基于AHP-3DEC的危岩落石危险性分区与评价

石润; 李嘉雨; 陈明浩; 贾哲强; 邱晓东

doi:10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202203020

基于AHP-3DEC的危岩落石危险性分区与评价

doi: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202203020

石润¹,
李嘉雨^{2, 3,},
陈明浩²,
贾哲强²,
邱晓东²

1.
中交路桥北方工程有限公司，北京市　100024
2.
中铁二院工程集团有限责任公司地勘岩土工程设计研究院，四川成都　610031
3.
四川大学水利水电学院，四川成都　610065

基金项目: 中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（N2021G005）；中铁二院科技开发计划项目（KDNQ21303）

详细信息

作者简介:
石润：石　润（1998-），男，贵州铜仁人，工学学士，研究方向为市政工程和桥梁隧道工程。E-mail： 1450874914@ qq.com

通讯作者:
李嘉雨（1990-），男，重庆长寿人，工程师，博士研究生，研究方向为铁道工程和地质工程。E-mail： 1245962984@qq.com

中图分类号: 中图分类号: 文献标志码: 文章编号:
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出版历程
- 网络出版日期: 2023-04-09

Hazard Zoning and Assessment of Rockfalls Based on AHP-3DEC

1.
China Communication North Road & Bridge Co.Ltd., Beijing　100024, China
2.
China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd Chengdu, Sichuan　610031, China
3.
College of Water Resources and Hydropower, Sichuan University , Chengdu　610065, China

摘要

摘要: 山区高速铁路受线路平顺性及地形的限制，部分危岩发育地段无法绕避，给工程建设及运营安全提出了严峻挑战。本文在无人机三维倾斜摄影的基础上利用数字地质调绘技术对拟建济南至枣庄铁路杏花峪隧道进口危岩体的发育特征、规模、变形破坏模式进行了准确的判识，通过将3DEC数值模拟与层次分析法结合，获得了崩塌落石的影响范围和危险性分区图，开展了危险性分区评价，提出了防治措施。研究表明：三维倾斜摄影模型识别出的12处危岩带中，只有5号危岩带威胁隧道洞口和桥台安全，并建议采用“被动防护网+明洞”方式进行综合防治。研究成果为危岩落石灾害的危险性分区评价提供参考，为铁路选线及防灾减灾提供依据。
- 危岩落石 /
- 数值模拟 /
- 危险性分区 /
- 层次分析法 /
- 数字地质调绘
Abstract: Restricted by the surface smoothness and topography, it is impossible for some high-speed railways on mountainous regions to avoid parts of rockfall development sections, posing great safety challenges to construction projects and railway operations. In light of that, this paper laid its focus on the rockfall situated by the entrance of Xinghuayu Tunnel along the proposed Jinan-Zaozhuang Railway project, and leveraged the power of drone-captured 3D aerial photography to perform digital geological survey and mapping so as to accurately identify the development characteristics, scale, as well as modes of deformation and failure of said rockfall. Next, by cross-referencing the results of 3DEC numerical simulation with those from analytic hierarchy process （AHP）, color-coded maps highlighting the scope of influence and danger levels of potential rockfalls induced were obtained. Using said maps, zone-by-zone hazard and risk assessment were then performed, based on which corresponding prevention and control measures were put forward. The findings show that among the 12 dangerous rock belts identified from the drone-captured 3D aerial photography model, only Belt No. 5 would threaten the safety of the tunnel entrance and bridge abutments, for which the combination of anti-rockfall passive protective netting and an open-cut tunnel structure was recommended as a comprehensive solution. By virtue of the solution’s effectiveness, this study can offer reliable references for not only zone-by-zone hazard and risk assessment for rockfalls, but also railway route selection and disaster prevention and mitigation.
- RockFall /
- numerical simulation /
- hazard zoning /
- analytic hierarchy process /
- digital geological surveying

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图 1 杏花峪隧道进口三维实景模型

Figure 1. 3D model of xinghuayu tunnel entrance

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图 2 危岩落石分布情况工程地质平面图

Figure 2. Plan of engineering geology of rockfall

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图 3 危岩带三维实景影像

Figure 3. Image of rockfalls

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图 4 危岩体优势结构面走向分布图

Figure 4. Dominant structural plane of rockfall

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图 5 危岩体优势节理面玫瑰花图（下半球）

Figure 5. Dominant structural plane of rockfall

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图 6 3号危岩体典型工程地质剖面图

Figure 6. Typical engineering geological section of no.3 rockfall

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图 7 6号危岩体典型工程地质剖面图

Figure 7. Typical engineering geological section of no.6 rockfall

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图 8 8号危岩体典型工程地质剖面图

Figure 8. Typical engineering geological section of no.8 rockfall

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图 9 杏花峪隧道进口危岩带三维地质模型

Figure 9. Three-dimensional geological model of rockfall at Xinghuayu tunnel entrance

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图 10 危岩带天然状态下的变形量

Figure 10. Deformation of Rockfall under natural condition

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图 11 危岩带暴雨状态下数值模拟计算结果

Figure 11. Numerical simulation results of rockfall under rainstorm condition

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图 12 危岩带暴雨状态下的位移量计算结果

Figure 12. Displacement calculation results of rockfall under rainstorm condition

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图 13 危险性分区云图

Figure 13. Cloud map of hazard zone

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表 1 危岩带基本特征

Table 1. Basic characteristics and scale of rockfall

分带编号	危岩体体积（m³）	落石块径（m）	相对高度（m）	破坏模式
WY-01	12.12	0.2～1.12	44～48	滑移式
WY-03	960	0.4～1.3	0～10	坠落式
WY-04	1.4	0.5	114	滑移式
WY-05	73.2	0.3～1.3	5	坠落式
WY-06	736	0.8～4.3	121～146	倾倒式
WY-07	1 600	0.2～2.2	109～149	倾倒式
WY-08	1 823	0.14～2.12	156～198	倾倒式、滑移式

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表 2 结构面基本特征

Table 2. Basic characteristics of joint surface

结构面编号	产状	延伸长度（m）	间距（m）	起伏度	张开或闭合	充填情况
1号原生结构面	246°∠78°	3.24	0.86	平直	张开	无充填
2号节理面	66°∠88°	2.66	1.72	波状起伏	张开	无充填
3号节理面	314°∠30°	4.56	1.75	平直	张开	充填
4号节理面	155°∠80°	1.32	0.35	波状起伏	闭合	无充填

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表 3 危岩体稳定性计算结果

Table 3. Stability calculation results of rockfall

工况危岩编号	天然工况		暴雨工况		地震工况
工况危岩编号	K	稳定性评价	K	稳定性评价	K	稳定性评价
1号危岩体	1.23	基本稳定	1.19	欠稳定	0.99	不稳定
3号危岩体	1.31	基本稳定	1.22	欠稳定	1.06	欠稳定
4号危岩体	1.15	欠稳定	1.14	欠稳定	0.94	不稳定
5号危岩体	1.24	欠稳定	1.08	欠稳定	0.86	不稳定
6号危岩体	1.23	基本稳定	1.02	欠稳定	0.94	不稳定
7号危岩体	1.61	稳定	1.08	欠稳定	0.73	不稳定
8号危岩体	1.07	欠稳定	0.99	不稳定	0.77	不稳定

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表 4 模型计算参数统计表

Table 4. Model calculation parameter

岩土体名称	密度 /（g·cm⁻³）	弹性模量 /MPa	剪切模量 /MPa	抗拉强度 /MPa	内摩擦角 /（°）
花岗岩	2.7	58 000	29 000	3.2	65
花岗岩W3结构面（天然）	/	/	/	/	50
花岗岩W3结构面（暴雨）	/	/	/	/	30
花岗岩碎块石（暴雨）	/	/	/	/	20

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表 5 评价指标打分表及权重值

Table 5. Evaluation index score and weight value

评价指标（i）	低危险性0～25（S）	中危险性25～50（S）	高危险性50～75（S）	极高危险性75～100（S）	权重值（δ）
危岩稳定性K	稳定	基本稳定	欠稳定	不稳定	0.402
落石运动速度S（m/s）	S<0.5	0.5≤S<5	5≤S<15	15≤S	0.235
落石数量N（个）	0	0≤N<3	3≤N<5	5≤N	0.146
危岩体体积V（m³）	V≤10	10<V≤100	100<V≤10 000	10 000<V	0.083
落石块径D（m）	<0.1	0.1≤D<0.5	0.5≤D<1	1≤D	0.083
下垫面特征	松散土质，植被极茂盛	较中等密实的土质，植被较茂盛	较密实坚硬的土质，有植被	坚硬岩质，植被稀少	0.051

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表 6 综合评分值与危险性分区的对应关系

Table 6. The corresponding relationship between comprehensive score value and hazard zone

危险性分区及综合评分值F	极高危险区 75＜F≤100	高危险区 50＜F≤75	中危险区 25＜F≤50	低危险区 0＜F≤25
危岩编号	无	3、5、6、7、8号	1、4号	无

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