川東紅層典型崩塌落石運動軌跡分析與影響范圍研究

尹建林，閆俊，王加航

（湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，湖北 鄂州 436000）

1 引言

川東巴中地區(qū)地層巖性主要以泥巖、砂巖為主，經(jīng)差異風化作用易產(chǎn)生危巖。本文以川東紅層地區(qū)某典型危巖為研究對象，采用RocFall 軟件對危巖運動軌跡和影響范圍進行分析，更合理地確定治理方案及設計參數(shù)，使治理工程更加經(jīng)濟合理。

2 工程地質(zhì)條件

該危巖位于巴中恩陽區(qū)南部低山區(qū)，屬中低山構造剝蝕地貌類型。危巖所在坡體地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層Q4el+dl含碎石粉質(zhì)黏土，白堊系下統(tǒng)蒼溪組（K1c）砂巖和泥巖：

1）第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）

含碎石粉質(zhì)黏土：研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，呈紅褐色，稍濕～濕，可塑～硬塑狀，成分主要為粉砂巖、砂巖，粒徑一般為2～10 cm，厚度一般為0.3～1.5 m。

2）白堊系下統(tǒng)蒼溪組（K1c）

在工作區(qū)村道后側坡體廣泛出露，巖性為砂泥巖互層，基巖產(chǎn)狀356°∠2°。

1）砂巖：陡崖區(qū)為厚層-塊狀，棕紅色，中粒砂狀結構，層狀構造，層厚6～12 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙寬度大且貫通性好。

2）泥巖：磚紅色，泥質(zhì)結構，層狀構造。多發(fā)育網(wǎng)狀裂隙，泥巖中砂質(zhì)含量較高，裂隙發(fā)育規(guī)模、張開度、貫通性較好，表層經(jīng)風化剝落向內(nèi)凹陷。

3 危巖體特征

該危巖區(qū)發(fā)育于房后陡坡上，共發(fā)育4 個危巖單體，其中，危巖W1 長4.8 m，寬3.5 m，厚2.0 m，方量約33.6 m3；危巖W2 長4.0 m，寬3.5 m，厚2.0 m，方量約28.0 m3；危巖W3 長3.5 m，寬3.0 m，厚2.0 m，方量約21.0 m3；危巖W4 長4.0 m，寬3.0 m，厚2.0 m，方量約24.0 m3；分布高程為52～345 m，巖性為白堊系下統(tǒng)蒼溪組砂巖，巖層產(chǎn)狀為356°∠2°，為緩傾逆向坡，所處陡坡巖體風化卸荷發(fā)育。危巖主要威脅對象為坡體下部村民房屋與村道。危巖體位置情況詳見圖1。

圖1 危巖全貌照片

4 危巖體運動特征模擬分析

4.1 RocFall 軟件簡介

Roc Fall 軟件是一款用于評價邊坡落石風險的統(tǒng)計分析軟件[1，2]。它可分析出整個邊坡落石的動能、速度和彈跳高度包絡線，以及落石滾動終點的位置，也可獲得沿坡面線的動能、速度和彈跳高度分布，可預測巖石軌跡[3，4]。

4.2 模型建立

模型建立需繪制典型剖面，標注坡面上的障礙物，如植被，同時根據(jù)現(xiàn)場情況對剖面線進行確認，輸入危巖體巖性、位置與尺寸大小，模型的建立需對現(xiàn)場主要條件進行提取，同時對部分條件做出簡化和假設。

本文選取危巖W1 建立模型，通過現(xiàn)場實測該危巖的剖面，明確危巖的剖面位置，在AutoCAD 中繪制危巖剖面，保存為.dxf 文件，然后在RocFall 軟件中導入文件，進行模型建立。

4.3 落石運動軌跡分析

4.3.1 剖面選取

本次選取了危巖W1 所在剖面進行落石運動軌跡分析，充分考慮和還原坡面真實形態(tài)。

4.3.2 危巖體參數(shù)

危巖體W1 位于危巖區(qū)左側中上部，兩側以結構相對完整的基巖為界，前側以下側的臨空面為邊界，危巖W1 長4.8 m，寬3.5 m，厚2.0 m，方量約33.6 m3，該危巖體下部形成了深約0.5m 的凹腔。

該危巖距離下方居民房屋水平距離40 m，坡體下部平均坡度25°，坡體形態(tài)主要體現(xiàn)為上緩下陡，坡體上部土體主要為較堅硬巖體，下部為土體與植被覆蓋層。

根據(jù)以上信息，確定危巖W1 的參數(shù)見表1。

表1 落石運動參數(shù)取值

將以上危巖信息輸入軟件，根據(jù)地形線繪制剖面，并定義剖面位置處各點特性后，選擇危巖體位置。由于危巖體為墜落式，因此，危巖體水平、豎直初速度設置為0 m/s，巖石質(zhì)量為88 704 kg，角速度為2 rad/s。

4.3.3 軟件模擬結果分析

根據(jù)擬設定條件設置危巖體參數(shù)后，模擬20 次各類條件下危石的墜落運動，得到20 次模擬運動軌跡，如圖2 所示。

圖2 危巖W1 運動軌跡分析成果

由圖2 分析得到，落石在A 點出現(xiàn)最大彈跳高度，然后沿坡面向下滾動，危巖最終在坡體下部房屋后側停止運動，距離起始位置水平距離33 m。

A 點處落石彈跳高度最大，由分析數(shù)據(jù)可知，A 點處預測最大彈跳高度為1.633 m，出現(xiàn)概率為10%，最低高度0.879 m，出現(xiàn)概率為5%，危巖彈跳高度為1.382 m 為最大概率情況，此時的發(fā)生概率為30%，故A 點平均彈跳高度為1.382 m，模擬結果如圖3 所示。

圖3 危巖在A 點處彈跳高度分析柱狀圖

B 點處為受崩塌威脅房屋后側，B 點處落石水平速度分布如圖4 所示。危巖最大運動速度為10.74 m/s，模擬中有15%的落石達到該速度，最低速度為6.886 m/s，模擬結果中有5%的落石達到該速度，則該危巖體運動的平均速度為9.9.9m/s。

圖4 危巖在B 點處水平速度分布圖

經(jīng)過對模擬結果的數(shù)據(jù)分析，所有落石在墜落后均運動至B 點位置，并仍具有較大速度，說明了B 點危險性較高。

同時，對B 點處落石的動能進行分析，通過計算得出危巖最大動能為3 545.4 kJ，最小動能為1 545.42 kJ，平均動能為2 454.49 kJ，仍具備較大的沖擊力。

5 總結及展望

本次運用RocFall 軟件將川東地區(qū)典型危巖體崩塌的運動的軌跡進行可視化模擬，得出以下結論：

1）危巖體在A 點發(fā)生彈跳后，在坡體上的運動形式主要以沿坡面滾動為主。

2）危巖體在房屋后側B 點位置處仍具有最高10.74 m/s的速度、最大3 545.4 kJ 的動能，對坡底部房屋結構和人員造成實質(zhì)性威脅。

3）防護工程可設置在坡面B 點處，防護高度可根據(jù)該處的最大彈跳高度及動能確定，具體治理手段可包括清危、主動網(wǎng)及其他治理措施，如需設計被動網(wǎng)其高度也不宜設置過高，避免造成浪費。

4）由于崩塌治理工程在判定危巖影響范圍時，多依靠現(xiàn)場勘察所得數(shù)據(jù)與技術人員自身經(jīng)驗判斷，與實際情況會有一定偏差，且考慮的因素較為單一，按常用方法流程進行判斷可能會存在對危巖運動距離、影響范圍判斷不夠準確，造成治理設計方案時發(fā)生治理效果不佳或過于保守的情況發(fā)生。

6 結語

本次運用軟件將川東地區(qū)典型危巖體崩塌的運動軌跡進行可視化模擬，采用RockFall 軟件對危巖體進行運動模擬，可直接得到危巖運動路徑與路徑上任意一點的速度、角速度、動能等數(shù)據(jù)，這對于在勘察階段判斷崩塌影響范圍，在可行性研究階段和初設階段論證方案選擇、方案可行性具有參考價值；該軟件對于施工圖設計優(yōu)化可提供更加合理準確的數(shù)據(jù)支持，使設計更加合理精細化，達到動態(tài)設計的目的。