劉 波，楊成龍，鄧 輝，吳述彧，李鵬飛

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081; 2.成都理工大學(xué),四川 成都 616059)

1 概述

當(dāng)前為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),我國(guó)水電開(kāi)發(fā)又進(jìn)入一個(gè)新階段,水電開(kāi)發(fā)逐漸向各流域上游邁進(jìn),但面臨區(qū)域地質(zhì)地貌變得更為復(fù)雜的問(wèn)題,尤其是“三高”的西藏地區(qū)。該地區(qū)由于水電資源豐富,當(dāng)前正在加快對(duì)其開(kāi)發(fā)。而由于特殊地質(zhì)環(huán)境條件兩岸所孕育的高陡邊坡上危巖體對(duì)沿線水電開(kāi)發(fā)存在一定制約。因此弄清危巖體分布、確定其運(yùn)動(dòng)特征對(duì)于了解西藏特殊地質(zhì)環(huán)境條件下危巖體發(fā)育特征以及水電工程的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)具有重要意義。當(dāng)前常用分析高陡危巖體的手段主要是野外通過(guò)測(cè)繪、物探和攝影測(cè)量等方法確定危巖體發(fā)育現(xiàn)狀;通過(guò)工程地質(zhì)類比法等定性方法或者二維模擬軟件分析危巖體運(yùn)動(dòng)特征,但是,野外地質(zhì)調(diào)繪對(duì)于平原地區(qū)是適用的,對(duì)于高原地區(qū)存在不少制約因素,同時(shí),落石二維運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中未考慮實(shí)際三維地形對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征的影響,這和現(xiàn)實(shí)存在差異。由于地形對(duì)落石運(yùn)動(dòng)軌跡影響較大,因此考慮實(shí)際的三維地形分析落石運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于樞紐區(qū)危巖體防治設(shè)計(jì)具有重要作用[1-3]。本文采用大型無(wú)人機(jī)通過(guò)正射和傾斜攝影獲取樞紐區(qū)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)繪確定樞紐區(qū)兩岸危巖體發(fā)育現(xiàn)狀,考慮兩岸實(shí)際地形通過(guò)數(shù)值軟件計(jì)算潛在危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡。研究結(jié)果可直接為樞紐區(qū)兩岸危巖體治理設(shè)計(jì)提供依據(jù),同時(shí)研究思路可供具有類似地質(zhì)背景的工程參考。

2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

2.1 氣象水文

研究區(qū)地處藏東南,屬高原溫帶半干旱季風(fēng)型氣候區(qū),主要有以下特點(diǎn):氣溫低、熱量條件差、降水集中、雨熱同季、陽(yáng)光充足、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、蒸發(fā)量大、氣候干燥。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫7.5 ℃,最熱月(7月)平均氣溫16.1 ℃;區(qū)內(nèi)平均降雨量476.6 mm,降雨主要集中在6月—9月;研究區(qū)年日照時(shí)數(shù)可達(dá)2 283 h,光伏資源豐富。地下水以大氣降水和高山冰雪融水補(bǔ)給為主,徑流以降雨補(bǔ)給為主,汛期枯期分明,河水位在段內(nèi)枯期為2 895 m,河面寬40 m～60 m,水深一般為5 m～12 m,水庫(kù)正常蓄水位為3 054 m時(shí),溝谷寬為310 m～400 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

1)地形地貌。該研究區(qū)兩岸地勢(shì)陡峭,臨河坡相對(duì)高差可達(dá)2 000 m以上,左岸自然坡度一般在50°～65°之間,右岸一般在42°～48°之間,兩岸近河床部位多形成陡壁,谷底大體呈“V”字形(見(jiàn)圖1)。兩岸沖溝較發(fā)育,山脊處巖體裸露較破碎見(jiàn)圖2。其中,左岸發(fā)育9條沖溝,最大溝長(zhǎng)約3.71 km,最高點(diǎn)海拔達(dá)4 777 m,切割深度約10 m～80 m;其余沖溝溝長(zhǎng)均較短,長(zhǎng)度為0.2 km～0.9 km,切割深度約10 m～38 m,溝內(nèi)堆積碎石土厚度為3 m～10 m。右岸發(fā)育4條沖溝,溝長(zhǎng)0.4 km～1 km,切割深度一般10 m～25 m。沖溝僅在雨季有局部的地表徑流。

2)地層巖性。研究區(qū)基巖為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)灰色、深灰色英安巖和印支期(δ)侵入閃長(zhǎng)巖,侵入巖僅局部分布于壩軸線下游。河床覆蓋層深6 m～10 m。壩軸線上游低高程緩坡一帶分布有坡積、崩塌堆積塊碎石夾砂土,一般厚2 m～10 m。兩岸沖溝溝底分布有塊碎石夾砂,部分沖溝溝底堆積物厚度較大,約8 m～15 m。

3)地質(zhì)構(gòu)造。區(qū)域性斷裂竹卡斷裂呈NW向分布于左岸,距左壩肩直線距離約3.8 km。壩址區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂通過(guò),未見(jiàn)明顯褶皺發(fā)育。區(qū)域內(nèi)小斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育。

4)水文地質(zhì)條件。研究區(qū)地下水類型主要為賦存于英安巖內(nèi)的基巖裂隙水和第四系內(nèi)的孔隙水。地下水補(bǔ)給來(lái)源有大氣降水和冰雪融水,向就近溝谷或河床排泄,最終進(jìn)入江中。

5)物理地質(zhì)現(xiàn)象。研究區(qū)主要有風(fēng)化、卸荷、碎屑流、泥石流、巖體蝕變等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。弱風(fēng)化上帶水平平均深度為80 m,弱風(fēng)化下帶水平平均深度一般110 m。樞紐區(qū)左右岸共分布13條沖溝,部分沖溝溝內(nèi)及兩側(cè)松散堆積物較多,主要為碎塊石夾土,在誘發(fā)條件下沖溝易發(fā)生碎屑流。樞紐區(qū)地處高山峽谷地區(qū),兩岸地形陡峻,巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈,山梁部位多發(fā)育危石、危石群及危巖體。樞紐區(qū)兩岸巖體局部見(jiàn)蝕變現(xiàn)象,蝕變主要表現(xiàn)為巖石礦物的絹云母化、高嶺土化。

3 樞紐區(qū)危巖體發(fā)育現(xiàn)狀分析

3.1 危巖體發(fā)育分布現(xiàn)狀

通過(guò)三維數(shù)碼照相技術(shù)、無(wú)人機(jī)航拍等現(xiàn)代勘察手段對(duì)樞紐區(qū)兩岸自然邊坡進(jìn)行攝影測(cè)量,由帶坐標(biāo)的圖片生成的三維數(shù)字化傾斜攝像模型,利用模型對(duì)自然邊坡上分布的危巖體進(jìn)行精細(xì)識(shí)別,本次研究所采用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為縱橫大鵬CW-15,拍攝參數(shù)見(jiàn)表1。本次研究根據(jù)危巖體發(fā)育特征差異性將危巖體細(xì)分為:危石、危石群、危巖體、孤石、孤石群。根據(jù)調(diào)查分析,樞紐區(qū)危巖體總體分布如圖3所示,典型危巖體見(jiàn)圖4,各類危巖體數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 縱橫大鵬CW-15無(wú)人機(jī)參數(shù)

表2 兩岸危巖體統(tǒng)計(jì)表 個(gè)

對(duì)于危石,兩岸共發(fā)育211處,其中,左岸120處,右岸91處,方量0.2 m3～44.0 m3,分布高程2 938 m～3 565 m。兩岸共發(fā)育危石群255處,其中,左岸153處,右岸102處,方量1.6 m3～4 213.2 m3,分布高程2 962 m～3 564 m。兩岸共發(fā)育危巖體37處,其中,左岸27處,右岸10處,方量50.9 m3～47 741.4 m3,分布高程2 930 m～3 585 m。兩岸共發(fā)育孤石27處,其中,左岸24處,右岸3處,方量0.1 m3～396.4 m3,分布高程2 995 m～3 477 m。共發(fā)育孤石群3處,均位于左岸,方量5.0 m3～15.0 m3,分布高程3 030 m～3 195 m。

由圖3可知,危巖體除孤石和孤石群大多均發(fā)育于山脊部位,孤石和孤石群均發(fā)育于兩岸沖溝內(nèi),同時(shí),危巖體在中高程最為發(fā)育,高高程次之,低高程發(fā)育最少,由此可知危巖體發(fā)育受控于微地貌和高程。

3.2 危巖體成因

樞紐區(qū)自然邊坡危巖體形成是在其特殊的地質(zhì)環(huán)境條件下形成,主要是在地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等基礎(chǔ)條件下,疊加風(fēng)化、卸荷等外因作用形成。

1)地形地貌。研究區(qū)屬高原山區(qū)侵蝕剝蝕峽谷地貌類型,原始河谷呈“V”型,兩岸河谷深切,邊坡高陡,左岸自然坡度為50°～65°,右岸自然坡度稍緩,為42°～48°,兩岸近河床部位多形成陡壁,臨空條件較好。

2)地層巖性。研究區(qū)英安巖為硬質(zhì)巖,巖石強(qiáng)度較高,在河谷地區(qū)易形成高陡邊坡,在外因風(fēng)化和裂隙作用下對(duì)高位巖體切割易形成危巖體。

3)地質(zhì)構(gòu)造條件。據(jù)調(diào)查,研究區(qū)地表出露小斷層共24條,傾角多大于70°,延伸長(zhǎng)度50 m～360 m,小斷裂破碎帶寬一般為2 cm～60 cm。地表發(fā)現(xiàn)8條裂隙,傾角以60°以上為主,延伸長(zhǎng)多在60 m～200 m左右,張開(kāi)寬度一般為0.5 cm～10 cm,結(jié)構(gòu)面多平直稍粗糙。節(jié)理裂隙發(fā)育,左岸主要發(fā)育四組優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙,多為陡傾角,平直稍粗糙,多充填石英,其中第Ⅰ組(N40°～70°W/SW(NE)∠60°～∠85°)最為發(fā)育;右岸發(fā)育五組優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙,多為中等傾角及陡傾角,主要充填石英,其中第Ⅰ組(N35°～70°W/SW(NE)∠65°～∠85°)、第Ⅱ組(N0°～27°W/SW∠65°～∠80°)和第Ⅲ組(N65°～90°E/SE∠65°～∠85°)最為發(fā)育。

4)巖體風(fēng)化卸荷條件。由于基巖強(qiáng)度高,據(jù)調(diào)查研究區(qū)可達(dá)高程范圍內(nèi)幾乎未見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化,平洞揭露其弱風(fēng)化上帶和下帶其平均厚度為80 m和110 m。強(qiáng)卸荷帶水平深度普遍小于65 m,其中右岸中低高程深度大于90 m,裂隙張開(kāi),寬度一般3 cm～20 cm,可見(jiàn)明顯充填,以巖塊、巖屑及次生泥為主,各個(gè)裂隙水平距離約1 m;弱卸荷帶其水平深度平均為70 m,且深度與高程呈正相關(guān),最厚處可達(dá)180 m,裂隙張開(kāi)3 cm～5 cm,且分布混亂。

5)水文地質(zhì)條件。研究區(qū)地處青藏高原東南部,晝夜溫差大,凍融作用發(fā)育,凍融循環(huán)會(huì)促進(jìn)碎裂巖體的裂隙擴(kuò)展。

4 危巖體運(yùn)動(dòng)特征分析

目前危巖的運(yùn)動(dòng)特征分析主要采用數(shù)值計(jì)算方法,國(guó)內(nèi)外當(dāng)前均主要采用二維分析,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形人工選取斷面進(jìn)行計(jì)算分析,該方法可以簡(jiǎn)單直接的分析危巖在任意位置的運(yùn)動(dòng)速度、沖擊動(dòng)能和沖擊力等,為危巖體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及防治提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù),但由于人為規(guī)定了斷面,具有一定的局限性。而三維仿真分析在考慮實(shí)際地形的基礎(chǔ)上能更真實(shí)的分析危巖失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征[5-7]。因此,針對(duì)研究區(qū)工程邊坡,采用三維落石模擬軟件RocPro3D分析確定的危巖體的運(yùn)動(dòng)特征,計(jì)算成果既能為選取合理的典型斷面提供計(jì)算支撐使其與傳統(tǒng)方法結(jié)合,又能根據(jù)三維運(yùn)動(dòng)特征分析結(jié)果為后續(xù)防治設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù)。

以RocPro3D建模過(guò)程為例,首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)航測(cè)所獲取照片,然后采用Pix-4D軟件和Polyworks等軟件處理得到邊坡三維數(shù)據(jù)(點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三角化模型數(shù)據(jù)),提取模型等高線輸入RocPRO3D,生成三維模型,導(dǎo)入之后需建立網(wǎng)格化模型、遙感影像模型、等高線模型、高程模型分布和傾角模型等,最后對(duì)潛在崩塌體賦值進(jìn)行計(jì)算,具體建模流程如圖5所示。

4.1 基本參數(shù)選擇

落石能量損耗采用速度衰減法,其主控參數(shù)Rn(法向彈性系數(shù))和Rt(切面摩擦系數(shù))參數(shù)參照TB 10035—2002 J158—2002W鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范選取(見(jiàn)表3)。

表3 不同巖性的巖體碰撞系數(shù)取值

模擬計(jì)算方式選取RocPro3D經(jīng)典計(jì)算模型,設(shè)定其耗能模型為Rn(Vn)=Rn/[1+(|Vn|/K)×2]。由于危巖體失穩(wěn)前其初始速度一般很小,故考慮危巖體初始速度為零,同時(shí)不考慮隨機(jī)因素的影響,取參數(shù)的均值進(jìn)行計(jì)算。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)危巖體威脅對(duì)象不同,將研究區(qū)分為8個(gè)次級(jí)區(qū)域建模分析(見(jiàn)圖6)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(如圖7所示)可知,危巖體運(yùn)動(dòng)路徑均受控于微地貌,開(kāi)始從山脊運(yùn)動(dòng)至相鄰的沖溝內(nèi),然后沿著沖溝向下滾動(dòng)或滑動(dòng),最終皆落入沖溝內(nèi)或者入江。計(jì)算表明各區(qū)域平均彈跳高度為20 m～40 m,最大彈跳高度為25 m～85 m,各區(qū)域沖積能量為1 242 kJ～119 000 kJ,運(yùn)動(dòng)速度為41 m～77 m,其中,區(qū)域一平均彈跳高度、最大沖積能量和運(yùn)動(dòng)最大速度均比其他區(qū)域大,這是由于該區(qū)域危巖體高程相較于其他分析區(qū)域更高,因此危巖體本身的重力勢(shì)能更大;同時(shí)區(qū)域發(fā)育的危石群、危巖體也較多;區(qū)域一同時(shí)坡度也相對(duì)更大,因此計(jì)算結(jié)果的沖積能量最大。對(duì)于區(qū)域四,與之剛好相反,其地形坡度相較于其他區(qū)域稍緩,同時(shí)發(fā)育高程更低,因此最大彈跳高度、沖積能量、運(yùn)動(dòng)最大速度均最小。由此分析結(jié)果可知,具有更大的重力、分布高程和坡度的危巖體破壞能量更大。由于各區(qū)域發(fā)育的危巖體所以影響水工建筑物重要性存在差異,對(duì)于后續(xù)防治設(shè)計(jì),在考慮各區(qū)域危巖體運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上可綜合考慮威脅對(duì)象重要性提出各自的防治措施。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文針對(duì)藏東南地區(qū)某水電站建設(shè)面臨高陡邊坡危巖體制約問(wèn)題,通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)繪、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和無(wú)人機(jī)測(cè)量共識(shí)別危巖體533個(gè),其方量為0.1 m3～47 741.4 m3;根據(jù)危巖體成因差異將危巖體分為:危石、危石群、危巖體、孤石、孤石群,其中危石共211個(gè),危石群255個(gè),危巖體37個(gè),孤石27個(gè),孤石群3個(gè)。根據(jù)危巖體發(fā)育分布現(xiàn)狀得到危巖體發(fā)育分布與微地貌、海拔高程相關(guān)。分析危巖體主要是在研究區(qū)特殊的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)基礎(chǔ)條件下,疊加風(fēng)化、卸荷等外因作用形成。同時(shí)為分析危巖體失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)特征,且為危巖體后期防治設(shè)計(jì)提供依據(jù),本文通過(guò)三維模擬對(duì)確定的潛在崩塌體進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算表明,危巖體運(yùn)動(dòng)路徑主要受控于微地貌,危巖體破壞后會(huì)沿著坡體向沖溝內(nèi)運(yùn)動(dòng),最終停留于沖溝或沿著沖溝向下運(yùn)動(dòng)墜入江里;且危巖體運(yùn)動(dòng)能量、彈跳高度與危巖體發(fā)育高程和地形坡度存在正相關(guān)。

5.2 建議

1)對(duì)于工程建設(shè)處于高山峽谷地區(qū)且存在高陡邊坡危巖體問(wèn)題,由于地貌地質(zhì)環(huán)境因素限制,人為調(diào)查存在一定困難,可以采用無(wú)人機(jī)高清測(cè)繪精細(xì)調(diào)查,通過(guò)室內(nèi)影像識(shí)別,室外復(fù)核的原則進(jìn)行潛在危巖體識(shí)別;尤其是針對(duì)青藏高原地區(qū),建議著重對(duì)兩岸中高程山脊部位進(jìn)行危巖體調(diào)查。

2)對(duì)于識(shí)別確定的潛在危巖體,可以依據(jù)危巖體成因和規(guī)模等進(jìn)行分類;分析各類危巖體發(fā)育分布與高程、水文和微地貌的關(guān)系,可加深對(duì)藏東南高寒、高原地區(qū)高陡危巖體的了解,對(duì)于其中各個(gè)因子在其危巖體形成中所扮演的主次作用還需進(jìn)一步研究確定。

3)本文對(duì)藏東南某水電站樞紐兩岸危巖體運(yùn)動(dòng)特征(彈跳高度、沖擊能量和運(yùn)動(dòng)速度)進(jìn)行分析表明,危巖體路徑主要沿山脊兩側(cè)的溝道運(yùn)動(dòng),坡度和高程是影響落石能量因素,建議下一步針對(duì)樞紐區(qū)危巖體防治設(shè)計(jì)時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)路徑特點(diǎn),為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。