(chǎng)限高區(qū)，需控制無人機(jī)飛行高度。

圖1 測(cè)量區(qū)域示意(紅色為機(jī)場(chǎng)限高區(qū))

2.1 外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)

通過布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)，滿足1∶500航測(cè)制圖精度，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供像片控制數(shù)據(jù)。布設(shè)間隔為200 m左右1個(gè)點(diǎn)，測(cè)區(qū)共布設(shè)約30個(gè)像控點(diǎn)，采用中海達(dá)RTK聯(lián)合千尋Cors基站的方式進(jìn)行測(cè)量，獲取外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)信息，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及建模提供精度依據(jù)。像控點(diǎn)布測(cè)如圖2所示。

圖2 布測(cè)像控點(diǎn)

2.2 無人機(jī)航空攝影

判斷作業(yè)當(dāng)天的天氣條件，包括光照、能見度及風(fēng)速，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行航攝飛行。整個(gè)測(cè)區(qū)共布設(shè)20條航線，分5個(gè)飛行架次完成。車站起降點(diǎn)3個(gè)架次，山頂2個(gè)架次。每個(gè)飛行架次約30 min。影像分辨為2～3 cm，滿足優(yōu)于3 cm。整個(gè)飛行共獲取10 528張影像，影像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和。能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像；能夠建立清晰的立體模型。影像上沒有云、云影、煙、大面積反光、污點(diǎn)等缺陷。利用影像預(yù)處理軟件對(duì)所拍攝航片進(jìn)行影像畸變差改正，輸出TIFF影像數(shù)據(jù)，GPS曝光點(diǎn)坐標(biāo)等相關(guān)信息。像片傾角一般不大于5°，最大不超過12°，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。特別困難地區(qū)一般不大于8°，最大不超過15°，出現(xiàn)超過10°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。在現(xiàn)場(chǎng)車站起降3個(gè)架次，在山頂起降2個(gè)架次，其拍攝現(xiàn)場(chǎng)分別如圖3、圖4所示。

圖3 車站起降3個(gè)架次

圖4 山頂起降2個(gè)架次

3 實(shí)景三維建模關(guān)鍵技術(shù)

通過無人機(jī)傾斜航空攝影采集的數(shù)據(jù)，可利用ContextCapture軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模，對(duì)工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行還原，為現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取提供基礎(chǔ)。

3.1 多視影像聯(lián)合平差

ContextCapture軟件中多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還包括傾斜攝影數(shù)據(jù)。因此，多視影像聯(lián)合平差需充分考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束發(fā)平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配成果。ContextCapture軟件中多視影像聯(lián)合平差示意如圖5所示。

圖5 多視影像聯(lián)合平差

3.2 多視影像密集匹配

多視影像具有覆蓋范圍大、分辨率高的特點(diǎn)。由于單獨(dú)使用一種匹配基元或匹配策略往往難以獲取建模需要的同名點(diǎn)，因此，近些年來隨著計(jì)算機(jī)視覺發(fā)展起來的多基元、多視影像匹配逐漸成為研究重點(diǎn)。例如，建筑物側(cè)面的自動(dòng)識(shí)別與提取，通過搜索多視影像上的特征如建筑物邊緣、紋理，來確定建筑物的二維矢量數(shù)據(jù)影像上不同視角的二位特征，可以轉(zhuǎn)化為三維特征。通過對(duì)側(cè)面進(jìn)行三維重構(gòu)，提取建筑物的高度和輪廓。傾斜實(shí)景三維建模原理如圖6所示。

圖6 傾斜實(shí)景三維建模原理

3.3 三維數(shù)字表面模型生成及紋理映射

視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型(DSM)，在獲取高密度數(shù)字表面模型后，進(jìn)行濾波處理，并將不同單元融合形成統(tǒng)一的DSM。同時(shí)，在多視影像上通過影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取像方的語(yǔ)義信息，再經(jīng)過密集匹配建立物方和像方同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，繼而建立全局優(yōu)化采樣策略和顧及幾何輻射特征的聯(lián)合影像糾正，整體勻光處理，將紋理表面信息映射到模型上，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型的重構(gòu)。利用ContextCapture軟件得到的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景三維模型效果如圖7所示。

圖7 實(shí)景三維模型

4 工點(diǎn)邊坡斷面的獲取

通過對(duì)禾家村車站工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)的拍攝，利用實(shí)景三維建模關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)的實(shí)景還原。三維實(shí)景模型可輸出.stl的格式數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為密集點(diǎn)云，具備高精度的三維坐標(biāo)信息。將獲取的點(diǎn)云導(dǎo)入3DReshaper軟件中可提取斷面信息，得到邊坡坡面形狀、坡高、斜率等信息。將點(diǎn)云導(dǎo)入到3DReshaper軟件中的示意如圖8所示。

圖8 點(diǎn)云在3DReshaper軟件中的示意

3DReshaper是一款專門用于點(diǎn)云處理、3D網(wǎng)格、3D檢測(cè)、多線、CAD曲面等的軟件。將點(diǎn)云導(dǎo)入到3DReshaper軟件后，由于點(diǎn)云的坐標(biāo)與后續(xù)利用Rocfall分析軟件中的坐標(biāo)不一致，因此，需進(jìn)行一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。3DReshaper軟件中有專門的地面提取功能，可模擬得到三維邊坡的地面信息以及陡峭的巖石山崖斷面。然后，利用軟件中的斷面提取器可以提取到二維.dxf格式的邊坡斷面，為后續(xù)邊坡落石軌跡的計(jì)算提供基礎(chǔ)。通過地面提取器獲得的斷面示意如圖9所示，其中，綠色線為提取的邊坡斷面位置。

圖9 邊坡坡型斷面提取示意

5 RocFall軟件數(shù)值模擬

5.1 RocFall軟件工作原理

RocFall軟件是由Rocscience公司于1996年研發(fā)的專業(yè)巖土工程分析軟件，是用來專門模擬陡峭巖質(zhì)邊坡落石統(tǒng)計(jì)分析軟件。其計(jì)算原理為：邊坡上部的危石塊體相對(duì)邊坡中下部具有較大的勢(shì)能，危石在自然重力的作用下從靜止開始向下運(yùn)動(dòng)，危石變成落石，速度以重力加速度增長(zhǎng)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，當(dāng)落石與坡面接觸發(fā)生反彈，根據(jù)坡面接觸點(diǎn)的法向彈性系數(shù)和切向摩擦系數(shù)的不同，落石的彈跳高度亦不同。此時(shí)，接觸坡面對(duì)落石產(chǎn)生消能作用，致使落石的動(dòng)能衰減，直至落石停留動(dòng)能為零。整個(gè)過程遵循能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律。

RocFall軟件運(yùn)算有三部分：點(diǎn)的運(yùn)算、彈跳運(yùn)算、滑落運(yùn)算。點(diǎn)的運(yùn)算決定參與模擬的參數(shù)是否正確，建立所有彈跳運(yùn)算和滑落運(yùn)算的初始條件，并且啟動(dòng)彈跳運(yùn)算；彈跳運(yùn)算用于計(jì)算落石從一點(diǎn)離開坡面跳躍到另一點(diǎn)，在空中運(yùn)動(dòng)的過程；滑落運(yùn)算則用于落石接觸斜坡的運(yùn)動(dòng)過程。軟件大部分運(yùn)算是空中拋物線運(yùn)動(dòng)及落石與地面撞擊運(yùn)動(dòng)兩個(gè)過程。其中，拋物線運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

(2)

式中，X1，Y1為直線段起點(diǎn)坐標(biāo)，m；X2，Y2為直線段終點(diǎn)坐標(biāo)，m；g為重力加速度，m/s2；VX0，VY0為落石初始速度，m/s，一般取0。

撞擊時(shí)間方程為

(3)

5.2 參數(shù)選取

采用RocFall軟件模擬落石運(yùn)動(dòng)，RocFall程序主要通過輸入一些有關(guān)斜坡和落石的基本參數(shù)，模擬顯示落石在斜坡上的運(yùn)動(dòng)路徑、能量分布和高度變化，從而為防護(hù)治理設(shè)計(jì)提供直觀有效的依據(jù)。

將從3DReshaper軟件中得到的.dxf格式的邊坡斷面導(dǎo)入RocFall軟件中，并根據(jù)坡面特征，及葉四橋[22]建議恢復(fù)系數(shù)的選取，如表1所示，輸入邊坡的法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)以及摩擦角三種參數(shù)即可進(jìn)行計(jì)算。由于本工程邊坡主要是帶有強(qiáng)風(fēng)化硬巖表面且?guī)в兄脖?，故取法向恢?fù)系數(shù)0.35，切向恢復(fù)系數(shù)0.88，摩擦角30°；水平路基面主要是松散碎石路面，選取法向恢復(fù)系數(shù)0.25，切向恢復(fù)系數(shù)0.60，摩擦角30°，落石質(zhì)量1 000 kg，選取其中5個(gè)代表性斷面進(jìn)行計(jì)算。其中，輸入到RocFall軟件中的斷面2示意如圖10所示。

表1 葉四橋[22]建議恢復(fù)系數(shù)的選取范圍

圖10 RocFall軟件中的斷面2示意

5.3 落石軌跡計(jì)算

由于5個(gè)斷面的運(yùn)動(dòng)軌跡類似，因此只選取典型斷面2的運(yùn)動(dòng)軌跡作為示意。利用RocFall軟件計(jì)算得到斷面2的落石運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖11所示。

圖11 斷面2的落石運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖11可以看出，由于坡面較崎嶇，造成落石在坡面上多次碰撞反彈，且在靠近邊坡底部的地方有一處高136.21 m，與水平線近似54°的陡崖，造成落石彈跳后最終以一個(gè)較高的高度落下，運(yùn)動(dòng)至邊坡底部，并在鐵路線路水平面上發(fā)生反彈后最終停留在鐵路線路上。

5.4 彈跳高度計(jì)算

落石在坡面上發(fā)生彈跳后，會(huì)存在一個(gè)高度峰值，通過RocFall軟件提取出5個(gè)斷面的最大彈跳高度數(shù)據(jù)，得到落石最大彈跳高度包絡(luò)線，如圖12所示。

圖12 斷面1～斷面5的落石彈跳高度包絡(luò)線

從圖12可以看出，受斷面地形高低起伏不同，5個(gè)斷面的彈跳高度起伏差異較大；落石在邊坡發(fā)生滾落運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的最大彈跳高度達(dá)到30 m，其落石落點(diǎn)位于上部陡崖(坐標(biāo)為零左側(cè))附近；落石運(yùn)動(dòng)至鐵路線路(坐標(biāo)為零右側(cè))附近時(shí)，彈跳高度在15～25 m，落石存在入侵鐵路所在區(qū)域的可能性，威脅鐵路運(yùn)營(yíng)安全，因此，有必要對(duì)該處邊坡進(jìn)行落石防護(hù)。

5.5 沖擊能量計(jì)算

落石在5個(gè)不同斷面的最大沖擊能量包絡(luò)線如圖13所示。

圖13 斷面1～斷面5落石沖擊能量包絡(luò)線

從圖13可以看出，5個(gè)斷面的最大沖擊能量曲線趨勢(shì)大致相同，在上部陡崖(坐標(biāo)為零左側(cè))附近具有最大沖擊能量；落石在邊坡發(fā)生滾落運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的最大沖擊能量達(dá)到2 300 kJ，發(fā)生在斷面2上部陡崖附近；落石運(yùn)動(dòng)至鐵路線路(坐標(biāo)為零右側(cè))附近時(shí)，沖擊能量為800～1 600 kJ，仍然具有較大的沖擊能量，落石存在入侵鐵路所在區(qū)域的可能性，威脅鐵路運(yùn)營(yíng)安全，有必要對(duì)該處邊坡施加防護(hù)措施以減小落石的沖擊能量。

5.6 沖擊速度計(jì)算

落石在5個(gè)不同斷面的最大沖擊平移速度曲線如圖14所示。

圖14 斷面1～斷面5落石平移速度曲線

從圖14可以看出，5個(gè)斷面的落石最大沖擊平移速度曲線趨勢(shì)大致相同，整體上呈“凸”起趨勢(shì)；在上部陡崖(坐標(biāo)為零左側(cè))附近具有最大沖擊速度，最大平移速度達(dá)到45 m/s，發(fā)生在斷面2上部陡崖附近；落石運(yùn)動(dòng)至鐵路線路(坐標(biāo)為零右側(cè))附近時(shí)，沖擊速度為21～35 m/s，仍然具有較大的沖擊速度，隨時(shí)存在入侵鐵路所在區(qū)域的可能性，威脅鐵路運(yùn)營(yíng)安全，因此，有必要在該處邊坡施加防護(hù)措施，保障鐵路的正常運(yùn)行。

采用RocFall軟件計(jì)算得出，落石在坡面上運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)較大的彈跳高度，運(yùn)動(dòng)至坡底時(shí)仍具有較大的沖擊能量和運(yùn)動(dòng)速度，威脅著鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。因此，建議在陡坡坡面上加設(shè)一層主動(dòng)簾式防護(hù)網(wǎng)，限制落石彈跳高度，以降低落石在坡底的能量；為防止個(gè)別落石躍過主動(dòng)簾式防護(hù)網(wǎng)，直接跳入坡底，威脅鐵路安全，可以在陡坡底部建造攔石墻，以攔截落石，防止落石進(jìn)入鐵路線路，對(duì)鐵路的正常運(yùn)營(yíng)造成影響。

6 結(jié)論

危巖落石研究較少與先進(jìn)的工程勘察技術(shù)相結(jié)合，基于無人機(jī)傾斜攝影，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景三維建模技術(shù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息在危巖落石運(yùn)動(dòng)特性分析中的應(yīng)用。利用3DReshaper軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行了處理，得到了黔張常鐵路中張家界禾家村車站高陡邊坡的斷面坡型，并導(dǎo)入RocFall軟件中，對(duì)落石的軌跡、彈跳高度、沖擊能量以及速度進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)于高陡邊坡，可采用無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝測(cè)量，利用實(shí)景三維建模關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)的實(shí)景還原，并提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，為落石運(yùn)動(dòng)特性的模擬提供真實(shí)的邊坡斷面信息，提高了落石軌跡模擬的準(zhǔn)確性。

(2)RocFall軟件可以很好地模擬落石運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)施工過程中產(chǎn)生的落石進(jìn)行提前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。通過模擬落石運(yùn)動(dòng)軌跡，可以判斷落石滾動(dòng)影響區(qū)范圍，分析落石彈跳高度及產(chǎn)生的沖擊能量和沖擊速度。

(3)經(jīng)過對(duì)張家界禾家村車站高陡邊坡落石運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬，可以得出落石在下落至坡底后仍然具有較高的能量，除在坡底施加攔石墻防護(hù)措施外，還應(yīng)該在邊坡坡面上施加一層簾式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，限制落石的彈跳高度，分級(jí)降低落石的沖擊能量，保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全。