Rockfall软件在崩塌危岩体落石风险分析中的运用

  Rockfall软件在崩塌危岩体落石风险中的运用  Summary 崩塌灾害是藏南山区较为发育的地质灾害类型，尤其是在山区河谷和公路旁，对公路和居民人身财产安全构成较大威胁。前期调查分析可预测危岩体落石的运动特征，为后期灾害治理提供参考。本文以西藏山南市错那县浪坡乡羊堆村南侧崩塌为例，通过前期现场调查研究，采用Rockfall软件进行数值模拟，计算危岩落石到达路面和居民点，且在到达路面时仍有较大动能和转动速度，会对路面和居民点造成严重撞击和破坏，对居民人身财产和道路通行安全构成较大威胁。建议对危岩体进行防护和加固治理，保障生命财产安全。Keys 崩塌危岩体Rockfall软件数值模拟防治0引言崩塌作为藏南山区常见的地质灾害，分布较广、形式复杂、危害性高，已成为地质灾害治理难题。近些年西藏南部地区在国家固边、稳边、强边政策的推动下，各项基础设施建设不断加快，尤其是固边定居点和施工和拓宽道路受地质灾害矛盾较为突出。在施工中原陡崖、河道附近的开挖使原有高陡坡在卸荷作用下应力失稳，重分布后形成边坡裂缝，若原有基岩节理裂隙发育，原有结构面与新裂缝贯通后，原岩失稳，形成具破坏征兆的岩块体，形成危岩。危岩在地震、人工爆破、施工震动、强降雨、冻胀等外力作用下脱离母岩，导致崩塌灾害发生。针对威胁人身财产安全的崩塌灾害，我们可以在防治施工前期对危岩做快速数值模拟分析，做出相应防范治理。实际工作中Rockfall数值模拟软件应用较为广泛，其主要功能有：高边坡落石的数值模拟、坡面恢复系数及摩擦系数的反演研究、危险范围预测及风险评价研究、危岩体解雇特征识别与运动规模模拟研究、危岩体崩塌运动特征及防护研究。此类研究均是以概率统计分析为基础，对陡坡上滚石随机下落过程进行大量的概率模拟和统计分析，能对认识崩塌落石的结构特征、物理力学、运动轨迹等特征及其对应的灾害防治起到指导意义和作用。本次以浪坡乡羊堆村南侧崩塌为实例，通过现场调查研究，对该区工程地质条件及危岩特征进行分析，运用Rockfall软件模拟危岩落石运动轨迹、落石终点水平位置，分析落石速度和能量大小，研究结果对接下来该灾害点的治理勘查工作起到指导意义。1灾害点工程地质条件灾害点位于西藏自治区山南市错那县浪波乡羊堆村的高原山区，属于高山峡谷地貌，地势总体北高南低。灾点海拔高程4107——4160m，相对高差53m。灾点位于河谷西侧，河谷为“V”型，现有县道和居民房屋位于崩塌灾点下方，道路施工中崩积区被开挖，现崩积物暂未见失稳迹象，当地政府已拟定进行防范治理。（近年灾点发生过两次崩落事件，道路民房都受到不同程度破坏。）该崩塌斜坡为陡崖地貌，局部较直立，斜坡类型为自然岩质斜坡。地层属上三叠统曲龙共巴组，岩性为灰色中—厚层状泥灰岩夹黄灰色薄—中层状粉砂质板岩，岩层整体相对完整，表层风化程度中风化-强风化，强风化灰色结晶灰岩节理裂隙发育极其发育，主要发育两组近垂直裂隙，裂隙发育深度和张开度较大，裂隙可见钙质胶结物，局部见黄色质充填其中。图1崩塌灾点图2灾点承灾体及破坏痕迹2危岩体特征灾点主要发育危岩体1处，发育高程主要在4143—4150m之间，长约7m，宽约21m。危岩岩性为泥晶灰岩，岩层产状265°∠21°，岩石节理裂隙发育。该危岩体受结构面控制主要向东侧崩落，主崩方向为85°。危岩体受构造作用节理裂隙发育，岩体破碎，裂隙发育，主要发育三组结构面：①L1:85°∠17°，长度约1—3m，间距约0.5—1.5m，最大张开宽度5cm，切割深度0.5—1.8m；②L2:160°∠36°，长度约1—2m，间距约1—1.5m；③L3:30°∠47°，长度约1—2m，间距约0.8—1.6m。岩层被切割成块径约30—150cm不等的块体；受这几组裂隙及坡面组合在强降雨及强地震作用下岩层易发生变形失稳，产生崩落，威胁下方道路和居民（图3）。图3浪坡乡羊堆村南侧崩塌剖面图3危岩体运动特征分析结合该崩塌灾害点剖面特点，本文釆用Rockfall软件以阶梯型坡作为研究对象在其他条件保持不变的条件下，通过改变不同参数的输入，模拟分析运动轨迹、落石终点位置及其运动速度等。同时，Rockfall软件有两种危岩体的模拟计算方式，随机模式和伪随机模式，为使分析结果更有规律性可寻，本文选取Rockfall软件的伪随机模式进行危岩体的数值计算。3.1Rockfall软件原理及模型构建Rockfall是一个二维分析软件，在构建模型前，需要进行现场勘查后，绘制计算剖面，并给定一个具有一定质量及初速度的点状或线状岩块，并根据实际情况赋予每一坡段的相关计算参数，岩块在计算剖面上经过一系列碰撞、滚动、滑动运动，最后当其实际运动速度小于拟定停止的最小速度后岩块即停止运动。分析过程大致如下：第一步，在软件中建立边坡模型（边坡的坡面线由若干段折线连接而成的）；第二步，定义边坡参数（包括坡体材料的法向恢复系数、切向恢复系数、摩擦角、粗糙度参数）；第三步，定义岩块参数（软件假设:1、落石的形状为质量分布均匀的球体；2、落石及坡面均为各向同性弹塑性体；3、不考虑崩塌落石之间的水平相互作用力；4、忽略空气的作用力；5、落石碰撞后不发生碎裂，形态保持完整），主要有：岩块的水平、垂直初速度及岩块的质量；最后进行计算并分析计算结果。在Rockfall软件模拟过程中，落石以滚动或滑动模式，其运动轨迹即为坡面形状，运动速度的变化主要受坡面摩擦作用控制。在弹跳运动模式下，其运动轨迹为各触地点间落石运动抛物线段的组合，其运动速度的大小和方向均受阻尼作用的影响。分别为计算出点处剖面的切向和法向阻尼系数，以此计算速度作为落石抛物线运动轨迹的初始速度，再计算出下一触地点前的瞬间速度大小和方向、触地点位置，并再次重复前一计算过程，如此不断进行，直到运动模式改变、运动停止。本文模型是经过对现场实测后，用AutoCAD软件按1:1000的比例绘制出剖面地形线，将剖面线DXF格式导入Rockfall软件，再对剖面线不同段落（该斜坡分为4段）进行参数赋值。根据现场勘查数据，在软件窗口中输入各坡段的物理力学参数，为落石模拟轨迹计算做准备。3.2落石运动参数确定对于落石的运动路径运用Rockfall软件进行模拟，需考虑落石的体积和密度、坡面形态、坡面滑动和滚动摩擦系数等，同时需要考虑法向阻尼系数和切向阻尼系数。根据经验，在一般情况下，崩塌剖面为多级坡，其边坡体中的运动情况，需要分解为多个单一直线坡，分布通过改变不同坡段的坡高、坡度、法向阻尼系数和切向阻尼系数及滚动摩擦系数，来研究整个危岩运动的水平距离、弹跳高度及能量的变化趋势。根据现场勘查结果和文献资料推荐值，斜坡陡峭段（危岩体）：R=0.35,R=0.85；下方少量植被覆盖的平缓区：R=0.32,R=0.83。危岩体摩擦角和粗糙度分别取17°和5°。岩石密度取2700g/cm3。分别对危岩的启动高程4147m进行落石的运动路径模拟和数值分析。图4危岩体落石运动轨迹图图5危岩体落石终点水平位置图3.3危岩体落石运动特征分析为方便后期分析研究，将地形线高位起点和路起点交线定为坐标原点，水平距离约49.3m处为县道，56.8m处为居民地。危岩落石运动轨迹和落石终点水平位置（图5）表明，落石最终落于水平距离57.4—65.3m范围内，落石数量为1-20个不等（模拟计算50个）。最大概率的崩落岩块落于居民房处。图6危岩体落石总动能图图7危岩体落石剖面弹跳高度图由危岩体总动能、坡面弹跳高度解析图（图6、图7）中可以看出，落石在水平距离为52m接近道路中部处总动能达到最大，这是因为在路面位置形成一个平台后，危岩体发生崩塌后落石在路面中间处发生强烈碰撞弹跳，在碰撞前总动能达到最大值，为120kJ。碰撞时能量发生较大损耗后，运动速度和动能开始急剧降低，而弹跳高度开始变大，当在水平距离为52.3m处时，总动能减至45.8kJ，弹跳高度达到最大值3.85m。这是由于落石与斜坡发生碰撞后落石弹起，其动能转化为重力势能，动能降低，达到最高点时落石由上升运动转为下降运动，速度明显下降。在水平距离约为64.5m时，落石弹跳高度为0，落石弹跳高度为0，总动能为20kJ。此时落石在路面上做滑动，在约65.6m处总动能、转动速度、角速度均减小至0，落石运动到最远距离停止。4危岩体防治建议数值分析结果表明，危岩体发生崩塌破坏后，均有大部分落石到达路面和居民房屋，且在到达时仍有较大动能和速度，会对路面和居民房屋造成严重撞击和破坏，威胁和影响行车安全的同时，对居民地人身财产安全构成较大威胁。因此建议在水平距离31、42m之前位置设置防护，以阻拦落石或对坡体进行加固。还可在危岩体下方种植树木，对滚石起到一定的阻拦作用，此外在附件工程施工中减少爆破作业，避免因人为震动诱发危岩体失稳崩塌。Reference[1]平措尼玛，刘朋山，米久多吉，欧珠平措等.《西藏自治区山南市错那县地质灾害风险调查评价成果报告》，2022.[2]唐红梅，易朋莹.危岩落石运动路径研究[J].重庆建筑大学学报，2003（1）：17-23.[3]陈跃.西藏玉龙铜矿崩塌落石运动特征及数值模拟研究[J].地质灾害与环境保护，2015,16（2）；105-108.[4]何宇航，裴向军，梁靖等.基于Rockfall的危岩体范围预测及风险评价—以九寨沟景区悬沟危岩体为例[J].中国地质灾害与防治学报，2020,31（4）：24-33.[5]谢金，杨根兰，覃乙根等.基于无人机与Rockfall的危岩体结构特征识别与运动规律模拟[J].河南理工大学学报（自然科学版），2021,40（1）：55-64.[6]韩明超，赵菲.浅谈基于Rockfall模拟的公路边坡危岩体崩塌运动特征及防护[J].粉煤灰综合利用，2020,34（6）：17-20.1 -全文完-