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

（湖北省地質局第五地質大隊，湖北 鄂州 436000）

1 引言

川東巴中地區地層巖性主要以泥巖、砂巖為主，經差異風化作用易產生危巖。本文以川東紅層地區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，使治理工程更加經濟合理。

2 工程地質條件

該危巖位于巴中恩陽區南部低山區，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殘坡積層Q4el+dl含碎石粉質黏土，白堊系下統蒼溪組（K1c）砂巖和泥巖：

1）第四系全新統殘坡積層（Q4el+dl）

含碎石粉質黏土：研究區內廣泛分布，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）白堊系下統蒼溪組（K1c）

在工作區村道后側坡體廣泛出露，巖性為砂泥巖互層，基巖產狀356°∠2°。

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

2）泥巖：磚紅色，泥質結構，層狀構造。多發育網狀裂隙，泥巖中砂質含量較高，裂隙發育規模、張開度、貫通性較好，表層經風化剝落向內凹陷。

3 危巖體特征

該危巖區發育于房后陡坡上，共發育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，巖性為白堊系下統蒼溪組砂巖，巖層產狀為356°∠2°，為緩傾逆向坡，所處陡坡巖體風化卸荷發育。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，同時根據現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。

4.3.2 危巖體參數

危巖體W1 位于危巖區左側中上部，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°，坡體形態主要體現為上緩下陡，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。

根據以上信息，確定危巖W1 的參數見表1。

表1 落石運動參數取值

將以上危巖信息輸入軟件，根據地形線繪制剖面，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

根據擬設定條件設置危巖體參數后，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，由分析數據可知，A 點處預測最大彈跳高度為1.633 m，出現概率為10%，最低高度0.879 m，出現概率為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

經過對模擬結果的數據分析，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性威脅。

3）防護工程可設置在坡面B 點處，防護高度可根據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、主動網及其他治理措施，如需設計被動網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，多依靠現場勘察所得數據與技術人員自身經驗判斷，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生治理效果不佳或過于保守的情況發生。

6 結語

本次運用軟件將川東地區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、動能等數據，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化可提供更加合理準確的數據支持，使設計更加合理精細化，達到動態設計的目的。