危巖體精細調查與崩塌過程三維場景模擬
——以西南某水電站高邊坡為例

王明輝，曹熙平，譙立家

（1.昆明船舶設備研究試驗中心，云南 昆明 650093；2.昭通市水利水電勘測設計研究院，云南昭通 657000；3.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

0 引言

某水電站自建成以來重要建筑物開口線外危巖體缺乏復核和動態設計，其原有防護設施存在破壞現象，導致部分重要設施暴露于危險源的威脅范圍內（主要危險源為兩岸開口線外危巖體），因此開展該水電站邊坡開口線外的危巖體隱患排查對電站安全運營有著重大意義。

危巖體隱患排查首先要明確危巖體的點位、體積、結構面組合關系和威脅對象等信息。針對水電站庫區復雜險峻的地質條件，傳統現場調查方法受人員、技術、成本等條件限制，諸多非接觸式的新技術、新方法應用于工程調查中，如黃海寧等[1]利用無人機傾斜攝影技術，獲取危巖隱患點的分布特征；陳愛云等[2]和崔溦等[3]利用無人機搭載激光雷達快速識別了孤立危巖體；褚宏亮等[4]分析三維激光掃描技術的優勢和局限性。危巖體的精細調查結果對進一步研究危巖體運動特征有重要的推動作用。

現有研究危巖體運動特征的方法主要有現場試驗和數值模擬方法，如黃潤秋等[5]通過現場滾石運動特征試驗，提出危巖體整體防治的可行方法，得出坡面及坡面情況為影響落石運動的主要因素這一論點；陳宙翔等[6]和謝金等[7]利用Rockfall 軟件分析危巖體崩落的運動軌跡及對坡腳建筑物的危險性；王棟等[8]利用三維Rockfall Analyst 軟件分析隧道上部5 種不同尺寸的危巖體運動過程；周月智等[9]運用DDA 方法實現地震作用下密度、高度等因子對落石運動軌跡的影響分析；黎尤等[10]結合RocPro3D 軟件反演落石崩塌堆積區的范圍，并與既有實際范圍進行比照；柳萬里等[11]通過Rockfall 軟件大量模擬落石運動結果，分析影響落石運動的因素敏感性；趙興權等[12]和黃小福等[13]結合非連續分析方法探討地震作用下危巖崩塌體的破壞特征；劉國陽等[14]通過3D-DDA 方法研究不同坡形對巨石崩塌失穩運動特征的影響；王軍義等[15]通過數值仿真模擬試驗評價不同粒徑堆積體的運動特征；孫敬輝等[16]和何宇航等[17]探討崩塌落石的運動特征，進行落石風險評估研究；王豪等[18]提出一種集成PhysX 引擎的Unity3D 平臺開展崩塌三維運動軌跡的方法。

綜上，現場試驗方法與實際落石運動結果吻合度最高，但落石運動中的偶然性等隨機特性難以用現場試驗考慮完全。數值模擬方法具有成本低、簡便及可移植性強等優勢，其在危巖體運動特征領域的應用逐漸增多，在該領域應用成熟的是Rockfall 軟件，該軟件可在短時間內大量模擬落石的運動過程，但其假定所有落石都是一個有質量的點，并在計算中將落石視作球形體，在模擬過程中忽略了落石的空間幾何特征，且模擬坡面需要人為指定，與實際運動過程存在一定誤差。

因此，本文以某水電站危巖體隱患作為研究對象，基于機載LiDAR 技術“穿透”植被特性與傾斜攝影測量精確地表紋理表達等特點，構建高精度三維可視化地形數據和精細危巖體模型，獲取研究區危巖體特征及發育分布信息，構建研究區三維的災害實景，運用Unity3D引擎對危巖體運動過程進行三維模擬，反演研究區危巖崩落的運動路徑及在不同位置上的沖擊能量、彈跳高度的量級和滾落區域等，為后續危巖體風險評價，災害防治措施設計等提供一定參考依據。

1 研究區概況

水電站樞紐區出露的地層主要為上三疊統小定西組（T3xd）、中侏羅統花開左組（J2h）及第四系（Q）。壩址區出露的主要地層為上三疊統小定西組（T3xd），為一套變質火山巖系，測區未見底，總厚度大于1 000 m，巖性主要為變質玄武巖、變質火山角礫巖、變質火山細礫巖夾變質凝灰巖。弱風化、強卸荷、巖石強度較高，屬于堅硬的脆性巖體，在風化、卸荷、裂隙切割等條件下，極易發生變形失穩并與母巖脫離。

研究區（圖1）左右岸危巖受新構造運動影響強烈，總體上發育于臨空條件較好地形陡峭的邊坡，大量存在脫落未掉和未與母巖脫離的危石均。研究區內左岸邊坡危巖體發育于邊坡開口線頂部及上游側，下游側邊坡地形坡度相對較緩，分布有少量孤石，對重點防護對象威脅較小。上游側邊坡地形陡峻，基巖裸露，部分危巖對下方隧道及公路構成威脅。右岸邊坡危巖體主要發育于邊坡開口線頂部及上游側，下游側邊坡地形坡度相對較緩，危巖分布較少。上游側開口線外自然地形坡度陡峻，地形坡度60o～75o，基巖裸露，巖性為三疊系小定西組的變質火山碎屑巖夾變質凝灰巖，風化程度較低，呈弱風化狀，表部強卸荷巖體發育，巖體較破碎，完整性較差，坡面分布大量強卸荷松動危巖體或危石。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

2 危巖體的調查識別

2.1 遙感數據獲取

利用無人機傾斜攝影測量和機載LiDAR 技術對研究區開展1∶500 遙感數據獲取工作?；讷@取到多角度傾斜原始航片及POS 數據開展三維實景建模工作，得到研究區1∶500 高精度三維實景模型數據。利用機載LiDAR 技術獲取到測區激光點云數據，經航帶平差、去噪、點云分類處理后，制作1∶2 000 數字高程模型，得到濾除植被后的真實地表模型。

利用Earth Survey 遙感解譯軟件將獲取的三維實景模型和數字高程模型、正射影像、山體陰影等遙感數據進行融合后，建立三維解譯環境，通過野外踏勘和初步解譯建立的解譯標志[19]，對自然邊坡上分布的危巖體進行精細化調查。

結合室內遙感解譯和野外復核調查結果，研究區內危巖體以孤石、孤石群、危石、危石群為主，本次共調查危巖體172 處（包括危石及孤石132 處、危石群及孤石群40 處）崩塌11 處以及滑坡3 處（圖2）。研究區內危巖體的命名以電站的左右岸坡為分界線，以不同危巖體分類的中文縮寫作為其具體編號，如Y-WSQ07-2 意為：右岸邊坡07 號危石群02 巖塊。

圖2 水電站研究區災害分布圖Fig.2 Geological background and hazard distribution map of the hydropower station survey area

研究區左岸自然邊坡目前共分布危巖體58 處以及崩塌4 處，其中大部分危巖體位于樞紐區上游處，左岸邊坡高峻陡峭，人類活動較少。從危巖體的規模上看，發育的危巖體12 處屬大型危巖體（1 000 m3≤V<10 000 m3）、13 處為中型危巖體（100 m3≤V<1 000 m3）、33 處屬于小型危巖體（V<100 m3）。

研究區右岸自然邊坡目前共分布危巖體114 處、滑坡3 處以及崩塌7 處，其中大部分危巖體位于樞紐區上游處，右岸邊坡高峻陡峭，人類活動較少。從危巖體的規模上看，發育的危巖體26 處屬大型危巖體（1 000 m3≤V<10 000 m3）、17 處為中型危巖體（100 m3≤V<1 000 m3）、71 處屬于小型危巖體（V<100 m3）。

2.2 危巖體結構面產狀

產狀是表征結構面的空間展布狀態，對于地質體中的結構面而言，首先它是一個面，一定空間范圍內通?？梢越普J為結構面是一個平面。

因此，在無人機攝影獲取的三維模型數據中通過辨識結構面的出露面（圖3），選擇出露面上的盡可能多的點，基于Earth Survey 軟件平臺來描述這些結構面的產狀信息。最終實現了快速、準確地獲取掃描地質體中結構面的產狀參數，獲取的危巖體結構面產狀參數在三維運動過程模擬中，起著關鍵性的作用。

圖3 結構面出露Fig.3 Exposure of the structural surface

調查發現研究區內主要發育3 組優勢結構面，其中1 組傾向近N，產狀為345°～15°∠70°～85°，另外2組產狀約260°～285°∠60°～80°、140°～180°∠50°～84°。其中，右岸主要發育345°～15°∠70°～85°和260°～285°∠60°～80°兩組結構面；左岸邊坡主要發育345°～15°∠70°～85°結構面。

2.3 危巖體空間幾何特征

研究區危巖體空間幾何特征的調查辦法首先室內基于無人機遙感影像，在三維實景模型（圖4）中識別危巖體，獲取危巖體海拔、坐標、所處坡面坡度和幾何形狀參數等，隨后在此基礎上，進行野外現場調查和驗證（圖5），對危巖體邊界范圍、結構面發育情況和植被覆蓋情況等方面進行了補充和修正。調查獲得的空間幾何特征參數可以為數值模擬Unity3D 中危巖體幾何參數的選取提供可靠的依據。

圖4 三維實景模型形態Fig.4 Three-dimensional realistic model morphology

圖5 現場調查圖Fig.5 On-site investigation map

2.4 危巖體失穩模式

由于分類角度、研究區域不同，危巖體失穩模式存在多種分類方案。本文對研究區內172 處危巖體分別按《水電工程危巖體工程地質勘察與防治規程》進行分類，主要分為滑塌式、傾倒式、墜落式、孤石及孤石群4 類（圖6）。

圖6 研究區典型危巖體失穩案例Fig.6 Typical cases of destabilization of dangerous rock masses in the study area

滑塌式危巖體Y-WSQ05-1 危巖體見圖6（a），區域呈矩形分布，所在邊坡陡峭幾近直立，坡面植被較稀疏，巖體除受構造結構面切割外次生卸荷裂隙發育較少，為整體塊狀結構，卸荷范圍為8～13m；主要發育2 組結構面，結構面J1: 162°∠84，結構面J2: 216°∠62°，受順層結構面控制，主控制結構面傾向臨空面。

傾倒式危巖體Z-WSQ08-4 見圖6（b），整體凸出于周圍巖層，臨空條件好，結構面張開度較大，巖體植被覆蓋很少，基巖裸露，巖體除受構造結構面切割外發育部分卸荷裂隙，為塊狀結構，卸荷范圍為14～18m；主要發育2 組結構面，結構面J1: 69°∠84°；結構面J2: 296°∠78°。

墜落式危巖體Y-WSQ07-4 見圖6（c），危巖體塊整體凸出于周圍巖層，整體坡度較陡，接近直立，有明顯的基巖裸露，下部臨空，危巖體下部有新鮮掉塊的痕跡，推測該失穩機理為在自重等因素影響下，下部巖塊脫落，導致上部巖體應力重分布，主要靠與母巖的巖橋連接保持現有的穩定，再次失穩將由裂隙貫通造成

孤石及孤石群類型的危巖體Z-GS-05 見圖6（d），為已經剝離母巖的巨石塊體嵌入于下方殘破堆積物上層，底部松動，有向下滾動的優勢臨空面；巖體風化程度為中等風化，風化范圍為5～8 m。發育部分卸荷裂隙，為塊裂結構，卸荷范圍為2～3 m。

3 三維運動學模擬

3.1 模擬原理

Unity3D 軟件以研究區內高精度三維實景數據和危巖體調查結果構成運動模擬的災害實景（圖7）。該軟件在進行崩塌運動過程數值模擬時將巖塊與坡體視為剛體，利用調整物理材料的參數的方法控制摩擦和恢復系數，有效處理了剛體間相互碰撞過程中的能量損失。同時通過使用引擎中一個稱為“固定關節”的組件（圖8）連接巖塊對象[18]，模擬出落石與坡體撞擊碎裂及塊體間相互撞擊碎裂的過程。使得該軟件實現了危巖體彈跳、滾動和滑動等物理效果的模擬，最終對數據進行分析處理得到落石運動全過程的運動特征參數。

圖7 Unity3D 三維模擬場景Fig.7 Unity3D three-dimensional simulation scene

圖8 固定關節示意圖（M 和F 表示約束力矩和約束反力）Fig.8 Schematic diagram of the fixed joints (M and F represent the constraint torque and constraint reaction forces)

3.2 參數選擇

危巖體精細模型的具體參數包括塊體形狀、尺寸、密度、結構面抗剪強度、動摩擦系數、靜摩擦系數、彈跳系數。d1、d2和d3表示危巖體的尺寸，依據危巖帶巖體結構面間距及歷史落石塊體尺寸特征選取[18]。壩址區發育危巖巖性多為變質火山角礫巖，綜合區內過往巖石物理力學試驗（表1）及工程類比方法，確定本次模擬的巖石密度取值為2.7 g/cm3。通過模擬實驗進行坡面特征參數反演，確定動摩擦系數為0.3，靜摩擦系數為0.3，彈跳系數為0.6。參數設置如表2 所示。

表1 壩址區室內巖石物理力學試驗表Table 1 Rock physical and mechanical test data for dam site area

表2 危巖體特征參數設定Table 2 Parameters for hazardous rock mass characteristics

3.3 運動模擬分區

此次崩塌落石軌跡的數值模擬共分為4 個區域，具體分布如圖9 所示。分區的原則主要是以危巖體出露的面為單位，大致將出露在同一坡面的危巖體劃分為一個區域，該區域內危巖體通常沿著相同坡面滾落，或是在相同溝道中運動。以面為單位劃分，對以下4 個區域典型危巖體進行落石運動特征模擬，可為危巖體分區提供一定參考意義。

圖9 危巖體模擬分區圖Fig.9 Dangerous rock body simulation zoning map

劃分區塊后，分析危巖體調查結果，選取各區塊失穩模式較為典型、危險性較大的危巖體（表3）進行落石運動軌跡數值模擬。

表3 水電站四區塊危巖體分布特征表Table 3 Confidence statistics for investigating characteristic hazardous rock bodies in the study area

3.4 落石運動特征分析

基于Unity3D 集成物理引擎PhysX 計算，真實再現了研究區4 個區塊的危巖體失穩滾落路徑及解體形態，實時記錄了運動軌跡及沖擊動能參數。危巖解體過程如圖10 所示。

圖10 危巖體運動模擬Fig.10 Hazardous rock mass motion simulation

右岸區塊一位于右岸壩體頂部自然邊坡，兩處典型危石群Y-WSQ07、Y-WSQ08 模擬崩塌過程見圖11（a）。右岸區塊二位于右岸大壩下游交通要道急拐彎自然邊坡，典型危巖體Y-WS-04 危巖體，對Y-WS-04 危巖體模擬崩塌過程見圖11（b）。

左岸危巖體落石模擬區塊一位于左岸進水口頂部自然邊坡，典型危巖體Z-WSQ-07、Z-WSQ-08 所在坡面植被較稀疏，只有稀少灌木，模擬崩塌過程見圖12（a）。左岸區塊二位于左岸上游道路隧道口頂部自然邊坡，其中典型危巖體Z-WSQ01、Z-WSQ-05 所在坡面植被較稀疏，危巖群模擬崩塌過程見圖12（b）。

圖12 左岸區塊危巖體分布及運動路徑Fig.12 Distribution and trajectory of hazardous rock masses in the left bank block

4 個區塊發育的危巖體解體后的特征巖塊在最優路徑下的運動結果如圖13 和表4 所示。

表4 水電站四區塊危巖體運動模擬結果Table 4 Simulation results of hazardous rock mass motion in area four,Huangdengshui hydropower station

圖13 危巖區落石運動模擬結果Fig.13 Simulation results of rockfall movement in hazardous rock area

從運動模式來看，危巖體失穩后的首先表現均為重力作用下的自由落體運動，在撞擊在下部裸露巖體后，與坡面接觸碰撞后發生彈跳。發生第一次彈跳后，4 個區塊的落石運動開始出現巨大的差異，證明影響落石運動的因素眾多。

右岸區塊一由于坡度較陡，多數落石下落后又與坡面碰撞發生了2 次碰撞彈跳后到達大壩開口線內，部分巖塊在下落到一定高度之后，受到坡體穩定巖塊和植被因素的影響，將會停積在坡面或者掉入庫區水中，對壩體及附屬建筑物影響小，其中Y-WSQ07-4 號巖塊由于所在坡面坡度較陡，發生滾動后將會快速下落，下落速度較高，動能較大，在混凝土護坡面多次發生彈跳，最終滾落到大壩右岸停止，對大壩和廠內工作人員存在較大安全隱患，動力學參數如圖13（a）所示。

右岸區塊二部分落石將會停積在坡面，但由于坡面植被局部密集，落石下落軌跡會發生轉變，如Y-WS-04-1 號巖塊，發生滾動后將會沿著公路護坡滾動到道路上，沿著路面滾動一段距離，在摩擦力的作用下最終停止，對下方公路以及行人、車輛安全性具有一定的威脅,動力學參數如圖13（b）所示。

左岸區塊一發育的危巖群大部分巖塊下落后又與坡面碰撞發生了二次碰撞彈跳后將落入水庫蓄水區。但該區塊發育的危巖體體積巨大，裂隙貫穿發育，穩定性差，雖然布置了防護網，但邊緣處任有石塊露出，若失穩，將對正下方設施有較大威脅，解體后的Z-WSQ07-4 號巖塊動力學參數如圖13（c）所示。

左岸區塊二多數危巖體在與坡面接觸碰撞后發生彈跳，多次彈跳后落到路面上，在路面再發生高度較低的碰撞彈跳后，沿著路面滾動一段距離，在地表摩擦力的作用下最終停止。其中Z-WSQ01-1 號巖塊為對下方公路以及行人、車輛安全性具有一定的威脅，動力學參數如圖13（d）所示。

4 結論及建議

（1）通過無人機傾斜攝影測量及機載LiDAR 遙感調查技術，開展研究區危巖體遙感解譯及野外現場調查工作，基本查明了水電站兩岸自然邊坡危巖體發育分布、巖體產狀特征，空間姿態等情況，經現場復核發現危巖體特征基本符合室內無人機三維實景模型解譯的結果。

（2）與傳統三維落石模擬軟件相比，Unity3D 軟件具備可視化災害信息的特點，使得整個危巖體崩塌運動過程更加直觀，并且獲得的模擬結果與現場調查落石崩落范圍較吻合，證明此次運動反演分析的可靠性。

（3）研究區內現有防護治理措施總體布置合理完善，針對性強。區內右側岸坡已設置多級被動防護網，坡上發育的危巖體不會對電廠內重要設施構成威脅，無需增加防護設計。左岸存在多處電站重要設施，需對左岸進水口上方邊坡局部危巖增設2 處APS-200 主動防護網（圖14），防護網面積約550 m2；對支護邊坡馬道邊危巖體采取噴射混凝土治理措施，面積約52 m2，并且加強對500 kV 開關站上方自然邊坡的形變監測，提升防護性能。

圖14 防護建議部署Fig.14 Deployment of prevention and treatment recommendations