桐新高速四平隧道危巖落石運動特征及危害性研究

于進泉 蒲春林 馬 康 周 欽

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

1 引言

山區公路處于特定的環境地質條件，在高陡山區易發生危巖落石災害，阻斷公路通行，甚至導致嚴重人員傷亡和財產損失。例如，2019年5月28日，G78汕昆高速河池一號隧道口發生崩塌落石，道路交通受到阻斷。2021年9月30日，國道G347線黑水境內段西爾隧道口發生危巖崩塌，導致茂縣至紅原G347線交通中斷?？梢?，在山區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。

對于危巖落石運動軌跡及危害性研究，多數學者基于數值軟件計算分析，獲得危巖體的運動特征?？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點運動過程，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動距離、彈跳高度、動能和運動速度，并編制了落石危險分布圖。肖智勇[3]運用Rockfall軟件獲得了高陡危巖體運動軌跡及沖擊能量。何宇航[4]采用Rockfall軟件模擬落石運動軌跡，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，應用無人機傾斜攝影測量技術，構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動軌跡、動能、彈跳高度、落點位置等運動特征，評價了危巖落石運動影響范圍和危害程度，為公路高陡危巖體防治設計提供技術支撐。

2 危巖體基本概況

2.1 危巖體調查

文獻[5]表明，大多數危巖體發育于大于50°的陡坡和高位坡體，從空間分布形態上屬于高陡危巖體。利用無人機攝影技術，獲取測區多角度影像資料和三維點云坐標數據，經過數據處理得到高精度危巖體模型[6-8]。本文研究區地處桐梓縣婁山關鎮四平隧道洞口，建立四平隧道洞口危巖體模型，如圖1所示。

2.2 危巖體環境條件及特征

(1)危巖體環境條件

研究區海拔介于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，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、中統寶塔組泥質灰巖，斜坡地帶地層巖性為奧陶系湄潭組粉砂質泥巖夾灰巖、粉砂質泥巖，從地層結構上屬于上硬下軟組合結構。從構造上，研究區屬于揚子準地臺黔北臺隆、遵義斷拱、鳳崗北東向構造區，處于單斜構造，地層產狀 35°～45°∠7°～10°，地質構造較為簡單[9-10]。

(2)危巖體特征

利用無人機采集危巖體模型，解析后識別出13塊危巖體，根據危巖體分布特點，將危巖體劃分為兩個區域，分別為Ⅰ區、Ⅱ區。從Ⅰ區、Ⅱ區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，下部軟巖風化使得上部硬巖卸荷裂隙不斷延伸擴展，形成的不穩定危巖塊體發生傾倒失穩，形成落石災害，對桐梓至新蒲高速四平隧道洞口段構成嚴重危害[11]。

3 落石運動特征分析

3.1 Rockfall模型建立

通過無人機采集數據確定了危巖體位置、幾何形狀、大小、運動方向以及實際邊坡坡面形態，危巖體形態特征基本參數取值見表1。WY1和WY2均發生傾倒式破壞，危巖體初始運動狀態為倒轉，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發生運動，以此對危巖體WY1及所處剖面1、危巖體WY2及所處剖面2進行Rockfall建模計算分析，模型見圖2及圖3[12]。

表1 研究區危巖體基本參數取值

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

表2 研究區落石運動斜坡面基本參數取值

Rockfall軟件是一款用于計算落石運動軌跡的概率統計分析軟件，按預定分布隨機抽樣對落石運動軌跡進行計算分析，得到落石運動特征規律。塊體生成方式選擇隨機，落石隨機數量為1 000個。

3.2 結果分析

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

(1)運動軌跡分析

圖4、圖5分別為危巖體WY1、危巖體WY2運動軌跡圖，可直觀展示危巖體WY1、危巖體WY2在斜坡面上的整個運動軌跡。從兩處高陡危巖體的運動軌跡可以看出，危巖體落石隨機發生1 000次，其運動軌跡整體趨勢基本一致，但運動軌跡又表現出一定的隨機性；危巖體失穩墜落后隨地面形態變化發生多次碰撞彈起、滾動并最終停止運動；在坡面陡峭地帶危巖體進行斜拋運動，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動，如危巖體WY1中后段。

(2)運動動能分析

圖6、圖7分別為危巖體WY1、危巖體WY2在運動過程中總動能分布圖。危巖體WY1在泥質灰巖較陡斜坡地帶經過兩次跳躍后，距離四平隧道洞口約80 m斜坡上達到最大運動速度和最大動能，動能最大值約16 263 kJ，落石繼續在碎塊石堆積層較緩斜坡上發生跳躍滾動，能量損失較大，到達四平隧道洞口時，沖擊動能為649 kJ；危巖體WY2在粉砂質泥巖夾灰巖較陡斜坡地帶經過四次跳躍后，距離四平隧道洞口處路基地帶達到最大運動速度和最大動能，動能最大值約20 368 kJ，落石繼續在高速公路路面上發生跳躍滾動，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動動能。

為了進一步研究危巖體WY1、WY2對桐梓至新蒲高速公路危害程度，在Rockfall軟件中于隧道口設置計數器，發生隨機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在運動過程中彈跳高度分布圖。危巖體WY1發生2次顯著的彈跳運動，第一次發生在墜落下方的泥質灰巖陡斜坡地帶，出現最高的彈跳高度約10.5 m，第二次發生在WY1落石運動過程中的中段，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動，危巖體WY1運動過程中彈跳高度表現為先增大后減少趨勢；危巖體WY2發生3次顯著的彈跳運動，第一次發生在粉砂質泥巖夾灰巖基巖較陡斜坡地帶，出現最高的彈跳高度約為8.1 m，第二次發生在WY2落石運動過程中的中段，該段地處粉砂質泥巖夾灰巖基巖較陡斜坡地帶，彈跳高度約3.1 m，第三次發生在WY2落石運動過程中的后段，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動，危巖體WY2運動過程中彈跳高度表現為先增大后減少最后再增大的趨勢。

從危巖體WY1、WY2運動軌跡圖和運動特性分布曲線可以分析出如下規律:①危巖體下落后運動過程中動能隨著坡面變化出現漲落，危巖體落石運動過程，重力勢能不斷轉化成動能，坡面對落石運動產生能量損失。②坡面特性及坡面坡度強烈影響落石運動軌跡、運動動能和彈跳高度。③危巖體WY1落石運動軌跡前段的落石速度快、運動能量大、彈跳高，運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、運動動能降低，產生顯著削弱效應，運動范圍縮小，從而危害性較??；危巖體WY2落石運動軌跡前段的落石速度快、運動能量大、彈跳高，運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、運動動能增加，削弱效應不顯著，運動范圍擴大，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從落石運動至高速公路邊緣處的運動軌跡看，落石隨機發生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動沖擊能量，在落石防護設計中可以充分借鑒，降低落石沖擊的破壞程度。

4 結論

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，利用無人機攝影測量技術和圖像處理技術，構建危巖體三維實景模型，實現危巖高精度可視化，通過概率統計分析軟件Rockfall展開了兩處高陡危巖體的落石運動特征模擬計算研究，對比分析了落石運動軌跡、運動動能、彈跳高度等特性規律，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動方式，落石運動方式有墜落、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落石運動軌跡前段的落石速度快、運動能量大、彈跳高，運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、運動動能降低，產生削弱效應，運動距離縮短，從而危害性降低；危巖體WY2落石運動軌跡前段的落石速度快、運動能量大、彈跳高，運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、運動動能增加，削弱效應不顯著，運動范圍擴大，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)從落石運動至高速公路邊緣處的運動軌跡看，落石隨機發生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)高陡危巖體具有強大的災害性，威脅桐梓至新蒲高速公路四平隧道洞口行車安全，在落石防護設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。