云臺山景區公路邊坡危巖體穩定性計算及落石運動軌跡研究

郭龍龍+耿國建+叢穎

摘要：介紹云臺山景區內公路邊坡危巖體的穩定性計算，并根據計算結果應用Rock Fall軟件模擬計算危巖體失穩后落石的運動軌跡，為危巖體的防治提供科學依據。以編號為TW23的危巖體為例，采用靜力計算的方法分析計算其在不同工況下的穩定系數，采用數值模擬軟件研究危巖體失穩形成落石后的運動距離、速度、彈跳高度、沖量等運動特征，根據數值模擬結果，選取合適的防治措施，將危巖體失穩后可能造成的損害降到最低，同時為景區內其他部位危巖體的治理提供依據。

關鍵詞：云臺山；危巖體；落石；穩定性；運動軌跡

引言

危巖體是指發育在邊坡斜體上的隨時可能在各種因素作用下發生失穩破壞的巖體，具有突發性、速度快、沖擊力大的特點，是山區常見的一種地質災害。

云臺山景區位于河南省焦作市境內，西北方向與山西省晉城市接壤，是我國首批5A級世界地質公園之一。近年來景區內公路上發育的危巖體給景區的正常運行帶來了安全隱患，通過現場調查，選取編號為JW23危巖體為研究對象，計算其穩定性并研究失穩后所形成的落石運動軌跡，最終為危巖體的防治提供建議。JW23位于前往疊彩洞景點的盤山公路邊坡的頂部，大體呈柱狀，長2.1m，高4.6m，寬1.5m，體積14.49m3，質量38.7t，傾角65°，巖性為灰巖，危巖后部被裂隙切割，基本貫穿整個危巖體，坡面角度30°，植被生長較茂盛。根據重慶市地方標準《地質災害防治工程設計規范》（DB50/5029-2004）對該危巖體進行分類，屬于滑移型危巖體。

1.穩定性評價標準

根據陳洪凱等（2011）在《地質災害理論與控制》一書中有關危巖體穩定性評價標準內容，可依據危巖體穩定性系數將危巖體穩定性分為：不穩定、基本穩定、穩定，對應的具體穩定性評價標準見表1。

2.穩定性計算

2.1基本假設

根據前人的研究成果，滑移式危巖體穩定性計算依據以下假設條件：危巖體變形發展過程中，尤其是在其破壞失穩運動以前，將危巖體視為剛體；把復雜的空間運動問題簡化成平面問題；危巖體與穩定坡體之間無摩擦力。

2.2計算模型

滑移式危巖主要在自重力作用下沿著滑動面滑落，計算模型見圖1，考慮三種工況，取穩定性系數最小者，不考慮基座抗拉強度。

在主控結構面上將重力和地震力進行分解，具體分解結果如下：

2.3計算成果

根據危巖體穩定性評價標準，見表1，得出JW23危巖體的穩定性計算成果，見表2。

3.Rock Fall軟件數值計算

3.1軟件介紹

Rock Fall軟件是一款分析陡峭邊坡落石風險的統計分析軟件，以概率分析為基礎，同時考慮坡面材料因素對落石運動路徑的影響，借助計算機技術分析整個邊坡的落石動能、速度和彈跳高度包絡線，以及落石滾動終點的位置，模擬結果采用柱狀圖顯示，并自動計算其統計學規律。

3.2主要計算參數

通過調查現場的工程地質條件，JW23危巖體所在的坡面主要覆蓋層是灰巖和坡積土層，綜合分析后確定本區域落石所對應的碰撞恢復系數值，見表3。

3.3計算分析

（1）計算簡圖

選取JW23危巖體所在的剖面為危巖體失穩后落石的運動軌跡計算剖面，畫出其地質剖面圖及對應的計算簡圖，見圖2、圖3。

（2）落石運動路徑數值分析

根據前文選取的危巖體計算參數及計算簡圖，利用Rock Fall軟件模擬計算JW23危巖體失穩后形成落石的運動特征數值，主要涉及運動軌跡、彈跳高度、沖擊動能及落石運動終止位置等關鍵信息，據此對落石的運動路徑進行綜合分析。

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

根據落石運動軌跡圖知，落石墜落后其最終的落點位于去往疊彩洞景點的公路上，嚴重威脅公路上車輛及行人的安全。JW23危巖體一旦失穩，后果非常嚴重，急需優先處理。由落石運動速度、彈跳高度及沖擊動能包絡圖知，落石分別在到達X=-342.81、-343.49、-344.17處時，其對應的速度、彈跳高度、沖擊動能達到最大值，分別為9.58m/s、3.18m、24.1×10²J，且運動速度、沖擊動能、彈跳高度的圖形基本相似，且增減趨勢相似。獲取的不同運動數值反映了相同的運動特征，通過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距離等，確定防護設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。根據以上分析，JW23危巖體可采取在DE斜坡段修建攔截結構物（如，攔石壩、SNS柔性防護等），或對危巖體進行錨固、灌漿封閉滑落面的方式進行治理。見圖5～7。

4.結語

通過對云臺山景區道路上的典型危巖體進行穩定性計算及其失穩后落石運動軌跡的研究，為該地區危巖體防治工作提供理論指導，特別是Rock Fall軟件的應用為該地區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后落石運動軌跡的方法，具有重要的參考價值，并值得在類似地區推廣應用。endprint