青藏铁路设兴村段崩塌特征分析与运动学模拟*

王 颂 张路青 周 剑 韩振华 刘海洋

（①中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京100029，中国）

（②中国科学院大学，北京100049，中国）

（③中国科学院地球科学研究院，北京100029，中国）

0 引 言

随着国家“一带一路”倡议的实施，大规模的高速公路、铁路、输变电线路等基础设施在西藏加紧建设，成为连接我国与南亚各国的纽带。然而，复杂的地质条件增加了建设难度，千公里尺度的线状开挖工程又对脆弱的地质环境造成了强烈扰动，加剧了沿线地质灾害的暴发，如仅川藏公路（西藏境）各类地质灾害点多达1500处（祝建等，2018）。地质灾害严重制约基础设施的建设，影响已建成设施的安全运营，甚至给人民的生命财产安全造成严重危害。西藏地区地质灾害类型众多，包括泥石流、崩塌、滑坡、水毁、溜砂等。其中，崩塌是指以滑动、倾倒、坠落等方式从山体上所分离的岩土体，沿着陡立的坡体发生了跳跃、翻滚或滑动等运动，最后因能量丧失停留在坡体或坡脚处的过程（沈均等，2008；何思明等，2014）。崩塌是对线性工程产生危害的重要灾害类型之一，具有典型的频发性和随机性（张路青等，2004a）。目前，针对崩塌的研究主要包括崩塌的形成、运动特征、危险性评价、防护技术等诸多方面（张路青等，2004b，2005；刘永平等，2005；赵冬等，2018）。在崩塌十分发育的西藏地区，分析和预测崩塌的运动特征，对已建成的线性工程防护和未建成的线性工程选线更具指导意义。

研究崩塌的运动特征离不开现场调查，无人机作为新兴的地理信息获取工具，比起普通相机和三维激光扫描仪，更适合对岩体进行全方位的测量，尤其是可以观测到人们无法到达的位置，被越来越多地用于地质灾害调查中（刘海洋等，2017）。例如，王学良等（2018）提出了基于区域工程地质分区－区域遥感分析－山体无人机航拍－岩体结构特征分析的山区输变电工程崩塌危岩体识别和分析方法，研究崩塌对杆塔（变电站）的冲击；彭双麒等（2018）采用无人机获取了崩塌的高分辨率数字地表模型，并对崩塌堆积体的粒径进行了统计分析。

对崩塌运动特征的分析与预测多采用数值模拟的方法。Rockfall作为专门模拟崩塌的软件，能够快速获得崩塌的到达概率、跳跃高度、运动速度、能量等诸多结果，被广泛应用于崩塌研究中（韩振华等，2017；陆明，2017）。然而，Rockfall是二维模拟软件，只能选取坡体某些方向上的剖面作为崩塌的特定路径，人为控制了崩塌的运动方向。Rockyfor3D是Dorren开发的三维崩塌模拟软件，使用数字高程模型（DEM）表示地形参数，可计算崩塌在三维空间的运动，结果更加符合实际（Dorren et al.，2010；Monnet et al.，2017）。Radtke et al.（2014）使 用Rockyfor3D研究了森林对崩塌运动的阻碍作用，提出管理森林的方式，以便于对崩塌进行防护。Bourrier et al.（2015）提出一种基于Rockyfor3D的崩塌防护栏的设计方法，根据统计结果和概率分析使防护设计更加合理。

本文选取位于拉萨—羊八井之间的设兴村段崩塌作为研究对象，调查历史崩塌分布和物源区危岩体特征，并使用无人机对研究区进行航空摄影测量，获取岩体结构面信息和高精度DEM数据。结合现场调查情况和无人机数据，采用Rockyfor3D对危岩区进行三维模拟计算。

1 工程地质条件

1.1 拉萨—羊八井段地质背景

拉萨—羊八井段位于西藏高原的中部，喜马拉雅山脉的北部，平均海拔3650im，属于高原温带半干旱季风气候，地势北高南低，由东向西倾斜（央金卓玛等，2017）。在大地构造上，地处冈底斯—念青唐古拉陆块和喜马拉雅陆块的结合部位，受特提斯洋的扩张、消亡和喜马拉雅陆块和冈底斯陆块的碰撞造山作用的影响。地层区划主要属冈底斯—喜马拉雅构造地层大区，冈底斯—腾冲地层区，拉萨—沃卡地层分区和却桑—松多地层分区，岩性以砂岩、灰岩、花岗岩、闪长岩、页岩、砾岩以及第四纪的砂、黏土为主。该区段地震活动较频繁，根据中国地震动参数区划图（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015），设兴村及其周边地区为地震烈度Ⅷ度区，地震动加速度反应谱特征周期为0.45is，地震动峰值加速度为0.2ig。

图2 设兴村段崩塌点周边地质图Fig.2 Geological map of the surrounding of the rockfall along Shexing Village section

1.2 崩塌点工程地质条件

设兴村段崩塌点属于峡谷向宽谷过渡的窄谷地貌，山体陡峭，河谷深切，沟壑纵横，崩塌和泥石流灾害频发。沿线建有京拉公路（G109），青藏铁路和京藏高速（G6）三大交通工程，是连接拉萨和羊八井的重要交通枢纽。除交通线外，沿线还建有大量的输电线塔、电线杆和信号塔等。本文所研究的崩塌点位于拉萨—羊八井之间的堆龙德庆区（图1），距设兴村约2ikm，GPS为29°48′24.72″N，90°45′25.34″E。该崩塌点所在坡体岩体破碎，节理裂隙发育，可划分为4个典型危岩区。危岩区A、B、C和D分别距坡底50im、90im、130im和170im。坡面发育有较多的小型冲沟。坡脚海拔有3840im，附近有大量历史崩塌块石堆积，输电线路和G109紧邻坡体，且未建设防护设施。

设兴村段崩塌点附近地层岩性和地质构造如图2所示。研究区域内发育有一条逆断层，地层之间存在角度不整合接触，且叶巴附近有新近纪的花岗斑岩（γπN）侵入，马乡附近有白垩纪的石英闪长岩（δοK1）侵入。整个研究区内出露的地层还有典中组的安山岩、火山角砾岩、凝灰岩等（E1d）；塔克那组的砂岩、页岩、泥岩等（K1t）；设兴组的砂岩、泥岩（K2s＾）；第四纪的砂砾石、黏土（Qhpal）等。设兴村段崩塌主要发育于古近系（E）地层中，逆断层穿过山体。

2 崩塌点基本特征

2.1 历史崩塌的分布特征

图1 青藏铁路设兴村段崩塌概况Fig.1 Overview of the rockfall along Shexing village section of Qinghai-Tibet Railway

图3 崩塌堆积区（局部）及岩体结构面Fig.3 Partial accumulation area of rockfalls and the rock mass structure surfaces

设兴村附近历史上有多次崩塌事件发生，坡底和坡面都堆积了大量的崩塌块石。调查中发现坡底是大粒径崩塌块石的主要堆积区。坡底块石堆积区全貌如图3所示，将坡底划分为3个子区域，统计获得的体积大于0.1im3的块石数量分别是103块、138块和65块。根据统计结果作出历史崩塌坡底堆积的块石数量与尺寸分布特征图（图4）。从图4中可以看出，体积在0.1～1.0im3的块石数量最多，合计占93%，而体积大于5im3的块石仅有5块。其中，最大块石体积可达120im3，平均块石体积约1.4im3。体积大于5im3的块石主要在坡底中部，其他大小的块石在整个坡底均有分布。G109国道上未见有崩塌块石，但少量体积约1im3的块石经过公路滚至靠近青藏铁路一侧。比起坡底，坡面上堆积着数量更多的崩塌块石。由于其数量过多，块度较小，且山高坡陡，难以攀登，因此没有对其数量和尺寸进行逐个统计。通过无人机拍摄的影像观察可得，坡面上大部分块石尺寸小于0.1im3，大于1im3的块石很少。坡底和坡面的历史崩塌块石尺寸分布特征可以为数值模拟中坡体参数反演提供一定的数据支持。

2.2 岩体结构面产状

图4 坡底堆积的历史崩塌块石数量与尺寸分布特征Fig.4 The number and size distribution characteristics of fallen rocks accumulating at the bottom of the slope

岩体结构面对边坡岩体的破坏起控制作用。然而，危岩区所在区域高度大、坡度陡，难以到达实际结构面的位置进行测量。根据无人机拍摄获取的危岩区岩体结构面三维点云数据，利用Coltop软件可以快速获取岩体结构面产状。选取危岩区中3组结构面较平整的位置各提取150余点的X、Y、Z坐标。通过计算获得每组结构面150个产状，并作出这些产状对应的极射赤平投影极点图（图5）。从图5中可得，每组结构面提取的产状数据比较集中，离散度小。计算每组结构面150个产状的平均数，获得平均产状分别是J1：140°∠54°，J2：300°∠44°，J3：220°∠87°，并在图5中绘制平均产状对应的极射赤平投影。

图5 岩体结构面极射赤平投影Fig.5 Stereographic projection of structural plane of rock mass

2.3 崩塌物源区的危岩体特征

所研究的危岩体位于危岩区的顶部，受3组主要结构面切割呈块状结构。危岩体的块度由结构面间距控制。通过无人机摄影测量，针对大于0.1im3的危岩体进行了统计，获得4个危岩区顶部岩体结构面间距及体积如表1所示。4个危岩区中，A和D处的岩体块度较大，B和C处危岩体块度较小。与历史崩塌块度对比，危岩体块度主要集中在0.5～1.5im3范围内，其他过大或过小的块石较少，而历史崩塌堆积于坡底的块石体积主要集中在0.1～1.0im3范围内。这说明在坡底堆积的崩塌块石不仅仅来自于4个危岩区，少部分小块石是来自山体其他位置的小型崩塌。已崩落的块石堆积于坡底或坡面，无论其来源何处，已经改变了坡体的表面性质，给后崩塌块石的运动形成阻碍。因此，如2.1节所述，历史崩塌块石尺寸特征为坡体参数反演提供数据支持，而危岩体的块度可以为数值模拟过程中物源区参数的选取提供依据。

表1 危岩区顶部岩体结构面间距及体积Table 1 Spacing and volume of rock mass structures at the top of dangerous rock areas

2.4 危岩体失稳方式

危岩体破坏是主控结构面端部岩石破裂导致的（陈洪凯等，2015）。设兴村段危岩区岩体被3组主要结构面切割，且危岩区临空面方向也是主要结构面方向。根据结构面相互切割关系，可对危岩区的稳定情况进行初步判断（李智毅等，1994）。若选取J3组结构面为临空面，如图5所示，J1和J2两组结构面相交于M点，交线OM的倾向与临空面J3的倾向一致，且其倾角小于临空面的倾角，说明危岩区在J3倾向方向是不稳定的。同理，若选取其余某个结构面作为临空面，则另两组结构面投影弧与临空面投影弧相对，即在J1和J2倾向方向是相对稳定的。但除3组主要结构面，危岩区顶部岩体还发育有部分次要结构面，使得危岩体也有可能向J1和J2倾向方向失稳。

按照崩塌失稳的力学机制，可分为倾倒式、滑移式、鼓胀式、拉裂式和错段式崩塌5种（潘懋等，2012；袁志辉等，2014）。倾向J3临空面的危岩体受结构面切割呈板状，危岩体近乎直立，在重力或其他外力作用，容易以危岩体底部某一点为支点发生倾倒。而倾向为J1和J2临空面的危岩体，倾角在45°～55°，在重力作用下具有向临空面滑移的趋势。

危岩体失稳后，其运动方式随斜坡的坡度、坡形和表面性质变化，可表现为滑动、滚动、跳跃和自由崩落等多种形式（张路青等，2004c；张倬元等，2009）。同时，块石可能的运动路径也很多，难以确定，需要借助数值模拟软件对块石运动的优势路径进行预测。

3 运动学模拟

3.1 参数反演

采用Rockyfor3D进行数值模拟时需要确定的主要参数包括两大类，分别是危岩体特征参数和岩土体表面参数。危岩体特征参数包括rockdensit、blshape、d1、d2和d3。rockdensit表示危岩体的密度，blshape表示危岩体的形状，d1、d2和d3表示危岩体的尺寸。岩土体表面参数包括rg70、rg20、rg10和soiltype。rg70、rg20和rg10分别表示区域内占70%、20%和10%的已有块石障碍物的高度，以反映岩土体表面的粗糙程度。在程序中它们主要被用于计算块石碰撞过程中的切向恢复系数以及表面能损失，但并不改变DEM反映的地形。soiltype表示岩土体表面的弹性，主要被用于计算块石碰撞过程中的法向恢复系数，取值为0～7范围内的整数，取值越小，弹性越小。

在arcmap中对研究区内不同性质的岩土体进行划分（图6），A～D代表4个危岩区，①～○1分别代表了坡面、危岩体、坡底、公路、铁路、河流、草地等岩土体区域。不同区域内参数的取值不同。4个危岩区中的危岩体特征参数取值如表2所示，其中，d1、d2和d3是根据统计获得的危岩体的平均尺寸。对于不同的崩塌，公路、河流和草地的岩土体表面参数差别很小，参考Rockyfor3D手册中已经标定的结果直接取值即可（Dorren，2016）。铁路表面的粗糙程度主要由碎石道砟和铁轨决定，可根据道砟的粒径级配和铁轨厚度取值。坡面、危岩体和坡底的表面参数则需要结合现场实际情况进行反演。首先根据调查的历史崩塌分布特征，确定了表面参数的取值范围；然后根据取值范围内的各个参数试算，获得崩塌结束后块石的空间分布；最后对比模拟结果与现场条件，选取坡面、危岩体和坡底表面参数的合理取值。

试算过程中，模拟次数设置为100次，即每个栅格模拟抛出的块石数量是100，共计抛出104i500个块石。通过试算，最终确定岩土体表面参数如表3所示，崩塌块石的空间分布如图7所示。

从模拟结果中可知，崩塌块石主要在3个堆积区分布，其中左侧和中部堆积块石数量较多，右侧较少；块石主要集中在G109附近，极少到达青藏铁路。上述模拟结果与现场情况比较符合。

图6 岩土体及危岩区的划分Fig.6 Classification of rock and soil mass and dangerous rock areas

表2 4个危岩区内危岩体特征参数设定Table 2 Characteristic parameters of dangerous rock mass in four dangerous rock areas

表3 研究区内岩土体表面参数设定Table 3 Geotechnical surface parameters in the study area

3.2 崩塌运动特征分析

保持模拟次数、输入的危岩体特征参数和岩土体表面参数不变，对A、B、C、D 4个危岩区分别计算，以分析每个危岩区块石的崩塌运动特征。块石的到达概率计算公式如下：

图7 崩塌块石的空间分布Fig.7 Spatial distribution of fallen rocks

式中：Reach＿probability为某一栅格位置上块石的到达概率；Nr＿passages为该栅格上通过的块石数量；Nr＿sourcecells为危岩区的物源点数，程序中默认一个栅格为一个物源点；Nr＿simulations为模拟次数，即从一个物源点抛出的块石数。因此，Nr＿sourcecells×Nr＿simulations表示从危岩区模拟抛出的块石总数。

通过数值模拟，获得各危岩区崩塌块石到达概率如图8所示。根据各危岩区崩塌块石到达概率作出优势运动路径（图8），并给出优势运动路径下各危岩区块石与坡面间的关系（图9）。量化危岩崩塌后对下方公路、电线杆等的影响，统计结果如表4所示。

从崩塌分布范围上来说，危岩区A处崩塌主要从坡体正前方通过，很大概率上对电线杆、输电线塔和G109国道形成威胁，最远可到达信号塔和青藏铁路，但概率极低；危岩区B处崩塌主要从坡体右侧通过，危岩区C和危岩区D处崩塌主要从坡体左侧通过，主要威胁电线杆和G109，基本不会到达信号塔和青藏铁路。

从运动过程来说，在坡降较大的位置，块石距坡面的高度大，与坡面撞击后弹跳高度也较大。块石距坡面的最大高度一般出现在坡体的中上部，到达坡底时，高度减小。从坡顶到坡底，运动过程中的动能呈先增大后减小的趋势。以危岩区A处块石的优势运动路径为例，块石平均尺寸为2im×1im×1im，通过输电线塔和G109时，其质心距输电线塔底部高度为7.5im，距公路高度为2.8～3.9im，冲击动能也能达到1000～1500ikJ。因此，崩塌块石会对输电线塔的塔身和公路上通行的汽车形成威胁。

图8 各危岩区崩塌块石到达概率及优势运动路径预测Fig.8 Arrival probability and dominant motion paths of rockfalls in dangerous rock areas

图9 优势运动路径下各危岩区块石与坡面间的关系Fig.9 Relationships between fallen rocks and slopes under the dominant motion paths

表4 各危岩区崩塌块石模拟结果统计Table 4 Simulation results of rockfalls in dangerous rock areas

根据现场历史崩塌调查结果，本研究区属于崩塌高发区域。危岩区岩体破碎，物源丰富，将继续发育崩塌，因此有必要进行防治。数值模拟结果可以为崩塌的防治提供指导。根据图7和图8给出的崩塌块石运动影响范围、优势运动路径和最终堆积位置，可以确定防护范围；根据图9给出的优势运动路径下各危岩区块石距坡面的高度和动能，可以确定防护高度和防护强度。从防护范围说，崩塌没有到达青藏铁路，即重点防护的对象应是G109、电线杆和输电线塔，防护设施应建立在输电线路靠近坡体一侧，但此时防护高度较高。若将防护设施建立在G109和输电线路之间，则防护高度减小，但输电线路则无法防护。因此，在具体防治时还需要结合崩塌灾害风险的容忍标准和工程投资，给出该区域更加合理的崩塌防治措施。

4 结 论

（1）依托现场调查结果，结合无人机航空摄影和结构面信息自动化处理等技术，实现了对青藏铁路设兴村段崩塌块石历史分布、岩体结构面产状和危岩区特征的快速获取，克服了传统野外调查工作耗时长、视角受限等缺点，为复杂地质条件下崩塌地质灾害的识别和预测提供了技术和方法。

（2）基于无人机航摄提取高精度DEM，并采用现场数据统计分析和参数反演相结合的方法确定输入参数，进行了崩塌三维数值模拟。结果表明模拟获得的崩塌块石空间分布与现场吻合较好，为运动学分析提供了可靠的依据。

（3）根据三维数值模拟获得的到达概率对崩塌块石的优势运动路径进行了预测，消除了二维数值模拟方法中人工直接选取块石运动路径所带来的误差，有效评估了崩塌的影响范围。结果表明4个危岩区的崩塌块石主要威胁输电线路和G109，对青藏铁路和G6无影响。块石在坡体中上部运动时跳跃高度和动能较大，到达坡底时逐渐减小。上述工作还可以为崩塌防护设计提供一定的指导。