基于 LiDAR三维数字高程模型对高陡岩质边坡的稳定性进行评级预测

陈胜

广东省佛山地质局，佛山 528000

摘要：天镇峰公园高陡边坡整体地貌为一陡崖，整体形态为倾斜式高陡岩质边坡，基岩出露较好，岩体主要受三组结构面切割，局部出现架空现象。通过现场调查及LiDAR三维数字高程模型、室内无人机倾斜摄影解译，圈定危岩体区域位置，并采用平面极限平衡法进行稳定性评价和推力计算，应用赤平投影分析法对危岩体边坡稳定性进行反算。同时，对危岩体的影响范围和破坏力进行综合分析模拟预测，提出治理建议。

关键词：高陡边坡 危岩体 LiDAR三维数字高程模型

西樵山风景名胜区是广东省四大名山之间，享有国家“5A”级旅游景区、国家森林公园、国家地质公园等荣誉。天镇峰公园高陡边坡整体地貌为一陡崖，边坡整体高约90m，长约180m，坡向约86.5°，坡度约56°。坡面发育7处危岩体，残坡积层厚度较小，地形起伏较大，自然山体的坡度一般30°～50°。该边坡存在危岩体崩落引发的崩塌地质灾害隐患。

1.地质背景

调查区位于西樵山南坡，总体为侵蚀--剥蚀低山、丘陵地形，自然山体的坡度一般30°～50°，高程范围为12～200m。调查区出露的地层有古近纪华涌组石英粗面岩（E₂h）、第四纪残坡积层砂质粘性土（Q^edl）。地质构造上属三水盆地，位于北东向恩平—新丰断裂带与北西向西江断裂带的交汇处。调查区内未见断裂出露，基岩中节理裂隙较发育。

调查区为低缓丘陵地貌，山体整体较缓及坡面地表水系不发育，边坡之上无常年性水流，主要为季节性地表滞水。调查区内地下水赋存条件及含水岩组特征，将其划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种类型。松散岩类孔隙水分布在人工堆积层和残坡积层的颗粒孔隙之中，一般为潜水，主要含水层为碎石土，土质较松散，利于降水的入渗及地下水的渗透。基岩裂隙水分布在调查区基岩区，含水岩组为古近纪华涌组石英粗面岩，赋存于基岩的节理裂隙中，分布不均匀，水力性质以潜水为主，地下水径流较通畅，顺山坡排泄于山沟，基岩风化裂隙不甚发育，区内基岩裂隙水水量贫乏。本次调查发现有1处基岩裂隙渗水点，水量较小。

调查区地下水主要由大气降水补给，坡体之上由高处向低处径流，向沟口、山前第四系含水层排泄。地下水径流及排泄较好，排泄于下部的基岩裂隙水中。由于含水层分布于高陡的山坡之上，有利地下水的径流和排泄，不利于地下水的储藏，坡体地下水量贫乏，沟底地下水随季节变换。

调查区雨水季节，坡体地下水埋深较浅，坡体基岩面局部可见地下水渗出；枯水季节，坡体地下水埋深较深，坡体基岩面难见地下水流出。根据收集西樵山及周边钻探资料，调查期间地下水位埋深1.50～7.00m。

2.危岩体类型及特征

调查区危岩体所在高陡边坡，边坡整体高约90m，长约180m，坡向约86.5°，坡度约56°。整体地貌为一陡崖，整体形态为倾斜式高陡岩质边坡，山体高陡，植被较为茂密，山体岩体基岩出露较好，岩体主要受三组结构面切割，局部出现架空现象。岩性主要为中—微风化粗面岩，坡脚有大量房屋建筑物与天镇峰公园。区内危岩体共7处，编号为WY03-1~7，分布见图1。以下以WY03-1危岩体为例进行分析。

图1 天镇峰公园后山危岩体分布图

（1）编号WY03-1危岩体分布特征

危岩区所处位置经纬度为，经度112°58'2.643" ，纬度22°56'25.595"，高程约114m。坡向103°，坡度45°，整体高差约60m，纵向长约7m，横向宽约15m，整个危岩区投影面积约105m²，整体平均厚度约3m，估算危岩体积约315m³。

（2）编号WY03-1危岩体发育特征

为一滑移式危岩体，三组发育明显的节理裂隙，对坡体的切割、分离，为危岩体的形成提供了脱离山体的边界条件；危岩体岩性主要为中—微风化粗面岩，发育有三组节理结构面：①产状358°∠21°，密度为1.5m/条，可见延伸长度约8m；②产状83°∠52°，密度为1.2～3.0m/条，可见延伸长度约12m；③产状100°∠48°，密度为1.5m/条，可见延伸长度约11m。滑移面为上述顺向倾角55°的节理结构面，该组结构面延伸范围主要在边坡上部，光滑平直，在降雨、自重等作用下，顺向结构面上覆岩体向坡下临空面滑移前塌。在暴雨或者地震等扰动情况下，危岩体可能发生整体或局部滑塌滚落，滑移体沿途将坡面中、下部的松散岩土体、树木一并带出，发生崩塌。可能会形成滑移式崩塌，对坡脚的房屋造成威胁。

3.危岩体稳定性分析

天镇峰区域共发育7处危岩体，基岩主要由中—微风化粗面岩组成，节理裂隙发育，岩土体物理力学性质较差，同时坡面陡峭，在暴雨、自身重力等的作用下易发生局部的小型岩质崩塌，并可随着下部崩塌的发生，形成新的陡峭临空面，引发后部或周边坡体危岩的形成，并再次发生新的岩质崩塌，从而对景区产生持续的危害。

（1）计算方法

与边坡稳定性相关岩土体主要为中-微风化岩等，由于基岩节理裂隙较发育且岩性成分主要为粗面岩，岩体工程性质较差但较岩质较硬，按岩质滑移式崩塌处理，采用规范推荐的平面极限平衡法进行稳定性评价和推力计算。同时，采用赤平投影分析法对危岩体边坡稳定性进行反算。

边坡稳定性计算公式如下：

K_S—边坡稳定性系数；

R—单位宽度滑块在滑动面上的抗滑力（kN/m）；

T—单位宽度滑块在滑动面切线上反力（kN/m）；

—滑面倾角（°）；

—滑面的内摩擦角（°）；

C—滑面的粘聚力（kPa）；

L—滑面的长度（m）；

G—滑体单位宽度自重（kN/m）；

A—地震加速度（单位：重力加速度g）；

V—后缘陡倾裂隙面上的单位宽度总水压力（kN/m）；

U—滑面单位宽度总水压力（kN/m）；

H—后缘陡倾裂隙充水高度（m），根据裂隙情况及汇水条件确定。

（2）计算工况

根据边坡在一般状态（非雨季、无地震等）和饱和状态（连降暴雨＋地震等不利情况）下的差异，确定以下两种计算工况：

工况一：一般状态（自重＋地下水）

地下水位以上按天然重度计算，在地下水位以下取饱和重度计算，不考虑地震、地下水的渗流和浮托力作用等其它因素。

工况二：饱和状态（自重＋暴雨＋地震）

在该状态时，坡体后缘裂隙充满水体，需要考虑的静水压力和扬压力。暴雨时，岩土体重度和强度参数都取饱和时的参数，由于场地的地震烈度为Ⅶ度，需要考虑地震作用。

（3）计算参数的选取

反演分析：取WY3-1处情况进行分析，假设原坡面岩体处于临界状态，令Ks=1.00，取滑动的结构面饱和状态时=15.0°，可得结构面饱和状态C=18.0kPa。

根据调查区附件碧玉洞勘察报告的土工试验数据和地区经验，并结合反演分析，选取相关岩土层的物理力学性质指标，进行边坡的稳定性计算，具体参数见表1。

表1 边坡稳定性计算参数建议值

（4）各区域危岩体评价

根据前文叙述，野外地质灾害调查与无人机拍摄解译潜在的危岩崩塌共有7处，以下以WY3-1危岩体为例，具体情况评价如下：

稳定性系数：一般状态Ks=1.083，饱和状态Ks′=0.95。

灾害预测：预测在正常工况情况下，发生崩塌的可能性较大，但在强降雨和地震情况下稳定性显著变差，产生小型岩质崩塌地质灾害的可能性大，主要为坡面危岩体的的滑移崩塌，预测单个崩塌体小于5m³，整体高差约60m，纵向长约7m，横向宽约15m，整个危岩区投影面积约105m²，整体平均厚度约3m，估算危岩体积约315m³。

同时，采用赤平投影分析法对危岩体边坡稳定性进行评价（图2），评价结果为不稳定。

图2 WY3-1边坡危岩体裂隙赤平投影结果

4.破坏力综合分析及预测评价

（一）评价标准

地质灾害的危害程度评估标准参见《广东省地质灾害危险性评估实施细则》地质灾害危害程度分级表。

（二）预测评价

1．危岩体

危岩的下滑能量计算公式如下：

m=ρV

E—下滑能量（kJ）；

m—危岩的质量（单位：kg）；

g—重力加速度（9.8m/s²）；

v—危岩坠落到地面瞬间的速度（m/s）

h—危岩距离山涧的高度（m）；

ρ—危岩岩石密度（kg/ m

³）；

V—危岩体积（m³）；

(1)正常工况失稳过程模拟

天镇峰公园高陡边坡整体地貌为一陡崖，整体形态为倾斜式高陡岩质边坡，山体高陡，植被较为茂密，山体岩体基岩出露较好，岩体主要受三组结构面切割，局部出现架空现象。局部已发生过崩塌，根据室内无人机倾斜摄影解译与现场调查，现主要圈定7处危岩体，选取参数及相关见表2、3。

表2 危岩分布统计表

表3 相关材料属性参数

模拟结果如下：

从图3中可见，天镇峰东侧危岩体（WY03-1~WY03-5）发生自然崩塌后，会随地形的影响，顺坡崩落至一条泥石流沟内，然后顺沟滚动，冲出沟口，且发生高频率的弹跳；另两处危岩均沿坡表崩落，块石在整个运动过程的前中期较少向两侧扩散。而崩落块石在整个运动过程的中后期，即滚落至下部坡体较缓时，受到坡体坡度平缓的地形影响，发生撞击，又呈现出向两侧离散的状态。崩落块石运动的末期，滚石滚至堆积体末端，即坡脚堆积体时，其向两侧扩散的趋势逐渐减弱。

图3 弹跳高度分布三维侧视图

由动能公式可知，在整个崩落块石的三维运动过程中，能量分布与速度分布呈正相关。对崩落块石整个运动过程中的速度与能量分布进行分区。经分析可知：崩落块石的速度数值随山体高程的降低，整体呈现先增大再减小的趋势。东侧危岩（WY03-1~WY03-5）在崩落块石失稳初期，其速度值较小，此时，崩落块石处于加速阶段。崩落块石在失稳后第一次与地面接触，发生弹跳时，速度迅速降低。撞击后，崩落块石的运动受地形影响，未明显向两侧扩散，而是沿沟滚落，且发生跳动，故速度与能量分布呈不连续点状；西侧危岩（WY03-6~WY03-7），在崩落块石失稳初期，其速度值较小。此时，崩落块石处于加速阶段。崩落块石在失稳后第一次与地面接触，发生弹跳时，速度迅速降低。撞击后，崩落块石的运动受地形影响，逐渐向两侧扩散，高速度、高能量值分布变得零散。

在崩落块石运动的末期，西侧块石运动至沟口后，块体已发生了解体，其速度与能量陡降，且地形坡度也较缓，植被较为茂密，大部分残留致沟口。东侧大部分块石残留在坡表，可见茂密的植被是崩塌灾害天然的被动防护网，可降低危岩体崩落的威胁性。

崩塌落石主要威胁对象为天镇峰公园高陡边坡坡脚的建筑物与公路，一旦发生崩塌，WY03-6与WY03-7威胁程度较大。

(2) 极端工况失稳过程模拟（地震+无植被）

如果发生地震等外界条件激发下（按照以往调查区附近最大震级为5级取值），危岩体会受到一定外力作用，从而具有一定初速度的条件下发生崩塌。从图4可见，天镇峰南侧危岩体（WY03-1~WY03-5）发生崩塌后，会有一个起始较快的初速度，更快的随地形顺坡崩落至一条泥石流沟内，然后顺沟滚动，冲出沟口，且滚动过程中受到碰撞发生高频率的弹跳。另两处北侧危岩（WY03-6~WY03-7）均沿坡表崩落，块石在整个运动过程的前中期较少向两侧扩散，而崩落块石在整个运动过程的中后期，即滚落至下部坡体较缓时，受到坡体坡度平缓的地形影响，发生撞击，又呈现出向两侧离散的状态。崩落块石运动的末期，滚石滚至坡脚，其向两侧扩散运动停止。

图4 天镇峰危岩失稳过程三维模拟图（5级地震的影响下）

由动能公式可知，在整个崩落块石的三维模拟运动过程中，能量分布与速度分布呈正相关。对崩落块石整个运动过程中的速度与能量分布进行分区。经分析可知：崩落块石的速度数值随山体高程的降低，整体呈现先增大再减小的趋势。南侧危岩在崩落块石失稳初期，受地震外力作用其速度值较小，此时，崩落块石处于加速阶段。崩落块石在失稳后第一次与地面接触，发生弹跳时，速度迅速降低；撞击后，崩落块石的运动受地形影响，明显向两侧扩散，沿坡面滚落，且发生跳动，故速度分布呈不连续点状。北侧危岩在崩落块石失稳初期，其速度值较小，此时，崩落块石处于加速阶段，崩落块石在失稳后顺坡滚动，发生弹跳，速度增加，北侧危岩体崩落后与坡表的植被发生撞击，同时崩落块石的运动受地形影响，逐渐向两侧扩散，高速度、高能量值分布变得零散。

在崩落块石运动的末期，南侧块石运动至沟口后，块体已发生了解体，其速度与能量陡降，且地形坡度也较缓，冲出沟口向周围扩散。北侧大部分块石残留在坡表，可见茂密的植被是崩塌灾害天然的被动防护网，可降低危岩体崩落的威胁性，但由于地震影响，大部分的落石仍冲落至坡脚居民房区。

崩塌落石主要威胁对象为天镇峰公园高陡边坡坡脚的建筑物与公路，在有地震的激发条件下，一旦发生地震影响，七处危岩区的崩塌落石均会对坡脚建筑物与公路造成威胁，距崩塌源最远水平位移为110m，威胁范围为8000m²。

综上所述，在一般工况条件下，天镇峰高陡边坡危岩体（WY03-1~WY03-5）发生崩塌后主要堆积于坡面和沟口，危岩体（WY03-6~WY03-7）则可能滚落至坡脚居民区；在极端工况（地震）条件下，危岩体则会对坡脚居民区造成重大伤害，威胁区域最远达到110m，最远可以达到第3排居民楼，威胁范围达8000m²。

5. 危岩体（崩塌）治理方案建议

调查区危岩体发生崩塌的可能性大，是调查区内最大的安全隐患，直接威胁坡脚居民区，危害程度属于大型。危岩体属于西樵山5A级景区的自然景观，并且位于高位边坡之上，处理难度很大。因此，处理此类危岩体不仅要考虑自然景观，同时也要以人为本，安全第一原则，最大力度的保护坡脚居民的生命财产安全。因此建议采取如下措施：

（1）天镇峰危岩体崩塌地质灾害具有突发性强、预见性差和危害大的特点，需要加强领导和组织协调，运用近年来新技术、新手段加强对坡面的预防监测，提前预警，提前防范，强化长期监测预警措施。

（2）建议综合使用各类防治措施（危岩清除、挂网、栅栏和棚洞防护、危岩锚固、危岩支撑、灌浆封闭、排水、危岩监测和避让等），可在坡面设置3-5组被动防护网，被动防护网隐藏于坡内密林之中，除了在景观上能够和谐统一外，还能沟消减危岩体形成崩塌的动能，直至阻挡滚石滑落。

（3）针对危岩体的治理，坚持“以人为本，安全第一”的原则，采取更合理的治理手段，减少对5A级风景名胜区自然景观的破坏，达到人居安全和自然景观的和谐统一。

（4）按照轻重缓急的原则和属地财政情况，合理安排天镇峰及西樵山风景区地质灾害隐患综合治理工程时间表和路线图。

参考文献

[1]广东省地质灾害防治协会；《广东省地质灾害危险性评估实施细则》（2021年修订版）；2021年3月。

[2]吴迪；基于航拍摄影和LiDAR数据的山地滚石信息提取；中国矿业大学；2017年。

[3]胡聪；高陡边坡危岩体失稳机理及其崩塌滚石运动规律；山东大学；2014年

[4]刘卫华；高陡边坡危岩体稳定性、运动特征及防治对策研究；成都理工大学；2008年第一期。

14