基于RocPro3D的大華橋水電站危巖體數(shù)值模擬研究

摘要：大華橋水電站右岸危巖體頻繁發(fā)生崩塌，對沿線的建設(shè)工程構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了保護(hù)工程區(qū)域，開展了巖崩災(zāi)害綜合分析研究，包括野外調(diào)查、數(shù)值模擬和緩解策略。利用RocPro3D理論及方法，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和無人機(jī)高精度航拍影像數(shù)據(jù)，對大華橋水電站的危巖體失穩(wěn)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。首先，采用RocPro3D構(gòu)建三維地質(zhì)模型，模擬分析危巖體失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征。根據(jù)評估落石特征，對不同高度的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1進(jìn)行模擬分析，通過攔截率確定被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1的最佳高度。其次，在固定P1的基礎(chǔ)上，增設(shè)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P2和P3，設(shè)置不同的高度進(jìn)行模擬。最后，提出了一種優(yōu)化防護(hù)策略，以降低防護(hù)系統(tǒng)的材料成本并提高防護(hù)效率，從而降低蘭坪至六庫公路及隧洞口面臨的落石威脅。研究結(jié)果具有很好的可視化特性，可為制定有針對性的治理措施提供參考，對防災(zāi)減災(zāi)工程具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：RocPro3D;危巖體;數(shù)值模擬;被動(dòng)防護(hù)網(wǎng);災(zāi)害防治

中圖分類號：P642.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-6792（2025）01-0152-09

危巖體失穩(wěn)造成的災(zāi)害日益增多，研究危巖體的運(yùn)動(dòng)和失穩(wěn)過程，有助于提高預(yù)測和預(yù)警能力，制定有效的治理策略［1-2］。危巖體一旦失穩(wěn)崩塌，將會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，常引起不可預(yù)知的落石運(yùn)動(dòng)。分析落石的運(yùn)動(dòng)特征可為危巖體的有效治理提供依據(jù)。落石分析包括識別落石源區(qū)域、統(tǒng)計(jì)失效頻率（落石時(shí)間頻率）、模擬落石運(yùn)動(dòng)行為以及評估落石災(zāi)害或風(fēng)險(xiǎn)。這些分析已被廣泛應(yīng)用于減輕落石災(zāi)害的決策過程。巖崩源的識別是巖崩分析的第一步，也是最重要的一步。與傳統(tǒng)的野外工作相比，最近開發(fā)的技術(shù)，如攝影測量和光探測與測距（激光雷達(dá)），使得識別落石源區(qū)域和從遠(yuǎn)處提取高精度的數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）成為可能［3］。為了描述落石軌跡，通常采用二維或三維落石模擬。二維落石模擬通?；诮o定的截面來分析落石的運(yùn)動(dòng)，而三維落石模擬可以更真實(shí)地描述沒有橫向約束的落石軌跡［4］。由于地形、巖石形狀、運(yùn)動(dòng)學(xué)過程等因素會(huì)使力學(xué)參數(shù)的實(shí)際值大幅度變化，因此給定的落石運(yùn)動(dòng)軌跡趨于隨機(jī)性和概率性［5-6］。通過落石軌跡，可以計(jì)算出空間頻率、落石速度、落石高度、落石沖擊點(diǎn)和停止點(diǎn)等落石特征，這些特征是落石評估的關(guān)鍵因素［7-9］。

目前，二維落石模擬軟件中以Rocfall軟件為主，僅能選擇坡體某一方向的剖面（二維）作為崩塌的特定路徑，從而人為控制崩塌的運(yùn)動(dòng)方向。因此，選用三維模擬軟件，如RocPro3D、Rockyfor3D和CRSP等，其能夠在三維空間中模擬崩塌運(yùn)動(dòng)，結(jié)果更加符合實(shí)際情況。RocPro3D是一款專用于危巖崩塌的軌跡建模和防護(hù)工程設(shè)計(jì)的三維軟件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于危巖體研究中。如何在RocPro3D中構(gòu)建準(zhǔn)確可靠的危巖體三維模型，成為研究的重點(diǎn)問題。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)在危巖體研究中得到了廣泛應(yīng)用［10-11］。JIANG N等［7］、SARRO R等［12］、WANG Z F等［21］針對危巖體，結(jié)合無人機(jī)高精度航拍影像數(shù)據(jù)和RocPro3D模擬工具，研究了危巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等運(yùn)動(dòng)特征。結(jié)果表明，結(jié)合高分辨率無人機(jī)影像數(shù)據(jù)和三維數(shù)值模擬技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測危巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，為危巖體治理提供可靠依據(jù)。

為了減小落石對公路和建筑物的威脅，應(yīng)該在落石的優(yōu)勢路徑上鋪設(shè)被動(dòng)防護(hù)設(shè)施。這些設(shè)施包括堤防、溝渠、落石保護(hù)廊道、緩沖層和柔性防護(hù)系統(tǒng)［13］。在巖崩攔截中，這些設(shè)施的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝位置均起著關(guān)鍵作用。盡管對防護(hù)措施的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)因素已有詳細(xì)研究，但對于防護(hù)系統(tǒng)的安裝位置討論較少［14-16］。在中國西南地區(qū)的一些大型工程中，如壩肩開挖或不穩(wěn)定邊坡加固［17］，工程師常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或簡單的二維計(jì)算來確定防護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)和安裝位置。然而，這種方法往往導(dǎo)致過度防護(hù)，增加了成本。因此，為了解決防護(hù)系統(tǒng)安全可靠且最小化成本的實(shí)際問題，本文針對大華橋水電站右岸危巖體，利用高分辨率無人機(jī)影像數(shù)據(jù)和三維數(shù)值模擬技術(shù)，模擬得出其失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征;然后，根據(jù)模擬結(jié)果，提出使用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的巖崩緩解措施，并進(jìn)行多次巖崩模擬，以證明這些緩解措施的合理性;最后，根據(jù)這些措施的防護(hù)效率和相應(yīng)的防護(hù)成本，提出防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化策略。

1研究區(qū)概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪白族普米族自治縣兔峨鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上，如圖1所示，它是瀾滄江上游河段規(guī)劃推薦開發(fā)方案的第六級電站，上、下游梯級分別為黃登和苗尾水電站。大華橋水電站為堤壩式開發(fā)，壩址處右岸有蘭坪至六庫公路通過，昆明至蘭坪有省級公路連通。壩址距昆明市公路里程約588 km，距蘭坪白族普米族自治縣城77 km，對外交通較便利。大華橋水電站工程壩址區(qū)兩岸山勢雄偉，左岸山頂高程可延伸到2 450 m，右岸山頂高程為2 150 m，地形無大型沖溝發(fā)育。壩址處河谷兩岸對稱性尚好：1 540 m高程以下，左岸一般為坡度50°～75°的基巖陡坡;1 540 m高程以上為10°～30°的緩坡;右岸為40°～50°的單面山坡，坡高可達(dá)400 m。總體來看，下壩址河谷兩岸邊坡高陡，河谷呈“V”字形，兩岸微地貌完整性較差，正常蓄水位1 477 m，谷寬約200 m。

瀾滄江流域總體屬于西部型季風(fēng)氣候，其顯著特點(diǎn)是干、濕兩季分明。一般6—10月為雨季，11月—翌年5月為干季。流域內(nèi)降水年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在汛期的6—10月，約占全年的85%，其中又以6—8月為最多，約占全年的60%，降水的分布自北向南隨流域高程增加而遞增。暴雨的中心主要集中在中、下游，以局部暴雨為主。大華橋壩址地處中游區(qū)中段（圖1），多年平均降水量為973.5 mm。

壩址出露基巖巖性主要有：白堊系景星組下段（K1j1）灰白色、灰綠中～粗粒石英砂巖與紫紅色絹云母板巖不等厚互層;侏羅系（J）上統(tǒng)壩注路組（J3b）含鐵絹云母板巖、粉砂巖。其中侏羅系（J）上統(tǒng)主要分布在區(qū)域性斷裂F26-1的西側(cè)，多以紫紅色為主，巖體完整性差，呈薄層狀，板理面發(fā)育，間距一般小于10.0 cm。白堊系為下壩址主要地層，厚度大于502.0 m，其中石英砂巖為中厚層～厚層狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，所占比例約40%;板巖具板狀構(gòu)造，互層～中薄層結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度較低，占比約60%。兩岸緩坡處均有第四紀(jì)覆蓋，為崩坡積碎石土，厚度2.0～15.0 m。河床沖積砂卵礫石層厚度一般15.0 m，局部達(dá)27.5 m，局部有中粗砂層分布，最大厚度2.9 m，分布不連續(xù)，呈透鏡狀。河床未發(fā)現(xiàn)有基巖深槽分布。

大量調(diào)查結(jié)果表明，天然斜坡和人工邊坡是形成危巖體的重要條件之一。斜坡越陡，危巖體形成的可能性就越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)危巖體形成在坡度大于45°的陡峻邊坡上，而反坡上的懸崖更容易出現(xiàn)危巖體［18］。降雨對危巖體的影響非常顯著，危巖體的劇烈變形通常發(fā)生在雨季大雨之后。根據(jù)對西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查，超過70%的危巖體崩塌發(fā)生在雨季。巖性在巖質(zhì)邊坡形成危巖體方面起著明顯的控制作用。危巖體多發(fā)育在塊狀、厚層狀的堅(jiān)硬巖石和相對較堅(jiān)硬的脆性巖體上。一般來說，只有較堅(jiān)硬的巖石才能形成高陡的邊坡地形，而弱構(gòu)造節(jié)理或卸荷裂隙的存在則增加了危巖體崩塌的風(fēng)險(xiǎn)［18］。

2危巖體基本特征

2.1危巖體結(jié)構(gòu)信息對危巖體進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，需進(jìn)行地面調(diào)查、無人機(jī)攝影測量和結(jié)構(gòu)面信息提取與分析3個(gè)方面的工作。地面調(diào)查獲取危巖體巖性和控制性結(jié)構(gòu)面性質(zhì)等信息［10］。應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測量得到含拍攝點(diǎn)地理坐標(biāo)的高清照片，然后利用專業(yè)軟件完成高精度三維模型建立［11］。建立三維模型獲取研究區(qū)的高精度三維數(shù)字地形信息以及巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和展布等。無人機(jī)使用大疆M300，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1，表中：1.0 ppm表示無人機(jī)每飛行1.0 km誤差增加1.0 mm；fps表示畫面每秒傳輸幀數(shù)。

構(gòu)建研究區(qū)的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），需要先獲取高清影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行校準(zhǔn)，然后進(jìn)行影像數(shù)據(jù)拼接，最后構(gòu)建研究區(qū)的DEM。通過DEM數(shù)據(jù)獲取危巖體的幾何尺寸，進(jìn)而求得危巖體的平面面積和體積。利用無人機(jī)影像和DEM數(shù)據(jù)，提取出露的結(jié)構(gòu)面信息［1］。在待測結(jié)構(gòu)面上提取多點(diǎn)三維坐標(biāo)，將它們擬合為平面并計(jì)算相應(yīng)的平面方程參數(shù)，然后構(gòu)建平面方程參數(shù)與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀換算關(guān)系，最終計(jì)算出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。圖2為結(jié)構(gòu)面信息提取過程，為了驗(yàn)證提取的結(jié)構(gòu)面信息的準(zhǔn)確性，通過人工測量方式測定若干易測結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，并將其與提取的結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行對比。

右岸危巖體分布在右壩肩下游開挖邊坡以上的陡崖上，結(jié)合現(xiàn)場測量與三維影像模型測量，結(jié)構(gòu)面發(fā)育以陡傾角為主，基本可以分為4組：①NW350°～NE10°、SE（NW）∠75°～80°;②NW280°～290°、NE（SW）∠80°;③NE5°～20°、NW（SE）∠5°～25°;④NW275°～300°、SW（NE）∠5°～25°。裂隙一般延伸短小，以第①②組最為發(fā)育，一般為閉合狀或隱裂隙，裂隙間距數(shù)厘米至數(shù)十厘米不等，延伸長度可達(dá)數(shù)十米，與岸坡走向基本垂直。其中：①組為層面裂隙，陡傾角裂隙展布，廣泛分布于壩址區(qū);②組裂隙與①組相互垂直，陡傾向下游或上游;③④組為緩傾角裂隙組。

圖3分別為基于三維激光掃描數(shù)據(jù)和無人機(jī)三維影像，經(jīng)半自動(dòng)化識別獲取的巖體結(jié)構(gòu)面走向分布圖和極點(diǎn)等密度圖。

由圖3（a）可知，裂隙以走向NE8°和NW275°兩組最為發(fā)育。緩傾角裂隙一般隨機(jī)分布，占裂隙總數(shù)的10%～20%，規(guī)律性不強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，緩傾角裂隙主要發(fā)育兩組：一組走向NE20°，傾向NW（SE）∠10°～30°;另一組走向NW280°，傾向SW（NE）∠20°。

2.2危巖體分布特征圖4為危巖體分布特征，右岸危巖體分布在右壩肩下游開挖邊坡以上的陡崖上，根據(jù)危巖體的發(fā)育特征分為4個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)主要是壩肩1 600 m以上部位，地形較陡，危巖體的特征主要受巖體卸荷影響，失穩(wěn)模式以傾倒、錯(cuò)斷為主;Ⅱ區(qū)主要為纜機(jī)平臺下游側(cè)的壩肩邊坡，危巖體受裂隙組合切割影響，表現(xiàn)為塊狀，失穩(wěn)模式為錯(cuò)斷、崩塌;Ⅲ區(qū)主要分布在壩肩邊坡，地形相對較緩，危巖體表現(xiàn)為錯(cuò)斷、崩塌以及松散塊式;Ⅳ區(qū)主要分布在壩下游高處邊坡，地形上表現(xiàn)為突出的山脊，危巖體為傾倒卸荷形成的不穩(wěn)定塊體。

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1RocPro3D軟件介紹RocPro3D是一款專用于危巖崩塌的軌跡建模和防護(hù)工程設(shè)計(jì)的三維軟件。其主要功能是通過導(dǎo)入文件來構(gòu)建地形，并定義各個(gè)區(qū)域的巖土特性和物理特性。在進(jìn)行落石模擬時(shí)，可以設(shè)定多個(gè)初始起點(diǎn)或區(qū)域，并計(jì)算數(shù)百個(gè)不同的塊體。RocPro3D利用概率方法，反映了塊體形狀、巖土特性和地形的不規(guī)則變化，從而計(jì)算塊體的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過運(yùn)算，可以得出塊體在運(yùn)動(dòng)過程中的能量、速度和彈跳高度等特征圖像［19］。

3.2參數(shù)選取使用RocPro3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬需要確定兩類主要參數(shù)：危巖體特征參數(shù)和巖土體表面特征參數(shù)。危巖體特征參數(shù)包括形狀（Shape）、尺寸（直徑d）以及密度（ρ）。巖土體表面特征參數(shù)包括法向恢復(fù)系數(shù)（Rn）、切向恢復(fù)系數(shù)（Rt）、動(dòng)摩擦系數(shù)（Ks）［19］，大多數(shù)三維巖崩軌跡模型使用這幾種參數(shù)來計(jì)算巖塊的回彈和滾動(dòng)或滑動(dòng)［20］。Rn、Rt、Ks均服從正態(tài)分布（μ為均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差），公式為：

Rn=v-nv+n，（1）

Rt=v-tv+t。（2）

式中：v+n和v-n分別為碰撞前、后沿法向的速度;v+t和v-t分別為碰撞前、后沿切線方向的速度。

Ks值可以通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得，也可以通過落石特征（落石軌跡、沖擊點(diǎn)或停止區(qū)域）進(jìn)行三維反分析獲得。

在設(shè)置不同材料的參數(shù)時(shí)，初始模擬取的值往往基于一定范圍的經(jīng)驗(yàn)值。因此，所取的參數(shù)一般都有一定的偏差，需要根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整機(jī)械參數(shù)?，F(xiàn)場調(diào)查通常難以獲得落石軌跡和特征，因此分析落石塊停止點(diǎn)是修正力學(xué)參數(shù)的重要方法［21-23］。本次模擬中，選擇了Ⅰ區(qū)高陡危巖帶作為危巖體物源區(qū)，設(shè)置危巖源區(qū)掉落的塊石數(shù)量為10 000塊，如圖5所示。

通過模擬計(jì)算，可以獲得塊石沿途堆積的分布情況，并與已發(fā)生的崩塌堆積區(qū)進(jìn)行對比，模擬結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本吻合。此外，模擬結(jié)果中邊坡上分散的巖塊也與現(xiàn)場觀測到的分布情況基本一致。因此，可以假設(shè)模型中模擬的落石運(yùn)動(dòng)是合理的。多次模擬最終獲得的巖土體表面特征參數(shù)，見表2。

3.3危巖體失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)特征通過確定的特征參數(shù)對危巖區(qū)可能崩塌落石進(jìn)行模擬，設(shè)置危巖源區(qū)掉落的塊石數(shù)量為10 000塊，其他數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)見表2。圖6為3種不同情況下的落石軌跡。圖6（a）為無防護(hù)網(wǎng)情況下模擬的落石軌跡，巖塊從源區(qū)脫落，首先沿著坡面向下滑動(dòng)，一部分落石沿滑床左側(cè)的低洼區(qū)移動(dòng)，匯聚在隧洞口上方邊坡，最后到達(dá)坡腳河流，落石軌跡有很大一部分到達(dá)或穿越坡腳的蘭坪至六庫公路，在公路及隧洞口也有大量的落石停駐。為了攔截落石，在圖6（b）所示位置鋪設(shè)了防護(hù)網(wǎng)P1。模擬結(jié)果表明，大多數(shù)落石被防護(hù)網(wǎng)P1攔截。然而，騰躍高度極高且能量巨大的落石仍然能夠越過和穿透防護(hù)網(wǎng)P1。因此，在圖6（c）所示位置鋪設(shè)了防護(hù)網(wǎng)P2和P3。在3個(gè)防護(hù)網(wǎng)的共同作用下，落石對隧洞口和公路的威脅得到了大幅度降低。

通過計(jì)算每個(gè)落石的運(yùn)動(dòng)，可以得到落石的特征，包括空間頻率、能量、速度、高度、沖擊點(diǎn)和停止點(diǎn)。為了更好地進(jìn)行落石危害評估，對落石的特征進(jìn)行了柵格重新劃分，依據(jù)危險(xiǎn)性分為5類，結(jié)果見表3。速度和高度圖是包絡(luò)型圖，在包絡(luò)型圖中應(yīng)用置信度限制來表示網(wǎng)格單元群體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。本文置信區(qū)間限制設(shè)為95% （CL-95%）。碰撞頻率圖和碰撞點(diǎn)圖均為疊加式圖，表示巖石與網(wǎng)格交叉或碰撞的總數(shù)。圖7為無防護(hù)網(wǎng)情況下模擬的落石特征。

由圖7（a）可知，大部分落石沿滑床兩側(cè)的低洼區(qū)移動(dòng)，最后向河內(nèi)沉積區(qū)收斂，最大頻率為8.56%。由圖7（b）可知，最大速度出現(xiàn)在崩塌后落入水中的一瞬間，最大速度為103.5 m/s。由圖7（c）所示的高度分布圖可知，斜坡下部塊體的彈跳高度相對于斜坡上部塊體的彈跳高度較高，這主要是因?yàn)槠露缺葟纳系较轮饾u增大。如圖7（d）所示，沖擊位置分布與頻率分布相似，1 m × 1 m網(wǎng)格的最大累計(jì)沖擊次數(shù)為2 583次，位于隧洞前的公路上。對于落石的機(jī)械能，從圖7（e）中可以發(fā)現(xiàn)，在斜坡中部至下部的能量較大，類似于速度的分布。但動(dòng)能受少量大體積落石的影響，能量分布中的高能光柵呈線性分布。

3.4被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)情況下巖崩模擬為了減輕巖崩危害，采取柔性防護(hù)系統(tǒng)是必要的。柔性防護(hù)系統(tǒng)由鋼絲、鋼圈和鋼架構(gòu)成，主要分為主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)安置在巖崩的源頭，試圖在巖塊開始滑落之前攔截它們。然而，在大華橋水電站右岸高陡崖壁面積廣闊且不穩(wěn)定的情況下，安裝活動(dòng)網(wǎng)有很大的風(fēng)險(xiǎn)和困難。另一種常用的柔性防護(hù)系統(tǒng)是被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，它被安裝在巖崩軌跡的中間，以攔截巖塊。通過選擇合適的位置和高度，以及適量的被動(dòng)網(wǎng)，可以有效、經(jīng)濟(jì)地減輕巖崩風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化被動(dòng)柔性系統(tǒng)的關(guān)鍵是確定理想的位置、適當(dāng)?shù)膬舾叨群秃线m數(shù)量的被動(dòng)網(wǎng)。優(yōu)化過程中需要考慮3個(gè)因素：被動(dòng)網(wǎng)的高度、安裝位置和強(qiáng)度。

在本研究中，根據(jù)圖7中的落石特征，選擇了預(yù)備位置P1來安裝被動(dòng)網(wǎng)，如圖6（b）所示。根據(jù)表3，確定被動(dòng)網(wǎng)能夠承受的最大沖擊能量為4 500 kJ。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的高度在一定的位置范圍內(nèi)顯然是減輕落石災(zāi)害的一個(gè)重要因素。為了確定合適的安裝高度以達(dá)到最佳的攔截效果，設(shè)置了不同高度的被動(dòng)網(wǎng)，即1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m，總共進(jìn)行了6次巖崩模擬。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1不同高度的攔截率如圖8所示，由圖8可知，攔截效率與被動(dòng)網(wǎng)高度呈正相關(guān)趨勢，但被動(dòng)網(wǎng)高度達(dá)到3.0 m后，攔截效率趨于穩(wěn)定。因此，選擇將被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1的高度設(shè)置為3.0 m，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1具有足夠的強(qiáng)度，可以攔截落石，但會(huì)產(chǎn)生3種結(jié)果：石塊被網(wǎng)攔截、石塊飛過網(wǎng)的上方和穿過網(wǎng)。當(dāng)石塊高度高于被動(dòng)網(wǎng)時(shí)，它將保持預(yù)定的軌跡;當(dāng)石塊達(dá)到被動(dòng)網(wǎng)時(shí)，其能量超過被動(dòng)網(wǎng)所承受的最大沖擊能量（4 500 kJ），導(dǎo)致穿過網(wǎng)時(shí)速度減慢。因此，在一些騰躍高度極高或能量極大的落石塊體（通常發(fā)生在高差較大的陡坡上）的截流上存在困難。根據(jù)設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1的落石模擬結(jié)果，即使被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)高度達(dá)到4.0 m，如圖8所示，最大落石截流率也未達(dá)到100%。因此，依靠單一被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截所有落石塊不合適。為了阻止極端巖崩，唯一的方法是在較低的位置捕捉它們。因此，增加被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的數(shù)量是必要的。

圖9為安裝被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1后的落石特征，可以觀察到穿過或越過被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1的落石主要出現(xiàn)在滑床兩側(cè)的沖溝地帶。

在圖6（c）的位置上，增加了被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P2和P3的鋪設(shè)，并設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的最大承受沖擊能量為4 500 kJ，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的高度設(shè)置為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m，進(jìn)行了7次巖崩模擬。通過使用不同高度的防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算出了各種高度下的攔截率，如圖10所示。結(jié)果表明，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P2的攔截率隨著高度的增加而遞增，當(dāng)高度設(shè)置為4.0 m后，攔截率趨于穩(wěn)定;而被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P3在高度設(shè)置為1.5 m時(shí)就能發(fā)揮非常好的攔截效果。

3.5模擬結(jié)果分析防護(hù)網(wǎng)的最大高度受到材料和結(jié)構(gòu)的限制，如果無限制地增加被動(dòng)網(wǎng)的高度，其穩(wěn)定性和保護(hù)效果將迅速降低。此外，在給定的長度下，被動(dòng)網(wǎng)的高度和成本成正比。因此，不建議僅通過增加防護(hù)網(wǎng)的高度來減輕巖崩災(zāi)害，應(yīng)優(yōu)先選擇合適的位置，并適度增加被動(dòng)網(wǎng)的數(shù)量。防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)是在減輕危害的同時(shí)降低成本，為了達(dá)到這一目標(biāo)，本文提出采用多區(qū)域攔截的方法。首先，通過對單個(gè)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行分析，確定初步的攔截區(qū)域。然后，通過對多個(gè)被動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)落石特征，增加新的攔截區(qū)域。模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后的防護(hù)系統(tǒng)為：防護(hù)網(wǎng)P1、P2、P3的高度分別為3.0、4.0、1.5 m，防護(hù)網(wǎng)的最大承受沖擊能量為4 500 kJ。

圖11展現(xiàn)出安裝被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)P1+P2+P3后的落石特征，由圖可知，在經(jīng)過3個(gè)防護(hù)網(wǎng)的加固后，從高陡邊坡上滾落的巖石對蘭坪至六庫公路及隧洞口的危險(xiǎn)性降至最低。大部分未被阻擋的落石是因?yàn)樗鼈冊竭^或穿過了防護(hù)網(wǎng)。例如，圖12所示的2091號落石軌跡特征，它在到達(dá)防護(hù)網(wǎng)P1時(shí)的沖擊能量超過4 500 kJ，所以直接穿過了防護(hù)網(wǎng)P1，然后經(jīng)過多次彈跳后，高度達(dá)到4.0 m以上，越過了防護(hù)網(wǎng)P2，防護(hù)網(wǎng)P3未對其起到攔截作用。

2091號落石在越過防護(hù)網(wǎng)P2后，該落石又多次彈跳，最終停在了隧洞口公路上。部分未被攔截的落石直接越過或穿過了公路，最終停在了大華橋水電站壩址下游。這些落石沒有對水電站的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

4結(jié)論

1）利用無人機(jī)航拍高分辨率的照片和資料，最終生成數(shù)字高程模型和數(shù)字地形圖模型。該模型可以對巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行提取，從而獲得巖體結(jié)構(gòu)面特征。利用這些模型可以更加準(zhǔn)確地評估巖體的穩(wěn)定性和破壞模式，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和防治提供重要的依據(jù)。

2）根據(jù)危巖體分布及崩塌發(fā)育特征，以危巖Ⅰ區(qū)高位陡崖作為崩塌物源區(qū)，而危巖Ⅲ區(qū)地形較緩，危巖體以坡崩積的碎塊石為主，從三維數(shù)值模擬軟件RocPro3D的反演分析來看，危巖Ⅰ區(qū)高位陡崖符合作為崩塌物源區(qū)的特點(diǎn)。

3）巖崩三維數(shù)值模擬用于可視化和量化巖崩災(zāi)害是可行的。使用RocPro3D軟件多次對危巖區(qū)進(jìn)行了崩塌運(yùn)動(dòng)學(xué)三維數(shù)值模擬，以提高被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的效用。由模擬結(jié)果可知，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的安裝位置和高度對巖崩的緩解起著重要作用。通過分析防護(hù)系統(tǒng)的攔截能力和減災(zāi)能力，可以確定最合適的防護(hù)網(wǎng)安裝位置、數(shù)量和高度。根據(jù)分析結(jié)果，建議采用以下安裝方案：防護(hù)網(wǎng)的最大承受沖擊能量為4 500 kJ，P1、P2、P3的高度分別為3.0、4.0、1.5 m。

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Rockfall Numerical Simulation at Dahuaqiao Hydropower

Station Using RocPro3D

WANG Zhongfu1，2， LUO Gan1， YANG Xiaojie1

（1.College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450046， China; 2.Hunan Provincial key Laboratory of key Technology on

Hydropower Development， Changsha 410014， China）

Abstract：

Frequent collapses of dangerous rock masses on the right bank of the Dahuaqiao Hydropower Station pose significant threats to construction projects along the Lancang River. In order to protect the project area， a comprehensive analysis of rockfall hazards was carried out， including field surveys， numerical simulations， and mitigation strategies. In this study， the RocPro3D theory and method combined with on-site investigation and UAV high-precision aerial image data were used to conduct numerical simulation research on the instability of dangerous rock mass in Dahuaqiao Hydropower Station. First， a three-dimensional geological model was constructed using RocPro3D to simulate and analyze the movement characteristics of rock masses after instability. According to the evaluation of rockfall characteristics， the simulation analysis of passive protective net P1 with different heights is carried out， and the optimal height of passive protective net P1 is determined by the interception rate. Subsequently， additional passive protective nets P2 and P3 were introduced， and their heights were adjusted for further simulation analysis. Finally， an optimized protection strategy was proposed to reduce the material costs of the protection system and enhance its efficiency， thereby mitigating the threat of rockfalls to the Lanping-Liuku highway and tunnel entrances. The research results provide clear visualizations and offer valuable references for the development of targeted mitigation measures， contributing significantly to disaster prevention and mitigation engineering.

Keywords：

RocPro3D; rockfall; numerical simulation; passive protective net; disaster prevention and control

（編輯：喬翠平）