禹门口隧道洞口崩塌灾害危险性评价

摘 要：【目的】位于中国山西的禹门口隧道在建设过程中发现隧道口上方的陡崖存在较多岩石崩塌掉落现象，严重威胁浩吉铁路的正常运行。为保护工程区域，需进行岩崩灾害综合分析。【方法】利用RocPro3D理论及方法结合现场调查，运用无人机高精度航拍影像数据，对发现的64个危岩体失稳问题进行数值模拟研究，分析危岩体的三维运动路径、速度、弹跳高度、频率和停驻点等参数。构建了上述4个参数作为评价因子的崩塌危险性评价模型。【结果】研究区域的桥梁锚锭和桥隧工程区的危险性都处于中等及以上水平，而龙虎公路受影响段的危险性则在低至高之间。【结论】模拟结果与实际调查相结合，可为选择崩塌落石防治措施提供合理依据。

关键词：危岩体；数值模拟；RocPro3D；危险性评价

中图分类号：P642.21 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0101-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.021

Risk Assessment of Collapse Disaster at the Entrance of

Yumenkou Tunnel

ZHANG Zhenjiang1 ZHOU Fengming2 LUO Gan3

（1. Inner Mongolia Hohhot Pumped Storage Power Generation Co.， Ltd， Hohhot 010000，China;

2. Nanyang Yuzi Investment Development Co.， Ltd， Nanyang 473000，China；3. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045，China）

Abstract： [Purposes] During the construction process of the Yumenkou Tunnel located in Shanxi， China， it was discovered that there were many rock collapses and falls on the steep cliffs above the tunnel entrance， seriously threatening the normal operation of the Haoji Railway. In order to protect the engineering area， a comprehensive analysis of rock collapse disasters was conducted. [Methods] Combing with on-site investigations and high-precision aerial imaging data from drones， this study utilized RocPro3D theory and methods to conduct numerical simulation studies on 64 unstable rock masses discovered. The three-dimensional motion path， velocity， bounce height， frequency， and stopping point parameters of the hazardous rock masses were analyzed. A collapse risk assessment model was constructed using the above four parameters as evaluation factors. [Findings] The danger level of bridge anchors and bridge tunnel engineering areas in the study area is at a moderate or above level， while the danger level of the affected section of the Longhu Highway is between low and high. [Conclusions] The combination of simulation results and actual investigation provides a reasonable basis for selecting prevention and control measures for collapse and rockfall.

Keywords： dangerous rock mass; numerical simulation; RocPro3D; hazard assessment

0 引言

崩塌是一种多在山区山体斜坡发生的地质灾害，具有突发性、不可预测性和运动过程的随机性。破碎的岩石在脱离母岩后，受重力作用，沿着临空面交替进行自由落体、滚动和滑动［1］。在这一过程中，岩石通常具有高速度和巨大能量，会对其运动路径上的动植物和建筑物造成严重损害［2］，可能导致基础设施破坏、交通中断，甚至造成人员伤亡。因此，对高频崩塌区进行崩塌危险性评价具有重要意义［3-4］。

危险性评价是对引发地质灾害的可能性和危害程度进行估量的过程［5］。刘洪江等［6］使用GIS扩展模块Rockfall Analyst获取了崩塌块石的运动学参数，并据此进行了崩塌的危险性评价。刘晓然等［7］提出了可变模糊集评价方法，综合考虑了15个评价因子，用于评估地震引发的崩塌危险性。齐洪亮等［8］建立了连阴雨诱发公路崩塌类灾害区域的危险性评价模型，该模型基于区域影响因素叠加理论。Guzzetti［9］、Jiang［10］则从落石动能、崩落频率和危岩破碎程度等3个角度构建了崩塌灾害的危险性评价体系。

本研究首先使用RocPro3D软件构建禹门口崩塌模型，模拟了崩塌落石的运动轨迹特征。其次对岩崩块的能量、速度、频率、运动高度及停积点进行了分析，预测了崩塌的运动轨迹。最后对区域进行了崩塌危险性评价，为崩塌地质灾害的防治提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于晋陕交界处的禹门口地区，蒙华铁路从此经过。在隧道及大桥的建设过程中，大量块石的崩塌给蒙华铁路建成后的正常运营造成巨大的威胁。

1.1 地质条件

研究区内的危岩体主要来自奥陶系中统峰峰组及上马家沟组灰岩岩层（O2f），峰峰组地层整合于上马家沟组之上，分布于隧道洞顶以上，该组地层内为巨厚层状灰岩与角砾状泥灰岩互层，揭露高程为475～600 m。上马家沟组地层主要为白云质灰岩、灰岩夹角砾状泥灰岩，揭露高程450～475 m。由于层状灰岩、角砾状泥灰岩及白云质灰岩的软硬差异及其风化性差异，在研究区形成了3个高程不同的陡崖，较大的高差及较陡的坡度为危岩体的形成提供了条件。危岩体主要由两组剪节理扩张形成，分别为节理1：90°～110°∠80°～85°，节理2：170°～210°∠85°～90°。

1.2 危岩带分布

研究区整体海拔高度为450～600 m，坡度整体为40°～50°，北东向高，南西向低，整体呈半漏斗状。主要有危岩带、隧道口、铁路大桥桥台及各危岩带之间的斜坡，其中隧道口及龙门大桥桥台位于“漏斗”下部，危岩体则主要分布于“漏斗”上部。根据现场调查结果，研究区危岩体分布如图1所示。其中，3个不同海拔高度由灰岩及白云质灰岩风化侵蚀形成的陡崖带，即对应的Ⅰ区、Ⅱ区及Ⅲ区危岩带如图1（a）所示。危岩带上已经形成较多危岩体如图1（b）所示，危岩带之间的斜坡坡面上则堆积有较多块石［11］。

Ⅰ区危岩带是位于研究区顶部的海拔高度为530～595 m的峰峰组灰岩陡崖带。由于该危岩带的底部是抗风化能力更差的角砾状泥灰岩，该危岩带底部可以看到已经形成较多溶蚀凹腔。该区危岩带长超过200 m，是崩塌块石影响桥隧工程区主要的物源区；Ⅱ区危岩带是位于研究区中部的海拔高度为478～502 m的峰峰组白云质灰岩陡崖带，长约175 m；Ⅲ区危岩带位于研究区下部的隧道口上方的海拔高度为450～465 m的上马家沟组白云质灰岩陡崖带。

危岩带内共有64个危岩体，单个危岩体体积在4～1 500 m³，危岩体总体积约6 000 m³，危岩带总体积约为1.2×105 m³。其中Ⅰ区危岩带分布40块危岩体，Ⅱ区危岩带分布10块危岩体，Ⅲ区危岩带分布9块危岩体，各危岩带之间的斜坡上分布5块危岩体。

2 崩塌危岩体运动轨迹的数值模拟

2.1 模型构建方法

首先使用无人机航拍和其他测量技术获得初始地形的坐标数据；其次将这些点坐标数据被导入RocPro3D软件构建三维点云模型，通过点云数据建立三角网格并构建三维网格模型；最后将网格转换为面，构建初始的三维崩塌模型。

2.2 崩塌模型及计算参数赋值

本研究目的是通过测量手段获得高精度的地形数据，并建立一个三维数据模型。通过现场调查确定崩塌危岩体的形态特征和坡面分布情况，从陡崖顶到坡脚居民区将坡面性质分为灰岩区和软土区两个部分。根据坡面调查，不同物质组分的坡面参数赋予数值见表1。利用 RocPro3D 软件模拟禹门口隧道口崩塌中石块的运动轨迹特征。

表1 坡面参数

[参数 灰岩区 软土区 法向碰撞恢复系数 0.51 0.31 切向碰撞恢复系数 0.89 0.82 碰撞回弹垂直偏差角/（°） 20 13 碰撞回弹水平偏差角/（°） 10 10 摩擦系数 0.5 0.55 ]

2.3 数值模拟结果及运动特征分析

研究区整体呈圈椅状，高差约200 m。其中Ⅰ区危岩带是面abejbVIbd+/F9bjVlKMrC24tV8utRE5zHLdnyNDYeos=积最大、高差最大、海拔最高的，也是最具威胁的危岩带。Ⅱ区和Ⅲ区的危岩体海拔相对较低，范围较小，主要影响的区域是下方的龙虎公路。将确定的各参数导入软件进行模拟，得到落石的运动轨迹（如图2所示）。模拟结果显示，Ⅰ区危岩体发生崩塌后，落石经过自由落体、跳动和滚滑动后主要集中在坡面上的5条冲沟。其中3条冲沟的崩塌块石在隧道口处汇聚，隧道口将承受超过半数落石的直接撞击。龙门大桥桥台处将承受超过90%崩塌块石的撞击，而龙虎公路的一段将受到Ⅰ区危岩带崩塌落石的撞击。这意味着发生崩塌事件时，桥隧工程区的隧道口和大桥将承受最大的损害概率，龙虎公路的损害概率次之。

在海拔较高、坡度较大的斜坡处，落石主要进行跳动、滚动和滑动运动，停止在坡面的块石很少。而在海拔较低、坡面平缓的龙虎公路和桥台处，落石在长时间运动后动能大多已消耗殆尽。此处平缓的地形为落石停止保持稳定提供了条件，因此，有高达70%的崩塌块石会在此处停止。动能较大的崩塌块石会冲出平缓地形，最终坠入龙虎公路下方的黄河，这与现场调查的结果基本吻合。

软件中计算得到的高度、轨迹频率、速度和停滞点数量的栅格图如图3所示。由图3可知：①落石的最大高度为33.71 m，这是由于Ⅰ区危岩带高差较大，危岩体崩塌时与地面之间存在较大的高差。落石经过桥隧工程区和龙虎公路时，高度普遍在0～15 m，其中经过隧道口和龙虎公路的落石高度在10～15 m。②位于桥台处的栅格中，落石轨迹的最大频率为56.07%，而坡面上的冲沟内落石的轨迹频率则在10%～30%。③落石的最大速度可达到56.35 m/s，但当落石运动到桥隧工程区和龙虎公路时，速度通常在10～30 m/s。④停在桥台处的落石最多达到 2 373个，其他的落石则零散地停留在坡面、龙虎公路或者坠入黄河。

3 危险性评价

危险性评价的第一步是将岩崩危险性等级重新划分为5个等级。在每个DTM网格中，将通过网格的岩崩轨迹之和除以所有岩崩轨迹之和来计算岩崩轨迹频率（FR）。空间频率表示岩崩块体的主要运动路径，代表岩崩灾害的空间分布。通过在95% （CL-95%）置信限下计算和重新分类岩崩栅格的动力学数据，可以生成岩崩栅格速度（VR）和岩崩栅格弹跳高度（HER），岩崩栅格危险性（HAR）是空间频率、速度和高度的组合［9-10］。在实际运动过程中，落石在经历一段时间的运动过程后，往往会在速度趋于0时停在能够受力平衡的位置，道路等工程建筑往往是岩石接触或者停止的位置，此时将会造成交通堵塞、影响设施运作的严重后果，因此本研究在Guzzetti［9］与Jiang［10］提出的方法的基础上，增加了岩崩栅格停驻止点（SR）作为落石危险性评价的因子，计算公式见式（1）。各因子的等级划分见表2。

[HAR=FR+HER+VR+SR] （1）

得到高度、轨迹频率、速度及停留止点栅格包络值后，统计各5 m×5 m栅格的4项评价因子的数据。根据表2进行等级评价，再通过式（1）计算得到最终的危险性值。研究区危险性分布如图4所示。由图4可知，研究区中桥梁锚碇和桥隧工程区域的危险性都在中等以上。在危岩带的正下方和斜坡上的冲沟由于落石聚积，危险性相对较高。龙虎公路受影响段的危险性在低至高之间变化，而位于坡面冲沟沟口段的危险性高于其他路段。最终得到的危险性分区能够为实际工程治理防护措施的设置提供依据。

4 结论

本研究通过现场勘验和基础地质资料分析了危岩体的形成机制，使用RocPro3D软件模拟了64块危岩体失稳后的运动轨迹，并计算了几何动力学栅格数据。利用这些数据作为评价因子对工程区域的危险性进行评估，结论如下。

①禹门口隧道上方的危岩带中的64块危岩体，在脱离母岩后，超过90%的块石会撞击到桥隧工程区，超过70%的块石最终会停在龙虎公路及桥台处。

②使用RocPro3D软件模拟危岩体的崩塌可以获取崩塌速度、高度、频率和停驻止点等关键因子，这些因子可以作为崩塌灾害危险性评价的指标。

③对于禹门口隧道地区的崩塌危险性评价结果表明，研究区中的桥梁锚锭和桥隧工程区内的危险性都在中等及以上。其中，位于危岩带正下方位置和斜坡中冲沟的位置的危险性较坡面普遍要高。龙虎公路受影响段的危险性在低至高之间，位于坡面冲沟沟口段的危险性高于其他路段。

参考文献：

［1］谭明灿.危岩稳定性评价与治理研究［D］.桂林：桂林理工大学，2021.

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［6］刘洪江，兰恒星.“5.12”震后都江堰—汶川公路崩塌灾害模拟及危险性评价［J］.资源科学，2012，34（2）：345-352.

［7］刘晓然，杨谆，王威.基于可变模糊集的地震崩塌危险性评价［J］.安全与环境学报，2018，18（2）：571-575.

［8］齐洪亮，田伟平，李家春.陕西省连阴雨诱发公路崩塌类灾害区域危险性评价［J］.长安大学学报（自然科学版），2016，36（3）：7-12.

［9］GUZZETTI F， REICHENBACH P， GHIGI S. Rockfall hazard and risk assessment along a transportation corridor in the nera valley， central italy［J］. Environ Manage，2004，34（2）：191-208.

［10］JIANG N，LI H B，ZHOU J W. Quantitative hazard analysis and mitigation measures of rockfall in a high-frequency rockfall region［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2021，80（4）：1-18.

［11］万天同.基于无人机倾斜摄影技术的高陡危岩体稳定性分析研究［D］.郑州：华北水利水电大学，2020.

收稿日期：2024-02-04

基金项目：水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放研究基金资助项目（PKLHD202203）。

作者简介：张振江（1977—），男，本科，高级工程师，研究方向：安全管理。

通信作者：周峰明（1987—），男，硕士，高级工程师，研究方向：工程建设管理。