云臺(tái)山景區(qū)公路邊坡危巖體穩(wěn)定性計(jì)算及落石運(yùn)動(dòng)軌跡研究

郭龍龍+耿國(guó)建+叢穎

摘要：介紹云臺(tái)山景區(qū)內(nèi)公路邊坡危巖體的穩(wěn)定性計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)用Rock Fall軟件模擬計(jì)算危巖體失穩(wěn)后落石的運(yùn)動(dòng)軌跡，為危巖體的防治提供科學(xué)依據(jù)。以編號(hào)為T(mén)W23的危巖體為例，采用靜力計(jì)算的方法分析計(jì)算其在不同工況下的穩(wěn)定系數(shù)，采用數(shù)值模擬軟件研究危巖體失穩(wěn)形成落石后的運(yùn)動(dòng)距離、速度、彈跳高度、沖量等運(yùn)動(dòng)特征，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，選取合適的防治措施，將危巖體失穩(wěn)后可能造成的損害降到最低，同時(shí)為景區(qū)內(nèi)其他部位危巖體的治理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：云臺(tái)山；危巖體；落石；穩(wěn)定性；運(yùn)動(dòng)軌跡

引言

危巖體是指發(fā)育在邊坡斜體上的隨時(shí)可能在各種因素作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞的巖體，具有突發(fā)性、速度快、沖擊力大的特點(diǎn)，是山區(qū)常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害。

云臺(tái)山景區(qū)位于河南省焦作市境內(nèi)，西北方向與山西省晉城市接壤，是我國(guó)首批5A級(jí)世界地質(zhì)公園之一。近年來(lái)景區(qū)內(nèi)公路上發(fā)育的危巖體給景區(qū)的正常運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選取編號(hào)為JW23危巖體為研究對(duì)象，計(jì)算其穩(wěn)定性并研究失穩(wěn)后所形成的落石運(yùn)動(dòng)軌跡，最終為危巖體的防治提供建議。JW23位于前往疊彩洞景點(diǎn)的盤(pán)山公路邊坡的頂部，大體呈柱狀，長(zhǎng)2.1m，高4.6m，寬1.5m，體積14.49m3，質(zhì)量38.7t，傾角65°，巖性為灰?guī)r，危巖后部被裂隙切割，基本貫穿整個(gè)危巖體，坡面角度30°，植被生長(zhǎng)較茂盛。根據(jù)重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB50/5029-2004）對(duì)該危巖體進(jìn)行分類，屬于滑移型危巖體。

1.穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)陳洪凱等（2011）在《地質(zhì)災(zāi)害理論與控制》一書(shū)中有關(guān)危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，可依據(jù)危巖體穩(wěn)定性系數(shù)將危巖體穩(wěn)定性分為：不穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的具體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

2.穩(wěn)定性計(jì)算

2.1基本假設(shè)

根據(jù)前人的研究成果，滑移式危巖體穩(wěn)定性計(jì)算依據(jù)以下假設(shè)條件：危巖體變形發(fā)展過(guò)程中，尤其是在其破壞失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)以前，將危巖體視為剛體；把復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)問(wèn)題簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題；危巖體與穩(wěn)定坡體之間無(wú)摩擦力。

2.2計(jì)算模型

滑移式危巖主要在自重力作用下沿著滑動(dòng)面滑落，計(jì)算模型見(jiàn)圖1，考慮三種工況，取穩(wěn)定性系數(shù)最小者，不考慮基座抗拉強(qiáng)度。

在主控結(jié)構(gòu)面上將重力和地震力進(jìn)行分解，具體分解結(jié)果如下：

2.3計(jì)算成果

根據(jù)危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1，得出JW23危巖體的穩(wěn)定性計(jì)算成果，見(jiàn)表2。

3.Rock Fall軟件數(shù)值計(jì)算

3.1軟件介紹

Rock Fall軟件是一款分析陡峭邊坡落石風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)分析軟件，以概率分析為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮坡面材料因素對(duì)落石運(yùn)動(dòng)路徑的影響，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)分析整個(gè)邊坡的落石動(dòng)能、速度和彈跳高度包絡(luò)線，以及落石滾動(dòng)終點(diǎn)的位置，模擬結(jié)果采用柱狀圖顯示，并自動(dòng)計(jì)算其統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。

3.2主要計(jì)算參數(shù)

通過(guò)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)條件，JW23危巖體所在的坡面主要覆蓋層是灰?guī)r和坡積土層，綜合分析后確定本區(qū)域落石所對(duì)應(yīng)的碰撞恢復(fù)系數(shù)值，見(jiàn)表3。

3.3計(jì)算分析

（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖

選取JW23危巖體所在的剖面為危巖體失穩(wěn)后落石的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算剖面，畫(huà)出其地質(zhì)剖面圖及對(duì)應(yīng)的計(jì)算簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖2、圖3。

（2）落石運(yùn)動(dòng)路徑數(shù)值分析

根據(jù)前文選取的危巖體計(jì)算參數(shù)及計(jì)算簡(jiǎn)圖，利用Rock Fall軟件模擬計(jì)算JW23危巖體失穩(wěn)后形成落石的運(yùn)動(dòng)特征數(shù)值，主要涉及運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度、沖擊動(dòng)能及落石運(yùn)動(dòng)終止位置等關(guān)鍵信息，據(jù)此對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行綜合分析。

落石形成后其初始速度通常都很小，一般視為零，在BC段斜坡做滑移運(yùn)動(dòng)，CD段以初始速度為零做自由落體運(yùn)動(dòng)，DE段為雜草灌木覆蓋的地段，落石在此段斜坡上速度、沖擊動(dòng)能折減較大，主要做滾動(dòng)、滑移運(yùn)動(dòng)，到達(dá)E點(diǎn)后由于坡度驟然變陡，坡面摩擦減少，落石做拋射運(yùn)動(dòng)，至FH段發(fā)生碰撞運(yùn)動(dòng)后沖擊動(dòng)能、速度減少直至停止運(yùn)動(dòng)。見(jiàn)圖4。

根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)軌跡圖知，落石墜落后其最終的落點(diǎn)位于去往疊彩洞景點(diǎn)的公路上，嚴(yán)重威脅公路上車輛及行人的安全。JW23危巖體一旦失穩(wěn)，后果非常嚴(yán)重，急需優(yōu)先處理。由落石運(yùn)動(dòng)速度、彈跳高度及沖擊動(dòng)能包絡(luò)圖知，落石分別在到達(dá)X=-342.81、-343.49、-344.17處時(shí)，其對(duì)應(yīng)的速度、彈跳高度、沖擊動(dòng)能達(dá)到最大值，分別為9.58m/s、3.18m、24.1×10²J，且運(yùn)動(dòng)速度、沖擊動(dòng)能、彈跳高度的圖形基本相似，且增減趨勢(shì)相似。獲取的不同運(yùn)動(dòng)數(shù)值反映了相同的運(yùn)動(dòng)特征，通過(guò)獲取的落石崩落范圍、最終停止位置、彈跳高度、距離危巖體坡腳的最遠(yuǎn)距離等，確定防護(hù)設(shè)施的修建位置及高度，較好、較快的為危巖體的防治工作提供依據(jù)。根據(jù)以上分析，JW23危巖體可采取在DE斜坡段修建攔截結(jié)構(gòu)物（如，攔石壩、SNS柔性防護(hù)等），或?qū)ξr體進(jìn)行錨固、灌漿封閉滑落面的方式進(jìn)行治理。見(jiàn)圖5～7。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)云臺(tái)山景區(qū)道路上的典型危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算及其失穩(wěn)后落石運(yùn)動(dòng)軌跡的研究，為該地區(qū)危巖體防治工作提供理論指導(dǎo)，特別是Rock Fall軟件的應(yīng)用為該地區(qū)危巖體防治工作提供了一種新的方便快捷的研究危巖體失穩(wěn)后落石運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，具有重要的參考價(jià)值，并值得在類似地區(qū)推廣應(yīng)用。endprint