基于Rockyfor3D的滾石模擬

鐘焰梨,向喜瓊

(貴州大學 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災害重點實驗室，貴陽 花溪 550025)

1 概 述

滾石在運動過程中，具有速度快、沖擊力大以及很高的不確定性等特點，所產(chǎn)生的影響也是不可估量的。因此，對滾石的運動軌跡模擬是必要的，以此作為確定崩塌危險影響范圍的一個方法，以減輕所帶來的危害。目前，大多數(shù)研究是在二維的基礎(chǔ)上進行分析的。二維上的分析對滾石橫向范圍影響無法表達，所以進行三維上的模擬是很有必要的。當前，對滾石進行三維上的模擬分析甚少，三維滾石模擬能夠更真實地模擬滾石的運動，因此進行三維滾石模擬具有十分重要的意義。

對滾石運動軌跡的研究方法有3種，分別是現(xiàn)場試驗、模型試驗、數(shù)值模擬，這3種方法都各有優(yōu)缺點[1]。其中，現(xiàn)場試驗的實驗結(jié)果準確度、可信度比較高、針對性強，但投入的勞動力比較大，消費比較高，過程時間也比較長。模型試驗的針對性比較強，結(jié)果也比較直觀，但精確度受人為影響很大，實驗時間長。數(shù)值模擬是在總結(jié)前兩種方法經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)驗公式，選取合理參數(shù)進行計算分析，總體來說這種模擬方法花費較低，模擬消耗的時間短，越來越被重視。國外學者Descoudres and Zimmermann等[2]研究了滾石在邊坡上的三維模擬；Guzzetti F, Crosta G等[3]開發(fā)出了一個滾石三維模擬程序STONE；R.I. Leine等[4]考慮滾石形狀對滾石運動軌跡進行三維上的模擬；H. Masuya等[5]考慮植被和保護措施對滾石進行三維上的模擬；N. Hataf等[6]考慮滾石間的相互碰撞對滾石進行三維上的模擬。國內(nèi)學者亞南等[7]首次引用國外二維Rockyfor3D軟件模擬崩塌落石在斜坡上的運動軌跡；李小強等[8]通過現(xiàn)場觀測和試驗相結(jié)合，實測出滾石在地面上的滾動距離。總體上，國內(nèi)在滾石模擬三維上的運用較少，大多數(shù)的模擬基于二維。本文以某崩塌點為例，引用國外三維滾石模擬軟件Rockyfor3D模擬滾石的運動軌跡，分析滾石運動特征，同時可以此為基礎(chǔ)，將該方法推廣運用于滾石的危險影響范圍預測，為滾石災害防治提供一定的參考。

2 Rockyfor3D程序介紹

2.1 程序簡介

Rockyfor3D[9]從1998年以來至今,程序代碼是用C語言編寫。Rockyfor3D模擬落石軌跡的三維矢量數(shù)據(jù)可分析自由落體、拋物線運動、斜坡表面反彈這3個過程,程序流程圖見圖1。

圖1 程序流程圖

2.2 數(shù)據(jù)準備

程序所需數(shù)據(jù)由一組ASCII柵格以及一套參數(shù)組成，以定義斜坡地表特性與滾石源特征。數(shù)據(jù)的準備需結(jié)合ArcGIS來生成。數(shù)據(jù)組成包括DEM、滾石密度、滾石大小(長、寬、高3個ASCII柵格數(shù)據(jù)組成)、滾石形狀、地表屬性(由3個ASCII柵格組成)、斜坡土壤類型等10個數(shù)據(jù)；DEM是通過ArcGIS單獨生成，其余9個值是在ArcGIS屬性值中賦予相應(yīng)的參數(shù)值。

DEM可以由等高線、高程點生成，或者以其他方式得到，它的取值范圍是在0～8 850 m或者空值；滾石密度的取值范圍是零或者2 000～3 000 kg·m-3，當這個值為零時，該區(qū)域不作為滾石源；滾石的形狀由長、寬、高組成，它的取值范圍是0～20 m，當值取零時，該區(qū)域?qū)⒉槐豢闯蓾L石源；地表的粗糙程度由3個值組成，取值范圍在0～100(表1)，程序?qū)υ撝档娜≈得舾行暂^高，也決定了運算過程中切向摩察系數(shù)的大小；土壤類型取值范圍是0～7，每一種取值代表不同的類型(表2)，取值的大小決定了法向系數(shù)的取值。

模擬過程中，參數(shù)的設(shè)置是通過shapefile面文件進行參數(shù)輸入。在這個面文件中，參數(shù)的輸入有滾石密度、滾石大小、地表粗糙度、地表土壤類型。DEM與shapefile面文件，將通過PimpMyRockyfor程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成Rockyfor3D運行所需要的ASCII數(shù)據(jù)。

表1 地表粗糙程度的參數(shù)取值

表2 土壤類型取值

3 實例運用

3.1 地質(zhì)概況

崩塌區(qū)[10]屬剝蝕中山臺地地貌，海拔1 000～1 125 m，受洋水背斜及NNE向平移斷層的影響，地形切割強烈，起伏較大，地形坡度為15°～45°。崩塌下方緩坡地帶經(jīng)過一條簡易公路。斜坡上部為燈影組(Zbdn)巨厚層狀白云巖，產(chǎn)狀115°∠45°，層間結(jié)合緊密。發(fā)育兩組節(jié)理：J1：225°∠80°，J2：350°∠68°；向下依次為陡山沱組(Zbd)磷礦層及石英砂巖、南沱組(Zann)頁巖和板溪群清水江組(Ptbnq)粉砂質(zhì)頁巖。危巖壁受兩組結(jié)構(gòu)面的切割影響，裂縫縱橫，呈鋸齒狀延伸。受洋水背斜和NNE走向斷裂的影響，區(qū)內(nèi)陡崖呈帶狀分布。崩塌發(fā)生部位是燈影組白云巖構(gòu)成的陡崖。地下水的分布特征受地層巖性和構(gòu)造活動的控制，區(qū)內(nèi)地下水類型豐富，按含水性質(zhì)分為松散堆積層孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水。該區(qū)地震活動性相對較弱，歷史地震記錄中未發(fā)生過Ms>4.0級地震，也無發(fā)生中強震的地質(zhì)構(gòu)造背景。

3.2 滾石模擬

3.2.1 建立DEM地表模型及地表分區(qū)

生成DEM的方法有很多種，本文運用地形數(shù)據(jù)等高線，通過ArcGIS軟件創(chuàng)建TIN，再由TIN轉(zhuǎn)柵格生成DEM，見圖2。結(jié)合現(xiàn)場地表類型將斜坡地表分為7個區(qū)，見圖3。

3.2.2 模擬結(jié)果

由于該區(qū)域崩塌是向山脊兩邊運動，本文對模擬結(jié)果只針對邊坡的一側(cè)進行分析。滾石的模擬軌跡見圖4，其中選取標注的剖面1、剖面2進行模擬結(jié)果分析，通過操作，獲得相關(guān)剖面的模擬結(jié)果圖，見圖5、圖6。

圖2 DEM

圖3 地表分區(qū)圖

圖4 崩塌模擬軌跡

圖5 剖面1模擬結(jié)果

圖6 剖面2模擬結(jié)果

3.2.3 結(jié)果分析

該模擬結(jié)果是一個靜態(tài)的三維模擬結(jié)果，可根據(jù)模擬軌跡確定崩塌橫向與縱向的危險影響范圍，模擬結(jié)果與現(xiàn)場的滾石距離大約相近。通過對剖面1與剖面2分析，在剖面1中，滾石大多數(shù)處于滾動狀態(tài)，在距滾石源大約95 m的時候滾石運動停止，中間彈跳過一次，大約在滾石源40 m處；在剖面2中，滾石有多次彈跳，有發(fā)生在10 m范圍附近和20 m范圍附近的彈跳，滾石在大約離滾石源190 m附近停止。對于能量的分布，根據(jù)能量的分布可以得到剖面上經(jīng)過滾石的數(shù)量多少。在剖面1上經(jīng)過的落石比較多，在剖面2上落石較少。綜合分析，該模擬結(jié)果與現(xiàn)場的崩塌落石軌跡相近。