Rockfall數(shù)值模擬在零星高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用

孫全福，胡才源，李小玲，張 忠，楊世林

(貴州省地質(zhì)環(huán)監(jiān)測院，貴州 貴陽 550001)

1 引言

Rockfall是Roscience公司開發(fā)的用于計(jì)算落石運(yùn)動(dòng)軌跡與沖擊能量的軟件(Hoek，E 1987)。Rockfall軟件是一款通過矢量化模擬剖面，根據(jù)實(shí)際調(diào)查賦予崩塌源位置及坡面的特征值，模擬落石在坡面上的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)特征。根據(jù)危巖按所處相對(duì)崖底高度的分類(T /CAGHP 011—2018)：危巖體相對(duì)崖底高度在50 m100 m，屬特高位危巖。本文所稱高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害是指崩塌危巖體位置相對(duì)陡崖底高差大于50 m的崩塌危巖體失穩(wěn)形成的崩塌地質(zhì)災(zāi)害。高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害一般處于高陡山坡的上部，隱蔽性強(qiáng)，危害性大，運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，威脅范圍難以確定，是崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文以貴州省大方縣小屯鄉(xiāng)法啟村一組崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患為例，基于對(duì)該崩塌地質(zhì)災(zāi)害的詳細(xì)調(diào)查測繪，選取代表性剖面，對(duì)坡面特征進(jìn)行賦值，使用Rockfall軟件模擬崩塌落石的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)特征，總結(jié)Rockfall數(shù)值模擬在零星高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用，為高位零星崩塌地質(zhì)災(zāi)害的進(jìn)一步研究和防治提供一種可行的技術(shù)方法。

2 崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患概況

貴州省大方縣地處烏蒙山脈東麓的黔西高原向黔中山原丘陵過渡的斜坡上，縣內(nèi)地形具有地勢(shì)高，起伏大，山高坡陡，溝多谷深的高原山地特征。法啟村一組崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患位于大方縣小屯鄉(xiāng)法啟火車站北側(cè)的陡崖帶上，陡崖帶長約700 m，高約400 m，呈南北向展布，中心地理坐標(biāo)為：東經(jīng)105°34′28.06″，北緯27°01′20.82″(見圖1)。陡崖帶自下而上又可劃分為兩級(jí)陡崖帶：一級(jí)陡崖帶位于斜坡中部，水平距離法啟村一組居民區(qū)200～300 m，陡崖高差在40～120 m，海拔高程在1 220～1 420 m之間；二級(jí)陡崖帶位于一級(jí)陡崖帶上部，距居民區(qū)水平距離400～600 m，陡崖高差90～200 m，海拔高程在1 390～1 570 m之間，兩級(jí)陡崖中間為陡斜坡。陡崖帶表層巖體結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，植物根劈作用強(qiáng)，常發(fā)生零星掉塊，威脅斜坡坡腳法啟村一組83戶510名居民及法啟火車站，潛在經(jīng)濟(jì)損失約3 000萬元。整個(gè)陡崖帶可劃分為5個(gè)典型危巖帶，崩塌危巖體總規(guī)模約74 000 m3，為典型的高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患，崩落方式為零星崩落。

圖1 法啟村一組崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患全貌

法啟村一組崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患崩落時(shí)間跨度較大，自上世紀(jì)初以來就時(shí)有發(fā)生零星崩塌掉落，多數(shù)崩落危巖體堆積于斜坡體上的灌木林及耕地內(nèi)，少數(shù)崩落體到達(dá)居民區(qū)。近年來崩落越發(fā)頻繁，其中2018年2月14日發(fā)生一次小規(guī)模崩塌，損壞一戶村民房屋及火車站設(shè)防的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(見圖2、圖3)。

圖2 房屋損壞現(xiàn)狀

Fig.2 Current state of house damage

圖3 被動(dòng)網(wǎng)破壞現(xiàn)狀

Fig.3 Status quo of passive network damage

3 Rockfall數(shù)值模擬的應(yīng)用

要通過落石運(yùn)動(dòng)計(jì)算軟件或數(shù)值模擬得到相對(duì)客觀的落石運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，必須先有切向、法向恢復(fù)系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)等的合理取值(葉四橋等 2018)。坡面鋪裝、坡度、落石質(zhì)量、下落高度對(duì)切向恢復(fù)系數(shù)均有明顯的影響，落石形狀則無明顯影響(葉四橋等 2018)。坡面鋪裝和坡度是影響落石碰撞邊坡法向恢復(fù)系數(shù)取值的主要因素，而落石質(zhì)量、落石形狀和入射速度對(duì)法向恢復(fù)系數(shù)取值沒有明顯影響(葉四橋等 2015)。由于坡面的不均一性，落石形狀的不規(guī)則性，落石的碰撞過程及落石坡面滾動(dòng)的過程中具有一定的隨機(jī)性(鄒維勇等 2017)。因此，數(shù)值模擬過程中，坡面參數(shù)特征、落石質(zhì)量和下落高度的合理取值是Rockfall數(shù)值模擬的關(guān)鍵。

3.1 模擬剖面的選取

危巖帶5位于法啟村一組崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患的最高危巖帶分布區(qū)的“煽雞巖”，為全面掌握崩塌落石的最大威脅范圍和服務(wù)地質(zhì)災(zāi)害防治設(shè)計(jì)的有效性，選取了切割“煽雞巖”陡崖帶兩條剖面(2-2′和3-3′)作為模擬剖面。

3.2 模擬落石的確定

法啟村一組崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患在崩落時(shí)間上跨度較大，現(xiàn)場可調(diào)查的崩塌落石最早時(shí)間大于100年，最近一次為2018年2月14日。在崩塌落石方量上，根據(jù)現(xiàn)場落石現(xiàn)狀，最大的方量為早期的崩塌落石塊體，方量約245 m3，近100年以來落石塊體方量多在1～3 m3，以零星掉落為主，偶有小規(guī)模崩塌出現(xiàn)。其中，2018年2月14日發(fā)生的小規(guī)模崩塌為較典型的一次，其落石塊體方量均小于3 m3。

為有效的模擬落石最大威脅范圍及運(yùn)動(dòng)軌跡，掌握落石主要堆積區(qū)域，本次模擬落石選擇塊體方量為3 m3，落石位置為“煽雞巖”最高處，失穩(wěn)方式為自然失穩(wěn)，模擬過程中假設(shè)50塊落石突然失穩(wěn)進(jìn)行模擬。落石物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)后，按相關(guān)規(guī)范取值，具體見表1。

表1 落石理力學(xué)指標(biāo)建議值

3.3 坡面參數(shù)特征的確定

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及無人機(jī)低空影像測量，模擬坡面自上而下為陡崖面(有少量零星植被)、灌木植被發(fā)育坡面、光滑巖面，灌木植被發(fā)育坡面、耕作區(qū)、居民區(qū)及火車軌道。模擬過程中根據(jù)實(shí)際對(duì)坡面進(jìn)行分段，各段巖塊回彈系數(shù)及滾動(dòng)摩擦系數(shù)取值根據(jù)《崩塌防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 011—2018)附表F.1和F.2，取值情況見表2。

表2 數(shù)值模擬坡面特征

3.4 模擬分析

3.4.1 2-2′剖面模擬分析

由圖4-圖7可知，崩塌危巖體自最高點(diǎn)失穩(wěn)后，以滾動(dòng)、碰撞、彈跳及空中飛行的方式組合運(yùn)動(dòng)。在坡面上部(一級(jí)陡崖帶上部)，以滾動(dòng)、碰撞和彈跳運(yùn)動(dòng)為主；在一級(jí)陡崖帶區(qū)域以空中飛行方式直接向其下部斜坡體運(yùn)動(dòng)；在一級(jí)陡崖帶下部斜坡區(qū)域以碰撞和彈跳運(yùn)動(dòng)為主，最終集中停留在村民耕作旱地區(qū)(ef段)，少量崩塌落石運(yùn)動(dòng)到居民區(qū)停留。在動(dòng)能變化方面，崩塌落石的動(dòng)能與落石的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)塊體數(shù)量、運(yùn)動(dòng)距離及落差有關(guān)。

根據(jù)數(shù)值模擬成果表(表3)，可詳細(xì)的掌握到崩塌落石的集中停留區(qū)，主要集中停留在距落石失穩(wěn)處的330～343 m之間，可到達(dá)的最遠(yuǎn)距離為438.37 m；同時(shí)，還可詳細(xì)的了解各點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)落石的最大彈跳高度、平移速度、旋轉(zhuǎn)速度、平移動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)動(dòng)能和總動(dòng)能等相關(guān)運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)。

3.4.2 3-3′剖面模擬分析

由圖8-圖11可知，崩塌危巖體自最高點(diǎn)失穩(wěn)后，以滾動(dòng)、碰撞、彈跳及空中飛行的方式組合運(yùn)動(dòng)。其中在坡面上部(一級(jí)陡崖帶上部)，以滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)為主，在一級(jí)陡崖帶區(qū)域以中飛行方式直接向其下部斜坡體運(yùn)動(dòng)，在一級(jí)陡崖帶下部斜坡區(qū)域以滾動(dòng)、碰撞和彈跳運(yùn)動(dòng)能變化方面，崩塌落石的動(dòng)能與落石的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)塊體數(shù)量、運(yùn)動(dòng)距離及落差有關(guān)。

根據(jù)數(shù)值模擬成果表(表4)，可詳細(xì)的掌握到崩塌落石的集中停留區(qū)，主要集中停留在距落石失穩(wěn)處的413～427 m之間，可到達(dá)的最遠(yuǎn)距離為487.96 m；同時(shí)，還可詳細(xì)的了解各點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)落石的最大彈跳高度、平移速度、旋轉(zhuǎn)速度、平移動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)動(dòng)能和總動(dòng)能等相關(guān)運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)。

圖4 2-2′剖面模擬彈跳軌跡圖

Fig.4 Bounce trajectory of 2-2′profile

圖5 2-2′剖面模擬彈跳高度圖

Fig.5 Bounce height envelope of 2-2′profile

圖6 2-2′剖面模擬停留位置圖

Fig.6 End-points location of 2-2′profile

圖7 2-2′剖面模擬總動(dòng)能圖

Fig.7 Total kinetic energy of 2-2′profile

表3 2-2′剖面數(shù)值模擬成果表

圖8 3-3′剖面模擬彈跳軌跡圖

圖9 3-3′剖面模擬彈跳高度圖

Fig.9 Bounce height envelope of 3-3′profile

圖10 3-3′剖面模擬停留位置圖

Fig.10 End-points location of 3-3′profile

圖11 3-3′剖面模擬總動(dòng)能圖

Fig.11 Total kinetic energy of 3-3′profile

表4 3-3′剖面數(shù)值模擬成果表

3.5 模擬成果及其運(yùn)用

通過數(shù)值模擬可知，崩塌危巖體自最高點(diǎn)失穩(wěn)后，以滾動(dòng)、碰撞、彈跳及空中飛行的方式向斜坡坡腳運(yùn)動(dòng)，最終主要堆積于一級(jí)陡崖帶下部的斜坡體上的耕地內(nèi)，少量可到達(dá)居民區(qū)。這與調(diào)查的以往發(fā)生的崩塌落石的情況基本一致，說明Rockfall數(shù)值模擬選取的參數(shù)較合理，模擬過程切合實(shí)際，模擬結(jié)果較為可靠。

運(yùn)用Rockfall數(shù)值模擬，可有效掌握崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患的威脅范圍及運(yùn)動(dòng)軌跡，了解落石堆積停留區(qū)、各區(qū)域可能的運(yùn)動(dòng)方式及該處的能量變化，減少了崩塌勘查中復(fù)雜而大量的計(jì)算，為后期的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)服務(wù)。因此，在崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查中，其成果運(yùn)用主要有以下幾點(diǎn)：

(1)通過Rockfall數(shù)值模擬，可以掌握崩塌落石可能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離，為崩塌落石的威脅范圍的劃定提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過Rockfall數(shù)值模擬，可以了解落石的主要停留區(qū)，可結(jié)合實(shí)際及防治需要為崩塌落石的選擇最佳設(shè)防位置提供參考。

(3)運(yùn)用Rockfall數(shù)值模擬，可以分析出落石在各點(diǎn)最大彈跳高度、平移速度、旋轉(zhuǎn)速度、平移動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)動(dòng)能和總動(dòng)能等詳細(xì)數(shù)據(jù)，為崩塌落石防治措施的選取提供了較準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)。

4 結(jié)論與存在的問題

4.1 結(jié)論

(1)Rockfall數(shù)值模擬隨機(jī)性強(qiáng)，避免公式計(jì)算的單一性，可分析出崩塌落石的主要堆積停留區(qū)和最遠(yuǎn)崩落距離，對(duì)崩塌威脅范圍的劃定具有重要的指導(dǎo)意義，在零星高位崩塌、無崩塌歷史的崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查、調(diào)查具有重要的參考意義。

(2)運(yùn)用Rockfall數(shù)值模擬，可以獲得崩塌落石運(yùn)動(dòng)過程中的詳細(xì)特征數(shù)據(jù)，為崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治設(shè)防位置、設(shè)防措施的選取提供了較準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)，是精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和治理的有效保障，在高位零星崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查設(shè)計(jì)中具有重要的參考價(jià)值。

4.2 存在的問題

(1)Rockfall數(shù)值模擬針對(duì)的是零星或小規(guī)模崩塌災(zāi)害的落石模擬，大型崩塌地質(zhì)災(zāi)害體量大，運(yùn)動(dòng)特征復(fù)雜，崩落塊體間相互作用強(qiáng)烈，其運(yùn)動(dòng)特征需做進(jìn)一步的深入研究。

(2)Rockfall數(shù)值模擬過程中對(duì)剖面模型進(jìn)行了簡化，坡面參數(shù)取值根據(jù)調(diào)查測繪情況參考相關(guān)規(guī)范確定，在實(shí)際應(yīng)用中容易受調(diào)查測繪精度的影響。