基于FUZZY与三维运动仿真的危岩落石风险评价.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202301022开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于 FUZZY 与三维运动仿真的危岩落石风险评价李红旭，王衍汇，刘桂卫（中国铁路设计集团有限公司，天津300251）摘要：为评价危岩落石对山区铁路工程的风险，提出基于模糊综合评判和三维运动仿真的危岩落石风险评价方法。以新寨隧道进口工程为研究对象，通过人工调绘、无人机遥感、室内外试验等获取基础数据；建立危岩落石稳定性评价指标体系及辨识标准，基于模糊综合评判模型确定了危岩落石发育区稳定性等级；基于真实三维地形模型，采用三维运动仿真分析了代表性危岩落石失稳后对铁路工程的不利后果；综合判定了新寨隧道进口工程危岩落石风险等级。结果表明：新寨隧道进口危岩落石稳定等级为级不稳定，风险事故不利后果等级为 4 级特大；综合判定危岩落石风险等级为级极高风险，严重威胁铁路工程建设和运营安全。关键词：铁路工程；危岩落石；风险评价；模糊评判；三维运动仿真；风险等级中图分类号：U213.1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)05 0195 06 0 引言危岩落石具有随机性大、突发性强、影响因素多等特点，对山区铁路运营安全构成极大的风险。宝成、成渝、襄渝等山区铁路都曾因危岩落石造成行车事故1，因此，对铁路工程沿线危岩落石进行风险评价，为危岩落石防治提供有效的依据，具有非常重要的现实意义。国内外学者2 4对较大规模崩塌体从地质成因演化、模型试验与数值仿真等方面进行了大量而系统的研究，但山区铁路受选线制约，危岩落石灾害分布广、数量多，规模相对较小，基础资料获取困难，研究相对不成熟。Pierson L A 等5以地形特征、地质概况、气象、岩块尺寸及崩塌规模大小、崩塌历史等为因子，提出一套针对公路崩塌落石风险评估准则（RHRS）；胡厚田6基于对宝成线和黔桂线大量调查统计，采用信息量统计方法评价崩塌落石宏观危险区段；王广坤等7基于泊松分布提出了威胁区内落石灾害年均概率的计算方法；刘洪亮等8将可拓学理论引入隧道洞口危岩落石风险评估中，构建了隧道洞口危岩落石风险分级的物元可拓模型；张继旭等9基于模糊失效准则和可靠度理论，建立危岩模糊可靠度计算模型和方法。这些研究主要致力于危岩落石稳定性评价，而结合危岩落石三维运动特征的系统性风险评价却鲜有研究。本文以新寨隧道进口工程为研究对象。根据铁路工程危岩落石发育特点，采用整体性评价和代表性分析相结合的方法对危岩落石进行风险评估，综合确定危岩落石风险等级，为危岩落石科学防治提供技术支撑。1 工程概况东南地区某在建高速铁路线路呈东西走向，属亚热带海洋性季风气候，全年水热同期，雨量充沛。线路大里程段位于低中山地区，海拔 80500 m，山高坡陡、河流冲刷严重，岩石软硬不均及风化严重、节理裂隙发育，造成沿线发育大量的危岩落石等不良地质体，对铁路工程造成潜在威胁。危岩发育平面示意，见图 1。新寨隧道进口边坡属于中山地貌，海拔99320 m，地形为多级阶梯状陡坡，陡崖坡度一般大于 70，为危岩的形成演化创造了条件，坡面植被较发育，部分岩石裸露。地层主要为石炭系下统孟公坳组（C1ym）灰岩夹页岩，灰色-青灰色，隐晶质结构，中薄层构造；页岩，薄层状，泥质胶结，遇水易崩解。岩层产状主要为2202253038，发育三组张节理，张开度 520 mm，裂面粗 收稿日期：2023 02 17基金项目：中 国 铁 路 设 计 集 团 有 限 公 司 科 技 研 发 课 题（2020YY241013，2022A02264005，721869）作者简介：李红旭（1984），男，河北唐山人。高级工程师，博士，主要从事工程地质、BIM 技术方面的研究工作。E-mail：。李红旭，等：基于 FUZZY 与三维运动仿真的危岩落石风险评价 195 糙，局部泥质充填；剪节理数量较少，多呈密闭状，无矿物充填。W3密林电信6线W5W4W1W2N小型危岩中型危岩大型危岩岑洞断层8651+626.49图1危岩发育平面示意 新寨隧道进口附近发育岑洞断层：正断层，产状 3045，与线路大角度相交，断层发育于石炭系下统灰岩中，断层延伸约 16 km，破碎带宽度约 100 m。地下水主要为碎屑岩孔隙裂隙水、碳酸盐岩溶水，由附近山体侧向补给，沿孔隙裂隙及岩溶通道向低处排泄。2 危岩落石风险评价方法基于研究区综合勘察查明工程地质条件，采用整体性评价和代表性分析相结合的方法对危岩落石进行系统性风险评估，进而评判其风险等级。危岩落石风险评价流程，见图 2。模糊综合评判稳定性分级三维运动仿真人工调绘无人机遥感室内试验现场试验不利后果分析整体性评价代表性分析综合勘察风险等级指标识别风险估计风险评价图2危岩落石风险评价流程 首先通过人工调绘辨识模糊综合评判的基础指标，综合无人机遥感、室内试验和现场试验等，构建真实三维地形模型，获取三维运动仿真基础参数，为危岩落石风险估计提供基础数据支撑与依据；其次基于模糊综合评判模型判定危岩落石风险区整体稳定性等级，采用危岩落石三维运动仿真分析代表性危岩落石对铁路工程的不利后果；最终结合稳定性等级和不利后果评价危岩落石风险等级，为危岩落石灾害科学防治提供支撑。3 基于模糊综合评判的稳定性分级 3.1 模糊综合评判原理模糊综合评判采用的基本数学手段是模糊变换。其原理简述如下：U=u1，u2，.，unV=v1，v2，.，vm设有两个论域：因素集(ui为评判指标)，评判集(vj为评判等级)。对 U 中的每一个元素 ui作一个评判 f(ui)，就可得到从 U 到 V 的模糊映射，进而推导出模糊矩阵 R。R=(rij)nm0rij1（1）A=a1，a2，.，an称 R 为从 U 到 V 的单因素评判矩阵。若存在一个集合 U 上的模糊子集，A 以向量表示，且ni=1ai=1（2）式中：ai为第 i 种因素的权重，则可惟一确定一个从 U 到 V 的模糊变换 B，B 为模糊合成结果。B=RA（3）B=b1，b2，.，bm记，其中 bj反映第 j 种评判 vj与模糊集 B 的隶属度。根据最大隶属度原则，在 B 中择其最大者max(b1，b2，bm)，其对应的等级就是模糊综合评判的最终结果。3.2 评价指标体系的建立危岩落石失稳是内外因多因子耦合的结果，内因是危岩落石形成的内在基础，外因是加速危岩落石形成，进而导致其失稳的外部条件。考虑建模的系统性、代表性、独立性和可操作性，结合前人研究成果与实践经验综合分析确定危岩落石稳定性评价指标，从地形地貌、岩土特征、气象水文、地震和工程活动5 个方面对危岩落石稳定性进行综合评价。在地质调绘时，评价指标大多只能通过定性描述进行表征，仅少数可通过数值量化，为更好地辨识各评价指标，根据相关标准及文献统计，结合工程实践总结提出稳定性评价各指标辨识标准，见表 1。模糊数学中采用隶属度来描述事物权重的模糊界限。根据建立隶属度的基本原则，对定性指标（离散型）和定量指标（连续型）分别采用德尔斐法和公式法确定各指标实际值对各个评价等级相应的隶属度，进而得到评价指标与评判等级的模糊矩阵 R。路基工程 196 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）表1评价指标辨识标准分类指标基础指标评价指标辨识标准地形地貌自然坡高/m0，15）15,30)30,50)50,*)自然坡角/（）0，25）25,45)45,65)65,90)坡面形态平缓斜坡或阶梯状坡，鲜有基岩裸露纵向宽平台阶坡，地表起伏大，基岩裸露纵向窄平台阶坡，地表起伏大，基岩裸露；孤石大部裸露纵向直立形坡，负坡角形坡，横向等高线紊乱；孤石几乎完全裸露于地表植被发育发育（30%）较发育（30%20%）一般发育（20%10%）发育差（5%10%）发育很差（5%）岩土特征岩体完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎地层岩性单一硬质岩多层硬质岩软硬相间多层软质岩单一软质岩结构稳定特征有利较有利较不利不利气象水文地下水干燥潮湿点滴状出水淋雨状线流状出水涌流状出水年降雨量/mm0，400)400,800)800,1000)1000,1500)1500,*)气候分区严寒地区（最冷月平均气温15）寒冷地区（最冷月平均气温155）温暖地区（最冷月平均气温5）地震地震加速度/g0.050.100.150.200.20工程活动工程扰动自然边坡预裂爆破光面爆破一般方法或机械开挖欠缺爆破 3.3 权重的分配权重分配方法主要有德尔斐法、专家调查法、层次分析法。前两种方法都是以专家意见为主，直接给出各指标权重值，方法简单但主观性太强。本文采用层次分析法来确定各评价指标的权重值。层次结构模型，见图 3。建立层次结构模型后，两两比较各层因子对上一层次目标的相对重要性，构造判断矩阵，并且计算出最大特征根、对应的特征向量，对判断矩阵进行一致性检验，其结果具有满意的一致性，权重分配合理。由此得到的铁路工程危岩落石稳定性各评价指标权重，评价指标权重分配，见表 2。状态层目标层分类指标基础指标指标层较稳定稳定欠稳定不稳定危岩落石发育区稳定性分级岩土特征C2地形地貌C1气象水文C3地震C4工程活动C5植被发育D4自然坡高D1坡面形态D3自然坡角D2岩体完整程度E1地层岩性E3结构稳定特征E2地下水F1气候分区F3年降雨量F2地震加速度G1工程扰动H1图3层次结构模型 表2评价指标权重分配评价因子权重分类指标基础指标分类指标A基础指标B地形地貌自然坡高0.22140.1190自然坡角0.2824坡面形态0.5149植被发育特征0.0837岩土特征岩体完整程度0.52990.3108地层岩性0.1958结构稳定特征0.4934气象水文地下水0.11530.5396年降雨量0.2969气候分区0.1635地震地震加速度0.08771.0000工程活动工程扰动0.04571.0000 3.4 模糊综合评判参考相关标准规范及文献，把危岩落石的稳定性分成四个等级，即稳定（级）、较稳定（级）、欠稳定（级）、不稳定（级）。通过模糊关系矩阵 R 与一级权重矩阵 A、二级权重矩阵 B 运算即得到最大隶属度 V，即V=RAB=V1，V2，V3，V4（4）Vi=maxV1，V2，V3，V4式中：Vi为评判集 V 中因子 Vi的隶属度，由最大隶属度原则，则 Vi所对应的等级就是危岩落石发育区的稳定性等级。经人工调绘，新寨隧道进口边坡坡高约150 m，阶梯状陡坡坡角一般 3550，发育多级李红旭，等：基于 FUZZY 与三维运动仿真的危岩落石风险评价 197 高达十余米的陡崖（坡角 6080），局部负坡角，横向等高线紊乱，植被较发育；地层为灰岩夹页岩，受岑洞断层影响岩体较破碎，卸荷裂隙和岩溶裂隙发育，泥质充填，对结构稳定较不利，危岩体多呈块状，中上部危岩多具松动迹象；年平均降水量 1 5642 442 mm，最冷月平均气温 914，地下水较发育，表层土及充填物呈潮湿状，地震动峰值加速度为 0.05g，洞口主要采用机械开挖。参照评价指标辨识标准（表 1），基于模糊综合评判模型，Vi=0.054 6,0.094 6,0.233 8,0.582 6，判定新寨隧道进口危岩落石稳定性等级为级（不稳定）。4 顾及三维运动特征的风险评价 4.1 三维地形模型与计算参数确定通过无人机仿地飞行，获取工程区域高精度机载倾斜摄影与 LiDAR 数据（地面分辨率 2 cm）。经轨迹解算、点云解算、航带平差、去除噪声等数据预处理，输出标准点云数据。为获取用于三维运动仿真模拟的真实数字地形模型（DEM），首先采用渐进加密三角网滤波算法对标准点云数据进行滤波和分类，确定地面点和非地面点，其次结合倾斜摄影获得的三维实景模型，经人工修正剔除未去除干净的植被点，找回过度分类的地面点，实现点云的精细化分类，并获取真实数字地形模型。无人机载 LiDAR 和倾斜摄影数据，见图 4。坡面特征参数是危岩落石三维运动仿真计算的重要基础数据，因此开展多组现场推剪试验、推石试验。根据野外调查，新寨隧道进口边坡坡面植被具有典型分带特性，上部为稀疏乔灌木，杂草丛生（多草地面）；中部为茂盛乔木，杂草稀疏（稀草地面）；下部为稀疏乔灌林，局部坡面裸露，部分稀草（含碎石地面）。对三种代表性坡面特征场地分别进行了 2 组天然+饱和（考虑降雨导致坡面岩土饱和的影响）工况的推剪试验及 3 组推石试验，现场试验，见图 5。地面点非地面点危岩体隧道口隧道口数据剖面（a）三维实景模型（b）LiDAR点云数据剖面（c）数字地形模型图4无人机载 LiDAR 和倾斜摄影数据 （a）推剪试验（b）推石试验图5现场试验 通过推剪试验，基于力的平衡确定了各坡面特征条件下的坡面摩擦系数；采用高速图像记录滚石运动轨迹，结合 Rockfall 数值反演确定了各坡面特征条件下运动地面参数，见表 3。表3坡面特征计算参数坡面特征法向恢复系数RN切向恢复系数RT摩擦系数多草地面天然0.480.900.83饱和0.450.870.68稀草地面天然0.500.910.98饱和0.480.890.70含碎石地面天然0.540.920.80饱和0.530.910.66 4.2 三维运动仿真分析基于质点法，采用自主研发的 Rockfall Hunter软件模拟分析典型危岩运动特征。基于数字地形模型，并根据人工调绘和室内外试验赋予不同类型坡面法向恢复系数、切向恢复系数和摩擦系数等计算参数；设置危岩几何、质量参数，采用蒙特卡罗法抽样，置信度为 95%，每块模拟 20 次，抛掷角度指向微地貌斜坡倾向（20），间隔 2；假定初始水平、竖向速度为 0.5 m/s，离地高度为 0.5 m，运动速度小于 0.1 m/s 时即为停止。路基工程 198 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）选择边坡中下部、中部、中上部 5 块典型危岩为代表，经计算获得危岩落石的三维运动轨迹、能量分布、运动速度和弹跳高度等特征参数色带图，以及侵入工程范围内的最大弹跳高度、速度和最大冲击能。以 W5 危岩为例，危岩的三维运动特征值，见表 4，三维运动模拟分析，见图 6。落石运动多以碰撞弹跳、自由飞落为主，局部地形平缓地带发生滚动，大量落石将侵入或穿越隧址区及相邻桥址区；落石进入工程区域的速度可达 12.117.3 m/s，弹跳高度高达 6.512.5 m，冲击能量与质量、速度正相关，最大超过 8 000 kJ。危岩落石对铁路工程将造成严重的危害。表4三维运动特征值编号 相对位置 质量/t 弹跳高度/m 速度/（ms1）冲击能量/kJW1中上部13.90 6.513.41658W2中部30.5812.516.84210W3中下部 2.78 9.014.2340W4中上部16.6812.512.1810W5中下部68.8112.017.38861注：以上数据均为侵入工程区域内的最大值。1100088006600440022000Energy/kJ17.514.010.07.03.50Velocity/（ms1）12.510.07.55.02.50Height/m（a）冲击能量（b）运动速度（c）弹跳高度（d）运动轨迹图6三维运动模拟分析 4.3 危岩落石风险评价风险评价是根据灾害发生的可能性和风险事故不利后果来综合评定风险等级。危岩落石灾害发生的可能性通过危岩落石稳定性等级来表征，而风险事故不利后果采用三维运动仿真计算分析代表性危岩落石灾害对铁路工程的不利影响来表征。参照铁路工程相关规范，结合文献调研将危岩落石风险不利后果等级划分为一般（1 级）、较大（2 级）、重大（3 级）、特大（4 级），见表 5。表5风险事故不利后果等级冲击能量/kJ其他情况可能影响路桥隧等重要结构物的正常使用可能破坏路桥隧等重要结构物，使其丧失承载能力侵入铁路轨道等建筑限界1001123100012343000233430002344综合危岩落石稳定等级和不利后果等级，将危岩落石风险等级划分为 4 个等级，即低风险（级）、中风险（级）、高风险（级）、和极高风险（级）。风险等级划分，见表 6。结合三维运动仿真分析结果，新寨隧道进口危岩落石风险事故不利后果等级为 4 级（特大）；而稳定等级为级（不稳定）；综合判定新寨隧道进口危岩落石风险等级为级（极高风险）。表6风险等级稳定等级不利后果等级1234 4.4 风险评价结果验证叶四桥等10针对铁路、公路隧道洞口段落石风险采用 RHRS 经验评分原则，通过量化评价各影响因子，评价落石致灾可能性和致灾严重性，最终获得隧道洞口段落石危险性分级指标 RRS，划分危险性等级为 1 4 级，等级越小，危险性越大。利用上述方法对新寨隧道进口落石风险指标进行量化评价，获得危险性分级指标 RRSRRS=HPSD=RPIPSD=9720（5）RRS 的评分为 9 720，判定新寨隧道进口危险性等级为 1 级，其风险等级与评估结果一致，从而验证了方法是合理可行的。5 结语以新寨隧道进口工程为研究对象，采用模糊综合评判和三维运动仿真分析相结合的风险评价方法，评价了危岩落石对山区铁路工程的风险。（1）建立危岩落石稳定性评价指标体系及辨识标准，运用层次分析法确定评价指标的权重，采用模糊综合评判方法获得危岩落石稳定性等级，形李红旭，等：基于 FUZZY 与三维运动仿真的危岩落石风险评价 199 成铁路工程危岩落石稳定性模糊综合评判模型。（2）综合无人机遥感、室内试验和现场试验等，构建真实三维地形模型，获取三维运动仿真基础参数，采用三维运动仿真分析代表性危岩落石失稳后对铁路工程的不利后果，结合稳定性等级形成了顾及危岩落石三维运动特征的风险评价方法。（3）新寨隧道进口危岩落石稳定等级为级（不稳定），风险事故不利后果等级为 4 级（特大）；综合判定新寨隧道进口危岩落石风险等级为级（极高风险），严重威胁铁路工程建设和运营安全。参考文献(References)：1 胡厚田.崩塌与落石M.北京:中国铁道出版社,1989.HU H T.Collapse and 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Design Corporation Co.,Ltd.,Tianjin 300251,China）Abstract:A risk evaluation method based on fuzzy comprehensive evaluation and 3D motion simulation isproposed to evaluate the risk of dangerous rocks to railway works located in mountainous area.With the portal ofXinzhai Tunnel as the research object,the basic data are obtained through manual surveying and mapping,UAVremote sensing as well as laboratory and field tests;the index system and identification standard of dangerousrock stability evaluation are established;and the stability level of the area developed with dangerous rocks isdetermined by the fuzzy comprehensive identification model;the adverse consequence of typical dangerous rocksfalling on railway works is analyzed based on real 3D landform model and 3D motion simulation;and,the risklevel of dangerous rocks at the portal of Xinzhai Tunnel is identified in a comprehensive way.The results showthat the stability level of dangerous rocks at the portal of Xinzhai Tunnel is Level;the level of the adverseconsequence of rockfall is Level 4(extra serious consequence);and,the risk level of dangerous rock is Level(extremely high risk),which can seriously threaten the construction and operation safety of railway works.Keywords:railway works；dangerous rock；risk evaluation；fuzzy comprehensive identification；3D motionsimulation；risk level路基工程 200 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）