桐新高速四平隧道危岩落石运动特征及危害性研究

于进泉 蒲春林 马 康 周 钦

(1.中国铁建昆仑投资集团有限公司 四川成都 610041；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵州贵阳 550081)

1 引言

山区公路处于特定的环境地质条件，在高陡山区易发生危岩落石灾害，阻断公路通行，甚至导致严重人员伤亡和财产损失。例如，2019年5月28日，G78汕昆高速河池一号隧道口发生崩塌落石，道路交通受到阻断。2021年9月30日，国道G347线黑水境内段西尔隧道口发生危岩崩塌，导致茂县至红原G347线交通中断。可见，在山区公路开展高陡危岩体的危害程度和威胁范围研究非常必要。

对于危岩落石运动轨迹及危害性研究，多数学者基于数值软件计算分析，获得危岩体的运动特征。孔伟[1]通过PFC软件模拟了有形状的危岩落石块体和无形状的危岩落石质点运动过程，对比分析了碰撞速度与弹跳高度。Ansari.M.K[2]利用落石软件评估玄武岩块的运动距离、弹跳高度、动能和运动速度，并编制了落石危险分布图。肖智勇[3]运用Rockfall软件获得了高陡危岩体运动轨迹及冲击能量。何宇航[4]采用Rockfall软件模拟落石运动轨迹，确定滚石的威胁范围和危险等级。

本文以桐梓至新蒲高速四平隧道洞口高陡危岩体为依托，应用无人机倾斜摄影测量技术，构建危岩体三维空间模型，通过Rockfall计算软件研究危岩落石的运动轨迹、动能、弹跳高度、落点位置等运动特征，评价了危岩落石运动影响范围和危害程度，为公路高陡危岩体防治设计提供技术支撑。

2 危岩体基本概况

2.1 危岩体调查

文献[5]表明，大多数危岩体发育于大于50°的陡坡和高位坡体，从空间分布形态上属于高陡危岩体。利用无人机摄影技术，获取测区多角度影像资料和三维点云坐标数据，经过数据处理得到高精度危岩体模型[6-8]。本文研究区地处桐梓县娄山关镇四平隧道洞口，建立四平隧道洞口危岩体模型，如图1所示。

2.2 危岩体环境条件及特征

(1)危岩体环境条件

研究区海拔介于945～1 284 m之间，相对高差339.0 m，地形坡面呈“上陡下缓”的特点，下部斜坡自然坡度在22°～40°，上部陡崖近直立，属于中山中切割侵蚀地貌，陡崖地带地层岩性主要为奥陶系五峰组、中统宝塔组泥质灰岩，斜坡地带地层岩性为奥陶系湄潭组粉砂质泥岩夹灰岩、粉砂质泥岩，从地层结构上属于上硬下软组合结构。从构造上，研究区属于扬子准地台黔北台隆、遵义断拱、凤岗北东向构造区，处于单斜构造，地层产状 35°～45°∠7°～10°，地质构造较为简单[9-10]。

(2)危岩体特征

利用无人机采集危岩体模型，解析后识别出13块危岩体，根据危岩体分布特点，将危岩体划分为两个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区。从Ⅰ区、Ⅱ区分别选取最不利危岩体作为研究对象，记为WY1和WY2。测得危岩体WY1分布高程在1 310～1 314 m，长度约2.4 m，高度约3.2 m，厚度约1.8 m，方量约13.82 m3；测得危岩体 WY2分布高程在1 295～1 318 m，长度约2.9 m，高度约2.0 m，厚度约2.5 m，方量约14.50 m3。与桐梓至新蒲高速公路相对高差130～146 m，均判定为特高位危岩体。通过危岩体模型研判，下部软岩风化使得上部硬岩卸荷裂隙不断延伸扩展，形成的不稳定危岩块体发生倾倒失稳，形成落石灾害，对桐梓至新蒲高速四平隧道洞口段构成严重危害[11]。

3 落石运动特征分析

3.1 Rockfall模型建立

通过无人机采集数据确定了危岩体位置、几何形状、大小、运动方向以及实际边坡坡面形态，危岩体形态特征基本参数取值见表1。WY1和WY2均发生倾倒式破坏，危岩体初始运动状态为倒转，两者大小相近，假定水平初速度为0.5 m/s，竖向初速度为0.5 m/s，角速度为2.0 m/s，分别沿剖面1和剖面2发生运动，以此对危岩体WY1及所处剖面1、危岩体WY2及所处剖面2进行Rockfall建模计算分析，模型见图2及图3[12]。

表1 研究区危岩体基本参数取值

边坡特征影响落石运动轨迹和能量转换，是影响落石运动的重要因素[13]。根据危岩体斜坡面岩体性质、坡面覆盖层状况和植被发育特征等情况，综合确定斜坡面的碰撞法向恢复系数、碰撞切向恢复系数和动摩擦系数等基本参数，如表2所示。

表2 研究区落石运动斜坡面基本参数取值

Rockfall软件是一款用于计算落石运动轨迹的概率统计分析软件，按预定分布随机抽样对落石运动轨迹进行计算分析，得到落石运动特征规律。块体生成方式选择随机，落石随机数量为1 000个。

3.2 结果分析

借助 Rockfall软件，对危岩体 WY1、危岩体WY2进行模拟计算，绘制出危岩落石的运动轨迹图、动能分布图和弹跳高度分布图，以此分析落石运动特征规律，评价危岩落石运动影响范围和危害程度，为公路高陡危岩体防治设计提供技术支撑。

(1)运动轨迹分析

图4、图5分别为危岩体WY1、危岩体WY2运动轨迹图，可直观展示危岩体WY1、危岩体WY2在斜坡面上的整个运动轨迹。从两处高陡危岩体的运动轨迹可以看出，危岩体落石随机发生1 000次，其运动轨迹整体趋势基本一致，但运动轨迹又表现出一定的随机性；危岩体失稳坠落后随地面形态变化发生多次碰撞弹起、滚动并最终停止运动；在坡面陡峭地带危岩体进行斜抛运动，如危岩体WY2中段，在坡度较缓地带危岩体主要以滚落方式运动，如危岩体WY1中后段。

(2)运动动能分析

图6、图7分别为危岩体WY1、危岩体WY2在运动过程中总动能分布图。危岩体WY1在泥质灰岩较陡斜坡地带经过两次跳跃后，距离四平隧道洞口约80 m斜坡上达到最大运动速度和最大动能，动能最大值约16 263 kJ，落石继续在碎块石堆积层较缓斜坡上发生跳跃滚动，能量损失较大，到达四平隧道洞口时，冲击动能为649 kJ；危岩体WY2在粉砂质泥岩夹灰岩较陡斜坡地带经过四次跳跃后，距离四平隧道洞口处路基地带达到最大运动速度和最大动能，动能最大值约20 368 kJ，落石继续在高速公路路面上发生跳跃滚动，最终停留在高速公路上，说明了地形坡度缓、坡体刚度较小能够显著削弱落石的运动动能。

为了进一步研究危岩体WY1、WY2对桐梓至新蒲高速公路危害程度，在Rockfall软件中于隧道口设置计数器，发生随机1 000次落石，危岩体WY1共有48次落到隧道口，危岩体WY2共有199次落到隧道口，揭示危岩体WY1落至高速公路为小概率事件，对高速公路危害相对较小；危岩体WY2落至高速公路为大概率事件，对高速公路危害相对较大，并且滚落至高速公路的动能大，对公路破坏性大。

(3)弹跳高度分析

图8、图9分别为危岩体WY1、WY2在运动过程中弹跳高度分布图。危岩体WY1发生2次显著的弹跳运动，第一次发生在坠落下方的泥质灰岩陡斜坡地带，出现最高的弹跳高度约10.5 m，第二次发生在WY1落石运动过程中的中段，该段地处碎块石堆积层较缓斜坡地带，弹跳高度约3.6 m，其他运动过程主要为轻微弹跳和滚动方式，在隧道洞口落石以滚落方式运动，危岩体WY1运动过程中弹跳高度表现为先增大后减少趋势；危岩体WY2发生3次显著的弹跳运动，第一次发生在粉砂质泥岩夹灰岩基岩较陡斜坡地带，出现最高的弹跳高度约为8.1 m，第二次发生在WY2落石运动过程中的中段，该段地处粉砂质泥岩夹灰岩基岩较陡斜坡地带，弹跳高度约3.1 m，第三次发生在WY2落石运动过程中的后段，位于隧道洞口处路基地面，弹跳高度约4.9 m，在隧道洞口路基处落石以弹跳方式运动，危岩体WY2运动过程中弹跳高度表现为先增大后减少最后再增大的趋势。

从危岩体WY1、WY2运动轨迹图和运动特性分布曲线可以分析出如下规律:①危岩体下落后运动过程中动能随着坡面变化出现涨落，危岩体落石运动过程，重力势能不断转化成动能，坡面对落石运动产生能量损失。②坡面特性及坡面坡度强烈影响落石运动轨迹、运动动能和弹跳高度。③危岩体WY1落石运动轨迹前段的落石速度快、运动能量大、弹跳高，运动轨迹中段落石不断与坡面相互作用，其较平缓坡面、较小刚度的坡体吸收较大能量，随之落石速度减小、运动动能降低，产生显著削弱效应，运动范围缩小，从而危害性较小；危岩体WY2落石运动轨迹前段的落石速度快、运动能量大、弹跳高，运动轨迹中段落石不断与坡面相互作用，其较陡的坡面、较大的坡体刚度吸收较小能量，随之落石速度增大、运动动能增加，削弱效应不显著，运动范围扩大，从而危害性较大。因此，相比危岩体WY1，危岩体WY2造成的破坏性更大。④从落石运动至高速公路边缘处的运动轨迹看，落石随机发生1 000次，危岩体WY1落至高速公路为小概率，危岩体WY2落至高速公路为大概率。⑤坡面堆积层、茂密植被能够有效缓冲和消耗落石运动冲击能量，在落石防护设计中可以充分借鉴，降低落石冲击的破坏程度。

4 结论

依托桐梓至新蒲高速公路四平隧道危岩体开展落石危害性研究，利用无人机摄影测量技术和图像处理技术，构建危岩体三维实景模型，实现危岩高精度可视化，通过概率统计分析软件Rockfall展开了两处高陡危岩体的落石运动特征模拟计算研究，对比分析了落石运动轨迹、运动动能、弹跳高度等特性规律，评估了危岩体影响范围和破坏程度。

(1)坡面特性及坡面坡度影响落石运动方式，落石运动方式有坠落、斜抛、弹跳、滚动等。在较硬性陡峭坡面，危岩体以斜抛运动为主，如危岩体WY2中段；在较柔性缓坡地带，危岩体以滚动方式为主，如危岩体WY1中后段。

(2)危岩体WY1落石运动轨迹前段的落石速度快、运动能量大、弹跳高，运动轨迹中段落石不断与坡面相互作用，其较平缓的坡面、较小刚度的坡体吸收较大能量，随之落石速度减小、运动动能降低，产生削弱效应，运动距离缩短，从而危害性降低；危岩体WY2落石运动轨迹前段的落石速度快、运动能量大、弹跳高，运动轨迹中段落石不断与坡面相互作用，其较陡的坡面、较大的坡体刚度吸收较小能量，随之落石速度增大、运动动能增加，削弱效应不显著，运动范围扩大，从而危害性较大。因此，相比危岩体WY1，危岩体WY2造成的破坏性更大。

(3)从落石运动至高速公路边缘处的运动轨迹看，落石随机发生1 000次，危岩体WY1落至高速公路为小概率，危岩体WY2落至高速公路为大概率，危岩体WY2对桐梓至新蒲高速四平隧道洞口危害更大。

(4)高陡危岩体具有强大的灾害性，威胁桐梓至新蒲高速公路四平隧道洞口行车安全，在落石防护设计中需采取削弱落石冲击能量措施，以降低落石冲击的破坏程度。