多節(jié)理石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡崩塌落石分析

馬 俊，郭曉麗，田 野，楊宇，

（1.山西晉焦高速公司，山西 晉城 048000；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司 巖土與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

0 引言

高陡巖質(zhì)邊坡崩塌落石是一種分布廣泛且影響嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，但是在很多山區(qū)，受地形地貌影響，難以進(jìn)行直接測(cè)量，增大了落石災(zāi)害評(píng)價(jià)的難度。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，各類非接觸測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地理信息識(shí)別中，三維激光掃描儀、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星遙感、Lidar、InSAR、熱成像等，通過(guò)這些手段，可以準(zhǔn)確且快速地獲取地面信息，大大降低人為測(cè)量的成本和危險(xiǎn)。以上測(cè)量手段獲取的地理信息多以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)，最常見的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是諸多地物點(diǎn)的集合，根據(jù)測(cè)量精度不同，點(diǎn)云的密度也有所差別。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，每個(gè)點(diǎn)包含X、Y、Z絕對(duì)坐標(biāo)，可以確定空間位置。此外還含有其他關(guān)鍵信息，例如地物顏色、地理坐標(biāo)等。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量地區(qū)地形地貌的重構(gòu)，并建立高程圖、地形圖、地貌圖等，構(gòu)建三維地質(zhì)模型，為后續(xù)數(shù)值計(jì)算提供基礎(chǔ)。

激光掃描結(jié)果有很多種后期處理方法，學(xué)者們基于激光掃描進(jìn)行了深入研究與探討。Fanti[1]利用地面激光掃描技術(shù)提取了巖體結(jié)構(gòu)面幾何結(jié)構(gòu)，將落石類型分為彎曲傾倒和楔塊破壞。Ravanel[2]利用陸地激光掃描識(shí)別了地貌，通過(guò)長(zhǎng)期掃描，可以為環(huán)境變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Marsella[3]采用地面激光掃描重建了邊坡的幾何結(jié)構(gòu),描述巖石不連續(xù)面的分布和方向，有助于落石危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Van Veen[4]以激光掃描為手段，對(duì)落石信息進(jìn)行了檢測(cè)與識(shí)別，構(gòu)建了邊坡變形頻率與震級(jí)的關(guān)系。Fanos[5]利用激光雷達(dá)獲取了高精度數(shù)字地形模型，從落石源、誘發(fā)因素、運(yùn)動(dòng)形式等方面進(jìn)行了全面分析，并對(duì)落石進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)。Obanawa[6]利用無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)和地面激光掃描測(cè)量對(duì)復(fù)雜地貌進(jìn)行測(cè)量，構(gòu)建了多期三維點(diǎn)云，定量評(píng)價(jià)了巖體體積變化特征。Vanneschi[7]利用地面激光掃描獲得邊坡表面幾何結(jié)構(gòu)的詳細(xì)三維幾何信息，進(jìn)一步利用三維概念數(shù)值模擬，對(duì)摩擦角、不連續(xù)剪切和法向剛度、不連續(xù)間距和方向等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了一系列敏感性分析。Dong[8]利用地面激光掃描方法，描述了從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建塊狀巖體三維表示的處理方法。塊體離散元是一種以非連續(xù)性介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法，適用于塊裂介質(zhì)和板裂介質(zhì)的穩(wěn)定性分析，尤其適用于崩塌落石的計(jì)算。

本文利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)太行山南麓的高速公路高陡邊坡進(jìn)行了調(diào)查與測(cè)量，選取了其中一個(gè)典型邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過(guò)建立三維地質(zhì)數(shù)字模型，提出了一套適用于高陡巖質(zhì)邊坡危巖落石的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。從崩塌落石誘發(fā)機(jī)制和運(yùn)動(dòng)機(jī)理出發(fā)，將巖質(zhì)崩塌分為三大類：摩擦-滑動(dòng)型、鎖固-斷裂型和碎裂型。研究結(jié)果可以為其他地區(qū)崩塌落石研究提供參考，為崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于山西省太行山南麓，上覆第四系全新統(tǒng)洪積塊石（Q4），下部以?shī)W陶系中下統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r（O2）為主，基巖產(chǎn)狀154°～161°∠19°～23°，受太行山構(gòu)造作用影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面無(wú)填充物，平均間距約2～4 cm，巖體內(nèi)部有小型溶洞分布。邊坡長(zhǎng)度約90 m，高度69 m，整體傾向6°，坡面平均傾角52°，其分布區(qū)域及工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 研究地點(diǎn)（單位：m）

巖塊夾雜有很多細(xì)小石英礦脈，硬度較高，錘擊有清脆響聲，難溶解于水，平均密度為2.42 g/cm3。干燥巖塊平均縱波波速為5 500 m/s，干燥巖塊單軸抗壓強(qiáng)度為50 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為47 MPa，表面回彈值最高8.9 MPa，最低5.1 MPa，主要礦物成分見表1。

表1 礦物成分

1.2 儀器設(shè)備

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的非接觸式空間信息獲取技術(shù)，可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)快速、精確、無(wú)接觸測(cè)量的作用，該次測(cè)試采用的是德國(guó)Z+F 5010型三維激光掃描儀，可實(shí)現(xiàn)水平360°垂直320°全方位點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描與捕捉，最高精度可達(dá)到0.3 mm，最遠(yuǎn)測(cè)距187.3 m，可自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，檢查標(biāo)志質(zhì)量，查找補(bǔ)測(cè)盲區(qū)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接。

圖2 Z+F 5010三維激光掃描儀

2 三維激光結(jié)果

三維激光掃描儀掃描結(jié)果如圖3所示，圖中可以清晰地分辨出坡體形狀，由于表層覆蓋有植物，需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖3 三維掃描全景

首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理（圖4a），去除道路、車輛、植物等干擾因素，再剔除邊坡邊緣的體外孤立點(diǎn)，獲得了較為清晰準(zhǔn)確的點(diǎn)云集合。在此基礎(chǔ)上，將點(diǎn)云通過(guò)算法連接，形成面，并通過(guò)手動(dòng)填充孔洞，刪除凸出部分，調(diào)整坡形，使其與實(shí)際坡形相同（圖4b）。隨后利用平面工具，對(duì)邊坡表面的若干結(jié)構(gòu)面進(jìn)行標(biāo)注，得到平面并編號(hào)（圖4c），通過(guò)調(diào)取平面信息，可獲取平面的法向向量，進(jìn)而換算得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。

圖4 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)面建立

以處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成等高線，通過(guò)插值法進(jìn)行填充，構(gòu)建邊坡三維地質(zhì)模型（圖5），實(shí)現(xiàn)模型可視化重構(gòu)。可以從圖中看到明顯的3級(jí)臺(tái)階，以及白云巖和石灰?guī)r的界面。

圖5 三維地質(zhì)模型建立

3 工程巖體穩(wěn)定性分析

3.1 赤平極射投影分析

依據(jù)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算得到了12組具有代表性的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，列于表2。

表2 巖體主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

依據(jù)節(jié)理特征，繪制出坡面與兩組節(jié)理面的赤平極射投影圖。兩組節(jié)理面的投影交點(diǎn)處于邊坡面外側(cè)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生楔形體破壞的可能性較小，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巖體表層遭受強(qiáng)烈風(fēng)化作用，巖體破碎，容易發(fā)生小塊體崩塌。

圖6 赤平投影圖

3.2 落石能量分布特征

根據(jù)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的地形結(jié)果，可得到邊坡剖面圖，按照工程地質(zhì)情況，邊坡分為3種材料類型，頂部為碎石土，中下部為堅(jiān)硬石灰?guī)r，坡腳為瀝青路面。綜上可知，危巖體以小塊居多，因此在進(jìn)行能量計(jì)算時(shí)，按照平均重量10 kg為準(zhǔn)，坡體轉(zhuǎn)折部位定位初始點(diǎn)，初始水平速度和豎直速度均為0 m/s，在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

落石整體上發(fā)生了3次運(yùn)動(dòng)形式的變化，邊坡下部發(fā)生一次，路面上發(fā)生兩次，其中在路面上第一次以彈跳為主，彈跳高度較高，跳躍后能量急劇降低，使得路面上的第二次運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)為滾動(dòng)。以邊坡不同位置為基礎(chǔ)，分為7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行落石能量分析。整體呈現(xiàn)正態(tài)變化，從A到D點(diǎn)，能量逐漸增大，渡過(guò)D點(diǎn)后，能量發(fā)生大幅度衰減，在經(jīng)過(guò)E-F段時(shí)，能量發(fā)生二次衰減，最終散落到G點(diǎn)，能量消耗殆盡。

由此可知，邊坡下部D點(diǎn)位置承受最大落石能量，而落石集中掉落于坡腳的E-F段內(nèi)，在路面發(fā)生跳躍，極易對(duì)邊坡下部和坡腳造成破壞。

圖7 落石運(yùn)動(dòng)軌跡及能量分布

4 危巖落石巖體風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

基于劉洪亮等[9]提出的可拓學(xué)理論，依據(jù)三維激光掃描獲取的信息，進(jìn)行落石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，結(jié)合工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮多種影響因素的相互作用，對(duì)危巖落石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了改進(jìn)和完善。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，影響危巖落石的主要因素可分為三大類：落石運(yùn)動(dòng)特征、工程地質(zhì)條件以及自然環(huán)境條件，其中具體影響分類列于表3。其中按照對(duì)工程影響程度大小分為5級(jí)：極低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)以及極高風(fēng)險(xiǎn)，每級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)分等級(jí)為1、2、3、4、5分。將落石運(yùn)動(dòng)特征細(xì)分為7種次級(jí)影響因素，基于落石運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、落石能量以及落石影響范圍對(duì)影響程度進(jìn)行分級(jí)。工程地質(zhì)條件分為8類，依據(jù)工程巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。自然環(huán)境條件分為6類。

表3 危巖落石影響因素

由于篇幅限制，計(jì)算原理及過(guò)程在此暫不列出，可參見劉洪亮等人的計(jì)算方法。本文研究的邊坡具體參數(shù)列于表4。最終計(jì)算得到的變量特征值為4.16，危巖巖體整體質(zhì)量為Ⅳ級(jí)，屬于高風(fēng)險(xiǎn)巖體。

表4 太行山南麓某高陡巖質(zhì)邊坡指標(biāo)參數(shù)

對(duì)于單個(gè)邊坡，不同位置的巖體風(fēng)化程度有所差異，落石運(yùn)動(dòng)特征也不相同，在進(jìn)行落石防護(hù)時(shí)，若選取保守防護(hù)措施，會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)過(guò)高。因此細(xì)化斜坡巖體風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，可以為防護(hù)措施提供依據(jù)，便于針對(duì)性防護(hù)，可以有效節(jié)省成本，達(dá)到最優(yōu)支護(hù)效果。將上述計(jì)算方法嵌入程序，基于CAD進(jìn)行二次開發(fā)，針對(duì)單體邊坡不同位置的落石特征、巖性差異、風(fēng)化程度進(jìn)一步分級(jí)。

圖8 邊坡巖體分級(jí)

依據(jù)本節(jié)研究結(jié)果，可以構(gòu)建高陡巖質(zhì)邊坡崩塌落石的力學(xué)模型。針對(duì)多節(jié)理硬質(zhì)巖體，根據(jù)節(jié)理發(fā)育程度和接觸類型不同，建立了3種變形破壞模式：摩擦-滑動(dòng)型、鎖固-斷裂型、碎裂型。具體特征列于表5。

表5 崩塌力學(xué)模式

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)太行山南麓灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡進(jìn)行調(diào)查，以其中具有代表性的邊坡為對(duì)象，通過(guò)三維激光掃描，構(gòu)建了邊坡三維地質(zhì)模型，并以此為基礎(chǔ)，利用塊體離散元進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，同時(shí)建立了落石能量與運(yùn)動(dòng)路徑的關(guān)系，依據(jù)巖體受力特征和節(jié)理發(fā)育情況對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡崩塌模式進(jìn)行了分類。得到了以下認(rèn)識(shí)：

a）三維激光掃描是一種有效可靠的非接觸測(cè)量方法，可以準(zhǔn)確地識(shí)別地物信息，并進(jìn)行一系列后續(xù)處理與分析，可極大縮減勞動(dòng)量，提高工作效率。

b）高陡邊坡崩塌主要受到層理和節(jié)理控制，層理、節(jié)理與坡形三者的空間關(guān)系共同決定了邊坡的穩(wěn)定性。

c）節(jié)理發(fā)育的碳酸鹽巖邊坡在發(fā)生崩塌落石后，還需注意其引起的次生災(zāi)害，重點(diǎn)探測(cè)坡體內(nèi)部的溶洞。

d）落石運(yùn)動(dòng)路徑受坡形影響較大，落石能量與運(yùn)動(dòng)路徑呈正態(tài)分布的關(guān)系，當(dāng)落石運(yùn)動(dòng)至邊坡中下部時(shí)，能量達(dá)到最大，在經(jīng)歷一系列彈跳、滾動(dòng)等行為后，能量迅速衰減，大量落石集中在坡腳，形成塊石堆積體。

e）按照巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和受力特征，建立了3種高陡巖質(zhì)邊坡崩塌力學(xué)模式：摩擦-滑動(dòng)型、鎖固-斷裂型以及碎裂型，不同模式具有不同的運(yùn)動(dòng)形式和破壞程度。