某高速公路落石處治方案分析

作者簡介：黃黎明（1964—），高級工程師，主要從事工程地質、巖土勘察設計工作。

摘要：山區的陡崖落石是高速公路運營期常見的地質災害之一。由于危巖落石一般位于陡崖上部，山體內側的貫通控制性節理在勘察設計中容易被忽視。因此，文章根據某高速公路落石案例，結合無人機傾斜攝影技術、三維建模解譯確定落石的高度、方量，通過計算機模擬運動軌跡計算獲取落石運動特征，為落石處治提供依據。該處治方案的思路及模式可為今后的山區陡崖落石處治提供參考與借鑒。

關鍵詞：落石；傾斜攝影；三維建模；運動軌跡；沖擊能量

中圖分類號：U418.5+5A170563

0 引言

在石灰巖、砂巖等硬質巖分布區修建公路時，由于路線緊靠高陡山體或對山體進行開挖，陡崖路段的危巖落石成為公路運營期間重點防治的地質災害之一。由于山體高陡，常規的地質調查難以觀測到鄰近公路陡坡上巖層產狀、節理等結構面組合的風化程度、裂隙大小、膠結程度等特征，容易忽略潛在的危巖崩塌地質災害。如果結構面組合不利于塊體穩定，在施工時的擾動、雨水的入滲等外部因素作用下，會改變原來的基本穩定狀態，從而導致落石現象。

本文根據某高速公路落石案例，分析研究落石的運動特征，并提出相關處治措施和建議。

1 工程概況

某高速公路于2021年7月建成通車。在K85+600一帶路線呈南北走向，西側緊靠石灰巖高陡山體。2022年3月，持續降雨引發巖體崩塌現象，崩塌位置靠近山頂，崩塌體在墜后，與山坡上的巖塊碰撞，分解成十塊較大的巖塊和眾多較小巖塊，其中四塊巖塊繼續彈跳并墜落到公路上，六塊則滾動后堆積在平臺上。

2 地質環境條件

（1）地形地貌：所在區域為孤峰平原地貌，峰頂標高為215 m，高速公路設計標高為114 m，相對高差最高為101 m。峰頂呈錐狀，以下為70°～88°的陡壁，高差約40～55 m。坡腳為20°～30°斜坡。陡崖與斜坡之間由于崩塌堆積，形成向外傾斜的相對平緩的“平臺”。峰頂溶蝕裂隙發育，巖體切割強烈，裂隙中有灌木生長。

（2）地層巖性：該山體地層為二疊系茅口階石灰巖，呈灰白色，中厚層-厚層狀。巖體單軸抗壓強度gt;60 MPa，為堅硬巖。在陡崖下的斜坡上，分布有崩塌堆積物，主要為塊石、碎石及風化后形成的黏性土。厚度為2～5 m。

（3）地質構造：該巖層為單斜構造，巖體產狀為210°～230°∠8°～15°，為緩傾角地層，與公路邊坡傾向相反。發育兩組節理：165°∠80°～88°，3～4條/m；105°～115°∠35°～45°，1～2條/m，均為剪切節理，含有鈣質及泥質膠結。前者在峰頂溶蝕較為強烈，形成溶蝕裂隙；后者多為閉合狀態，但局部在水的作用下有泥化現象。峰頂裂隙由于泥化，有灌木生長。

（4）水文地質：山體無穩定地下水位，但由于上部裂隙發育，雨水容易沿裂隙下滲，導致降雨時裂隙充水。

（5）人類工程活動：由于公路路基開挖，在坡腳形成2～4級坡率為1∶0.5～1∶1的人工邊坡，邊坡傾向北東，采用噴射混凝土及主動防護網防護。

3 崩塌形成機理

通過分析赤平投影圖發現，山體的巖層傾向與面向公路的臨空面逆向斜交，山體總體穩定。但由于節理的切割，巖體成塊體或楔形體狀；存在外傾結構面，當這些結構面張開或軟化時，其抗剪強度不足以支撐塊體重力，從而導致塊體失穩。而本次崩塌符合了上述條件：平行發育的陡傾角節理（165°∠80°～88°）和外傾節理（105°～115°∠35°～45°），以及巖層面將巖體切割成塊體。通常情況下，結構面膠結較好，塊體穩定，而崩塌體位于靠近山頂的陡崖上部，陡傾角節理在溶蝕作用下張開，形成溶蝕裂隙；其余結構面也不同程度受溶蝕，出現夾泥現象。崩塌前持續降雨，裂隙充水產生靜水壓力，夾泥裂隙也出現軟化現象，抗剪強度降低，最終導致了崩塌發生。

4 落石勘察分析

4.1 無人機勘察

由于山體陡峭，無法通過人工爬上山體上部來調查落石的位置、范圍和尺寸，因此采用無人機傾斜攝影技術對路線西側山體進行調查。通過現場設置攝影區域，將陡崖山體覆蓋于區域范圍內，使用傾斜攝影技術飛行5條航跡線，其中第1條航線為正射航跡線，攝像頭角度為-90°，其他4條航跡線為東南西北四個方向的傾斜航跡線，攝像頭角度調成-45°，影像重疊率宜設置≥70%。設置完成后，無人機將自動飛行拍攝完成。

4.2 落石山體三維建模

將無人機傾斜攝影拍攝的航片利用Context Capture軟件進行實景三維建模，對落石山體進行三維空間實景還原。Context Capture軟件可在無人干預的情況下，基于拍攝的影像生成高分辨率三維模型，輸出的三維網格模型能夠準確、精細地復原建模主體的真實色澤、幾何形態及細節構成。

傾斜攝影三維建模步驟如下：

新建項目導入照片→添加像控點和連接點→空中三角測量→新建重建項目，提交新的生產項目→計算輸出模型。一般選擇osgb格式。

4.3 三維模型解譯落石情況

采用DasViewer實景三維模型瀏覽器，解譯落石高度、體積方量、節理裂隙等相關信息。

某高速公路落石處治方案分析/黃黎明，羅大慶，李文龍

由三維實景模型可知，落石位于陡崖半山腰上，通過同一平面上不同的三個點三維坐標計算得出，落石尺寸為8 m×6 m×5 m，體積約為240 m³，落石下落距離高速公路邊坡頂部的高度約為40 m，距離高速公路路面高度約為60 m，下落過程中脫落成若干塊塊石。其中一部分堆積于邊坡頂部的覆蓋土層上，另一部分則繼續滾落于高速公路路面上。見圖1。

4.4 運動軌跡分析與沖擊能量計算

通過RocFall軟件分析落石崩解為若干塊后塊石后運動路徑的模擬分析落石在陡崖上的運動路徑、能量分布和高度變化，為落石防護處治提供了直觀有效的依據。在本次分析中，假設每塊落石體積為20 m³，巖石密度取2 700 kg/m³。軟件分析需要輸入陡崖坡體的法向恢復系數、切向恢復系數及摩擦角三類參數進行計算（見表1）。

利用RocFall軟件計算得出落石滾落運動軌跡，如圖2所示。

從圖2可以看出，落石掉落在陡崖下方的陡坎上后經過一次反彈，基本彈落在距離公路邊坡頂部平距6～12 m的位置。

不同累計頻數下的沖擊能量如圖3所示。

根據計算結果顯示，累計頻數為95%時的沖擊能量為12 849.1 kJ?？扇∮嬎愕膹椔湮恢煤蜎_擊能量作為該落石處治的依據。

5 落石防治

通過無人機構建的三維實景模型進行分析，發現在崩塌地段仍存在張開的陡傾角裂隙，另一組外傾裂隙膠結程度不明，推測在雨水入滲及根劈作用下，仍存在崩塌的潛在風險。因此，該坡體在崩塌后仍需要進行防治。然而，由于公路已投入運營，大規模清除巖體會影響下方的行車安全，故總體防治思路以柔性防護為主。

根據落石分析結果可知，落石大部分掉落在公路邊坡頂部的土質緩坡平臺上。由于碎石土的法向恢復系數和切向恢復系數較巖石低，摩擦角較巖石高，因此土層具有良好的消能作用，掉落與土坡上再次彈起的高度lt;5 m，可把該頂部的緩坡平臺作為緩沖平臺進行消能。落石計算所得累計頻數為95%時的沖擊能量為12 849.1 kJ，而目前市場上的最大能級的柔性防護網為8 000 kJ，常見的防護能級為1 000～5 000 kJ，即柔性防護網不能承受4.6 m³（約12 t）的落石從40 m高度崩落的直接沖擊。

處治方案建議（見圖4）：

（1）施工前應對陡崖山體進行全面排查，清除陡崖坡面上明顯的松散危巖、危石。

（2）在陡崖坡面上部采用主動防護網進行防護，而陡崖坡面下部則可不進行防護。

（3）充分利用坡腳較緩的有利條件，在前兩道工序完成后，在陡崖坡腳開挖緩沖平臺，寬12～15 m，覆蓋緩沖土層2 m厚，土類為碎石土、黏土、含礫粉質黏土等，壓實度≥75%，內傾坡度為4%。

（4）在緩沖平臺側下方設置2道被動防護網：防護能級為5 000 kJ的被動防護網，高度為6 m；防護能級為1 500 kJ的被動防護網，高度為5 m。

6 結語

該案例根據工程經驗分析，并結合無人機傾斜攝影技術、實景三維建模技術、三維模型解譯及運動軌跡分析與沖擊能量計算等技術手段，對落石的高度、方量、運動軌跡、沖擊能量進行計算分析，為落石處治提供依據。該處治方案的思路及模式可為今后類似地質災害的處治提供參考與借鑒。

（1）對于山體陡峭、難以攀爬抵近觀測、具有潛在落石且靠近公路的陡崖，可采用無人機傾斜攝影技術、實景三維建模技術和三維模型解譯對現場工點進行實景還原，高效準確地獲取必需的落石物理力學參數信息，為進一步分析提供基礎。

（2）RocFall軟件可以很好地模擬落石滾落的運動軌跡和計算沖擊能量。通過模擬落石運動軌跡，可以判斷落石滾動影響區范圍，分析落石彈跳高度及產生的沖擊能量，為落石防護處治提供直觀有效的依據。

（3）野外調查表明，落石大部分堆積于相對坡度較緩的斜坡或谷地上。對于石灰巖山體，普遍具有上陡下緩的特征。本工點即具備該特征：上部山體基巖裸露，山體陡峭，下部相對較緩，表面堆積有坡殘積層。根據落石計算分析結果，碎石土、黏性土的法向恢復系數和切向恢復系數較巖石低，土層相對硬質巖石具有良好的消能作用，可作為緩沖平臺消能。如果判斷潛在落石沖擊能量較大，可在相對平緩的坡腳地帶開挖緩沖平臺或落石溝，再在落石彈跳落點外設置常規被動防護網，在確保安全條件下降低防護能級，從而降低防護費用，取得較好的經濟效益。

參考文獻

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