康塵云

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

萬(wàn)州區(qū)位于重慶市東北部，地處三峽庫(kù)區(qū)腹心，危巖崩塌極為發(fā)育，分布廣、數(shù)量多、危害大。觀(guān)音山危巖帶位于萬(wàn)州高粱鎮(zhèn)焦家坪，危巖帶頂部后緣、下部坡腳均有居民聚集區(qū)，且有擬建恩施至廣元國(guó)家高速公路穿越，擬建廟埡隧道出洞口、苧溪河特大橋均位于該危巖帶影響范圍內(nèi)，亟需對(duì)該危巖帶展開(kāi)調(diào)查工作，查明危巖單體的發(fā)育規(guī)模、失穩(wěn)模式和危害性，提出建議治理措施，以保障交通建設(shè)和居民的安全。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，萬(wàn)州范圍內(nèi)分布有翠屏山、小灣、千家?guī)X、太白巖等30 余處危巖帶，不同規(guī)模的危巖單體3 000 多個(gè)，危巖的形成機(jī)理、破壞模式、防治技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)一直是該區(qū)域的研究熱點(diǎn)[1]。葉四橋等[2]認(rèn)為當(dāng)?shù)匚r發(fā)育的內(nèi)因是深切的河谷、方山臺(tái)地地貌、水平發(fā)育的巖層和泥巖軟弱夾層；危巖失穩(wěn)的激發(fā)因素則是風(fēng)化作用、地下水、暴雨和人類(lèi)活動(dòng)；陳洪凱等[3]將群發(fā)性危巖的演化過(guò)程概括為河流下切、差異風(fēng)化、單體形成、單體崩落、群體形成及崩落5 個(gè)階段；劉廣寧等[4]對(duì)萬(wàn)州沿江危巖體進(jìn)行調(diào)查，將其失穩(wěn)方式分為剪切—滑移式、風(fēng)化—墜落式、拉裂—傾倒式3 種，并對(duì)其危害性做出了預(yù)估；邵其東[5]通過(guò)萬(wàn)州區(qū)天生城危巖治理工程實(shí)例，提出了后緣裂縫注漿充填、錨索錨固危巖體、混凝土封填巖腔、爆破清除坡面孤石、坡腳設(shè)置攔石擋墻的工程措施，取得了良好效果；劉長(zhǎng)春等[6]針對(duì)戴家?guī)r危巖，通過(guò)計(jì)算不同工況下的危巖穩(wěn)定性，綜合破壞概率和承災(zāi)體危害程度得出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，孫敬輝等[7]利用Rocfall 軟件對(duì)甑子巖危巖體的危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行了劃分。

現(xiàn)有的研究雖已涉及到危巖成因、評(píng)價(jià)、防治的各個(gè)方面，但仍存在一些問(wèn)題，如：對(duì)人員難以到達(dá)的危巖如何提高調(diào)查的效率和精度？如何更精準(zhǔn)的確定危巖的影響范圍？其對(duì)構(gòu)筑物的沖擊方式、沖擊能量幾何？文中研究便針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)高位危巖的特征獲取，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程再現(xiàn)進(jìn)行探究，以揭示此類(lèi)災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理和危害規(guī)律，對(duì)于區(qū)域內(nèi)的工程建設(shè)和災(zāi)害防治具有重要的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東北緣，屬川東平行嶺谷，其地形地貌受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，山脈走向由北北東轉(zhuǎn)向近東西，為構(gòu)造侵蝕、剝蝕低山丘陵地貌，總體呈北西高南東低，一般海拔高度約191～1 200 m，高差約1 009 m。區(qū)內(nèi)斜坡多呈折線(xiàn)形，頂部緩，居民聚集，中部為陡崖，危巖發(fā)育，下部再次變緩，多為崩坡堆積體。

研究區(qū)內(nèi)由西北向東南近平行分布著假角山背斜、梁馬河向斜、鐵峰背斜、萬(wàn)縣向斜、方斗山背斜等褶皺，為梳狀高背斜和寬緩向斜相間排列成隔擋式分布區(qū)（圖1）。其中，萬(wàn)縣向斜走向NE20°～NE75°，核部產(chǎn)狀平緩，翼部靠近背斜處產(chǎn)狀變陡。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)，萬(wàn)州地區(qū)地殼具有緩慢、間歇上升的特點(diǎn)，江河下切、階地抬升，形成陡崖、陡坡，巖體產(chǎn)生卸荷回彈效應(yīng)，節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在風(fēng)化、暴雨、地震等激發(fā)因素下易發(fā)生崩塌破壞。

圖1 萬(wàn)州地區(qū)構(gòu)造綱要圖[8]Fig.1 Geotectonic map of Wanzhou District

區(qū)域內(nèi)出露的基巖主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）、侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）砂巖、泥巖，上覆殘坡積（）、崩坡積（）、沖洪積（）等第四系松散堆積物。砂巖：灰色、灰綠色厚層水云母膠結(jié)的細(xì)—中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖，含泥礫，具交錯(cuò)層理，中厚—巨厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較硬；泥巖：紫紅、磚紅色，黏土礦物為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，含硅質(zhì)鈣質(zhì)結(jié)核，局部見(jiàn)白色纖維狀石膏，巖質(zhì)較軟；覆蓋層多為可塑-硬塑粉質(zhì)黏土、碎塊石土，碎塊石含量30%～60 %不等，厚度差異大。

危巖帶以上地表水體不發(fā)達(dá)，主要為零星的水塘、水田；地下水為第四系松散層孔隙水和碎屑巖類(lèi)裂隙水，接受大氣降水補(bǔ)給，水量較貧乏。

據(jù)四川省地震辦公室《四川地震目錄》（1977），臨近區(qū)域內(nèi)曾發(fā)生過(guò)7 次較大的地震，最大為1856年6月10日發(fā)生的6.3 級(jí)小南海地震，此后未發(fā)生過(guò)災(zāi)害性強(qiáng)震，區(qū)域地質(zhì)環(huán)境處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2 危巖帶發(fā)育特征

2.1 平面分布特征

觀(guān)音山危巖帶位于萬(wàn)州區(qū)高粱鎮(zhèn)，西起松石包，東至焦家坪，全長(zhǎng)約2 km，呈弧形條帶狀分布，地勢(shì)總體上西南高、東北低，地形呈緩（緩坡平臺(tái)）—陡（砂巖陡崖）—緩（緩坡平臺(tái)）的地形；區(qū)內(nèi)分布的砂巖陡崖，高度一般3.8～29 m。該區(qū)域最高點(diǎn)位于陡崖帶頂部，高程約403 m；最低點(diǎn)位于南東側(cè)斜坡坡腳，高程約270 m，相對(duì)高差133 m。陡崖帶傾角約為82°，局部近垂直，下部斜坡整體坡角約為30°～50°。

擬建恩施至廣元國(guó)家高速公路從南向北穿越危巖帶，廟埡隧道出口位于研究區(qū)南部危巖帶正下方，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和航測(cè)手段識(shí)別，出口上方分布W1、W2、W3危巖體，出口下方分布孤石GS1—GS5；苧溪河特大橋左線(xiàn)5～9#橋墩、右線(xiàn)7～11#橋墩位于研究區(qū)北部危巖帶正下方，橋位上方分布W4、W5、W6 危巖體，邊坡中下部分布孤石GS6—GS11（圖2）。孤石為崩塌形成，直徑約1～8 m，崩坡積體碎塊石土經(jīng)鉆探揭露的最大厚度為17.8 m，因此推斷危巖在暴雨、施工擾動(dòng)等不利工況下處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)擬建隧道、橋梁的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生威脅。

圖2 觀(guān)音山危巖帶工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological map of Guanyin Mountain dangerous rock belt

2.2 危巖發(fā)育機(jī)理

危巖帶出露基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）青灰色厚—巨厚層砂巖和紫紅色薄—中厚層泥巖，巖層呈單斜產(chǎn)出，較平緩，產(chǎn)狀為327°∠10°、335°∠9°，主要發(fā)育兩對(duì)四組構(gòu)造節(jié)理，多為垂直邊坡走向和沿邊坡走向的組合。Ⅰ-L1：65°∠80°，平直，張開(kāi)3～11 cm，間距1～4 m，延伸1～2 m；Ⅰ-L2：170°∠83°，較平直，張開(kāi)2～13 cm，間距2～5 m，延伸1～2 m；Ⅱ-L1：173°∠80°，略有起伏，張開(kāi)6～14 cm，間距1～3 m，延伸1～3 m；Ⅱ-L2：85°∠71°，較平直，張開(kāi)5～12 cm，間距2～4 m，延伸4～8 m，以上節(jié)理多被黏土、碎石等碎屑物充填。

砂巖是構(gòu)成危巖體的主要巖性，泥巖多分布于砂巖底部，泥巖屬軟質(zhì)巖，抗風(fēng)化能力弱，受差異風(fēng)化作用，往往形成凹腔，凹腔深度0.3～5 m。危巖的演化過(guò)程可大致概括為以下4 個(gè)階段（圖3）：

圖3 危巖演化過(guò)程示意圖Fig.3 Evolution process of dangerous rock

（1）第四紀(jì)以來(lái)，長(zhǎng)江流域內(nèi)河谷的強(qiáng)烈侵蝕下切形成了大量的陡峻岸坡，為高位危巖的形成奠定了地形地貌基礎(chǔ)；

（2）由于硬質(zhì)砂巖、軟質(zhì)泥巖抗風(fēng)化能力存在明顯的差異，據(jù)萬(wàn)州某地6年間的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)表明，砂巖風(fēng)化速率為(0.071～0.083)×10-2cm/d，泥巖風(fēng)化速率為(1.0～1.6)×10-2cm/d，兩者差距約20 倍[3]，因此在下部的泥巖中形成了初始巖腔；

（3）初始巖腔不斷向上擴(kuò)展，直至抵達(dá)砂巖層面，向上的風(fēng)化變緩，轉(zhuǎn)而沿著層面向內(nèi)侵蝕，交界面處凹腔不斷擴(kuò)大（圖4），由于凹腔被掏空，砂巖失去部分支撐，頂部后緣形成卸荷帶，產(chǎn)生拉張裂隙，處于向外的受拉應(yīng)力狀態(tài)；

圖4 泥巖軟弱基座和節(jié)理切割Fig.4 Mudstone weak base and joints cutting

（4）砂巖中的風(fēng)化裂隙逐漸增多，頂部拉張裂隙進(jìn)一步向下貫通，這些結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造節(jié)理、層面一同將巖體切割破碎，在降雨、震動(dòng)等不利因素影響下，危巖體發(fā)生局部或整體的崩塌，并在坡腳形成崩塌堆積體[9]。

3 危巖體識(shí)別與統(tǒng)計(jì)

3.1 傾斜攝影的應(yīng)用

傳統(tǒng)的危巖評(píng)價(jià)需要進(jìn)行地面調(diào)查，查明陡崖巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、力學(xué)屬性、水文情況，以及臨空面的組合關(guān)系，巖腔與洞穴狀況和人類(lèi)工程活動(dòng)等，主要依靠羅盤(pán)、皮尺、GPS 等工具，對(duì)于相對(duì)高度小于15 m 的低位危巖，可以取得較好的現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)資料。但觀(guān)音山危巖帶多分布相對(duì)高度15～100 m 的中位、高位危巖，人員難以到達(dá)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取，近些年來(lái)，不斷成熟的無(wú)人機(jī)和航片信息處理技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了新的解決途徑。

本次勘察期間利用傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)三維實(shí)景建模技術(shù)構(gòu)建了危巖帶的3D 模型，可直接進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)面和體積的測(cè)量，極大提高了獲取危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)相關(guān)參數(shù)的便利性和準(zhǔn)確性。傾斜攝影的主要工作步驟包括以下幾點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)組成。傾斜攝影航測(cè)系統(tǒng)以KWT-X6L-15 型多旋翼無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)、搭載遙感設(shè)備和相機(jī)云臺(tái)、通過(guò)地面控制終端控制飛行路線(xiàn)和地物信息獲取，見(jiàn)圖5（a）。

圖5 三維模型建立Fig.5 3D model establishment

（2）調(diào)查流程?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘后，選擇開(kāi)闊場(chǎng)地，進(jìn)行設(shè)備檢查；然后設(shè)定航拍參數(shù)，即可開(kāi)始飛行航拍。

（3）數(shù)據(jù)獲取。對(duì)陡崖同時(shí)采取傾斜拍攝和垂直拍攝，充分利用側(cè)視影像來(lái)獲取危巖的邊界信息。

（4）三維模型建立。利用SFM（Structure From Motion）新型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法處理航拍數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云提取，見(jiàn)圖5（b）；構(gòu)建三角網(wǎng)格，見(jiàn)圖5（c）；最終生成坡面紋理，見(jiàn)圖5（d）[10]。

（5）模型精度評(píng)價(jià)。對(duì)模型中的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，與外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求差，根據(jù)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)，平面誤差為7.2 cm，高程誤差為8.9 cm，均符合規(guī)范的精度要求（平面＜30 cm，高程＜50 cm）。

3.2 單體規(guī)模統(tǒng)計(jì)

利用Acute3D Viewer 軟件對(duì)高位危巖進(jìn)行分析：通過(guò)肉眼識(shí)別巖腔、結(jié)構(gòu)面、邊界條件，利用軟件對(duì)其規(guī)模進(jìn)行多次量測(cè)取均值，測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)，并據(jù)此劃分出危巖單體，得到穩(wěn)定性評(píng)價(jià)所需的參數(shù)（圖6）。經(jīng)分析，得出6 處危巖體的發(fā)育特征（表1）。

圖6 三維模型分析Fig.6 3D model analysis

4 危巖體穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)

4.1 危巖帶的宏觀(guān)穩(wěn)定性

危巖帶的宏觀(guān)穩(wěn)定性主要受控于地層結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度。因巖腔侵蝕產(chǎn)生的卸荷裂隙、巖體內(nèi)部原生的構(gòu)造節(jié)理、沉積界面組合共同將巖體切割，破壞其完整性，形成大小不等的塊體，是崩塌發(fā)生的基礎(chǔ)。暴雨、地震、人類(lèi)工程活動(dòng)則是危巖失穩(wěn)崩落的首要誘發(fā)因素。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以赤平投影法對(duì)危巖帶的整體穩(wěn)定性做宏觀(guān)分析：

（1）W1、W2、W3 所在陡崖巖層產(chǎn)狀為327°∠10°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，L1：65°∠80°；L2：170°∠83°，節(jié)理面平直，貫通性較好，存在泥質(zhì)碎屑充填物。經(jīng)赤平投影分析（圖7）：巖層傾向與邊坡夾角33°，為切向坡；L1 與巖層面的組合交線(xiàn)L1—C 傾向坡外，夾角為23°，傾角與層面接近，為不利結(jié)構(gòu)面，易發(fā)生沿組合面的楔形體滑動(dòng)，其余結(jié)構(gòu)面及其組合面對(duì)巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響較小。

圖7 危巖W1、W2、W3 宏觀(guān)穩(wěn)定性分析Fig.7 Macroscopic stability analysis of the W1,W2 and W3 dangerous rocks

（2）W4、W5、W6 所在陡崖巖層產(chǎn)狀為335°∠9°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，L1：173°∠80°；L2：85°∠71°，節(jié)理面稍有起伏，貫通性較好，亦存在泥質(zhì)碎屑充填物。經(jīng)赤平投影分析（圖8），巖層傾向與邊坡夾角97°，為切向坡；L2 的傾向與邊坡夾角為7°，傾向坡外，易發(fā)展成為邊坡后緣裂隙，不利于整體的穩(wěn)定性，其余結(jié)構(gòu)面及其組合面對(duì)巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響較小。

圖8 危巖W4、W5、W6 宏觀(guān)穩(wěn)定性分析Fig.8 Macroscopic stability analysis of the W4,W5 and W6 dangerous rocks

綜上，節(jié)理、層面及其組合面等結(jié)構(gòu)面會(huì)對(duì)危巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，在暴雨、震動(dòng)等不利工況下可能會(huì)發(fā)生楔形體滑動(dòng)、平面滑動(dòng)，對(duì)下方構(gòu)筑物和居民區(qū)產(chǎn)生安全威脅。

4.2 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算

4.2.1 計(jì)算模型

采用《重慶地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中給出的危巖體評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用剛體極限平衡原理，根據(jù)不同的危巖破壞類(lèi)型和邊界條件選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ停瑩?jù)表1統(tǒng)計(jì)，W1、W2、W3 的失穩(wěn)模式為墜落式，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型為：

表1 危巖體發(fā)育特征Table 1 Development characteristics of dangerous rocks

式中：ζ——危巖抗彎力矩計(jì)算系數(shù)；

σt——巖體抗拉強(qiáng)度/kPa；

H——后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離/m；

h——后緣裂隙深/m；

B——后緣裂隙未貫通段沿裂隙走向平均寬度/m；

G——危巖自重/kN；

Gb——危巖豎向附加荷載/kN；

a0——危巖體豎向荷載（包括危巖體重力和危巖體上豎向附加荷載）作用點(diǎn)與后緣鉛垂面中點(diǎn)的水平距離/m；

Q——危巖水平荷載（不含后緣陡傾裂隙水壓力）/kN；

b0——危巖體上水平荷載作用點(diǎn)與后緣鉛垂面中點(diǎn)的垂直距離/m；

V——后緣陡傾裂隙水壓力/kN；

hw——后緣陡傾裂隙充水高度/m，根據(jù)裂隙情況及匯水條件確定。

W4、W5、W6 的失穩(wěn)模式為傾倒式，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型為：

式中：a——危巖體豎向荷載作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的水平距離/m；

B1——危巖體底面垂直失穩(wěn)方向?qū)挾?m；

β——后緣陡傾結(jié)構(gòu)面傾角/（°）；

h0——危巖體水平荷載作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的垂直距離/m；

α——危巖體與基座接觸面傾角/（°）；

b——后緣裂隙的延伸段下端到轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的水平距離（即塊體與基座接觸面長(zhǎng)度的水平投影）/m；

其余各符號(hào)意義同上式。

4.2.2 計(jì)算工況和參數(shù)

計(jì)算危巖在天然工況、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)，暴雨工況采用20a 重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度，以此判定危巖穩(wěn)定性是否滿(mǎn)足要求。選取通過(guò)危巖重心的典型剖面（圖9）進(jìn)行計(jì)算，以W1 為例，危巖穩(wěn)定性的計(jì)算剖面如下：

圖9 危巖穩(wěn)定性計(jì)算示例Fig.9 Stability calculation example of dangerous rocks

各危巖體的計(jì)算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣、室內(nèi)試驗(yàn)、并參考地區(qū)經(jīng)驗(yàn)得到，因巖體本身的不均勻性，單點(diǎn)室內(nèi)試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度對(duì)危巖體的代表性有局限，因此根據(jù)區(qū)域多個(gè)工點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果（表2），計(jì)算不同參數(shù)下危巖體的穩(wěn)定性，得到安全系數(shù)的平均值，以消除過(guò)程中的偶然性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

表3 巖體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 3 Rock mass stability calculation results

4.2.3 結(jié)果分析結(jié)果顯示：

（1）研究區(qū)南部，隧道上方危巖中，暴雨工況下，危巖體處于“不穩(wěn)定–基本穩(wěn)定”狀態(tài)，危巖的穩(wěn)定性W3＜W2＜W1，其中W3 在暴雨工況下處于“不穩(wěn)定”狀態(tài)。

（2）研究區(qū)北部，橋梁上方危巖中，暴雨工況下，危巖體處于“不穩(wěn)定–欠穩(wěn)定”狀態(tài)，危巖的穩(wěn)定性W6＜W5＜W4，其中W6 在暴雨工況下處于“不穩(wěn)定”狀態(tài)。

暴雨工況下的不穩(wěn)定危巖急需治理，為確定防護(hù)網(wǎng)等措施的設(shè)置位置、類(lèi)型，為設(shè)計(jì)提供參數(shù)，進(jìn)行了危巖的運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬。

4.3 危巖運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬

危巖運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬可以重現(xiàn)落石的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，確定彈跳高度、運(yùn)動(dòng)距離和沖擊動(dòng)能，為防護(hù)措施設(shè)計(jì)提供參考。采用Rocfall 落石動(dòng)態(tài)模擬軟件，軟件基于硬接觸的剛體拉格朗日力學(xué)模型，并在回彈力學(xué)之外，考慮了摩擦耗散的巖石/地面相互作用，可較好的預(yù)測(cè)巖石的滑動(dòng)、滾動(dòng)和跳躍[10]。

4.3.1 參數(shù)與初始條件

模擬所需的坡面恢復(fù)系數(shù)Rn、Rt，滾動(dòng)摩擦系數(shù)。參數(shù)根據(jù)重慶市地質(zhì)災(zāi)害規(guī)范、文獻(xiàn)等綜合確定，具體取值見(jiàn)表4—6。

表4 恢復(fù)系數(shù)Table 4 Coefficient of restitution

表5 滾動(dòng)摩擦系數(shù)Table 5 Coefficient of rolling friction

表6 模擬參數(shù)選取Table 6 Selection of simulation parameters

落石由靜止開(kāi)始做自由落體運(yùn)動(dòng)，水平、豎直初速度均為0，落石質(zhì)量選擇中等大小的2 000 kg，軟件的模擬為隨機(jī)過(guò)程，符合落石運(yùn)動(dòng)的不確定性，模擬次數(shù)設(shè)置為100 次，以此進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。

4.3.2 落石運(yùn)動(dòng)模擬與分析

危巖W3 發(fā)生崩塌時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度及能量分布如圖10所示。

圖10 危巖W3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.10 Kinematics analysis of the W3 dangerous rock

危巖W6 發(fā)生崩塌時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度及能量分布如圖11所示。

圖11 危巖W6 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.11 Kinematics analysis of the W6 dangerous rock

結(jié)果顯示：

（1）從二維運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，落石在脫離母巖后，速度和動(dòng)能快速增加，隨后由于受到坡面植被、松散堆積體的摩擦耗散作用，彈跳高度和動(dòng)能逐漸減弱，在坡面滾動(dòng)一定距離后停止[11-12]。

（2）W3 落石最后均穿過(guò)隧道出口，止于其下方，水平落距大于150 m；最大總沖擊動(dòng)能為29 kJ，出現(xiàn)在斜坡上部平臺(tái)處，隧道出口處的落石沖擊動(dòng)能集中在5～8 kJ，相比最大動(dòng)能消散約75%；最大彈跳高度約8.1 m，在距離崩落點(diǎn)平距50 m 處轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖10）。

（3）W6 落石最終止于橋墩范圍內(nèi)，水平落距約70～85 m；最大總沖擊動(dòng)能為55.9 kJ，出現(xiàn)在斜坡中部距崩落點(diǎn)54 m 處，橋墩范圍內(nèi)的落石沖擊動(dòng)能集中在8～12 kJ，相比最大動(dòng)能消散約82%；最大彈跳高度約5.2 m，在距離崩落點(diǎn)平距71 m 處轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖11）。

（4）通過(guò)W3（墜落式）和W6（傾倒式）的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，墜落式危巖的最終落距約為傾倒式的2 倍，最大彈跳高度約為傾倒式的1.5 倍，具有更大的沖擊動(dòng)能和破壞性。

5 討論

傾斜攝影在高位危巖調(diào)查中的優(yōu)勢(shì)明顯，可將效率提高5 倍以上，且測(cè)繪精度大幅提高，但受限于其影像精度和植被遮擋，仍難以代替實(shí)地調(diào)查，尤其在結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀量測(cè)、邊界條件分析等精度要求較高部分，因此必須兩者結(jié)合開(kāi)展工作。

在地面調(diào)查時(shí)，隧道標(biāo)高以下發(fā)現(xiàn)5 處較大孤石，橋墩上部發(fā)現(xiàn)6 處較大孤石（圖2），孤石的分布范圍與數(shù)值模擬的吻合性較好。因計(jì)算和模擬中存在較多理想化的假設(shè)，故現(xiàn)場(chǎng)孤石的調(diào)查和崩坡積體厚度的查驗(yàn)是十分必要的，可以直接檢驗(yàn)穩(wěn)定性分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬的準(zhǔn)確性。

墜落式危巖破壞后做自由落體運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于傾倒式危巖沿坡面的滾動(dòng)，因不受坡面摩擦力影響，接觸地面時(shí)往往具有較大的速度和反彈速度；在與構(gòu)筑物同等距離時(shí)，其產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能和破壞性也更大；但對(duì)于危巖單體，由于危巖規(guī)模、坡面形態(tài)、影響范圍的差異性，在實(shí)踐中仍需進(jìn)行針對(duì)性分析。

穩(wěn)定性計(jì)算和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬結(jié)果中的安全系數(shù)、彈跳高度、沖擊動(dòng)能、滾落距離等可以為危巖防治措施的選型、規(guī)模大小、設(shè)置范圍、位置提供設(shè)計(jì)參數(shù)，精細(xì)化的勘察不僅確保了工程的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，也直接節(jié)約了工程成本，是行業(yè)的發(fā)展方向。

文中研究?jī)H限于穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和影響范圍研究，未考慮增加防護(hù)措施后的落石運(yùn)動(dòng)軌跡和能量消散規(guī)律，后續(xù)的研究可在運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬中增加各類(lèi)防護(hù)措施，進(jìn)一步評(píng)價(jià)其服役性能。

6 結(jié)論

（1）傾斜攝影可以高效的獲取高位危巖的幾何特征、巖腔發(fā)育狀態(tài)和邊界條件，為穩(wěn)定性分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬提供參數(shù)。

（2）節(jié)理Ⅰ-L1 與巖層面的組合交線(xiàn)、節(jié)理Ⅱ-L2 形成了傾向坡外的不利結(jié)構(gòu)面，影響著陡崖帶的整體穩(wěn)定性。

（3）觀(guān)音山危巖帶發(fā)育高位墜落式危巖W1、W2、W3，傾倒式危巖W4、W5、W6，體積400～ 5 000 m3不等，W3、W6 在暴雨工況下不穩(wěn)定，危及擬建工程。

（4）W3、W6 崩塌后均會(huì)影響到擬建隧道或橋梁，最大彈跳高度5.2～8.1 m，在擬建工程范圍內(nèi)以滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)為主，總沖擊動(dòng)能為5～12 kJ；墜落式危巖一般具有更大的沖擊能和破壞性。