納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體崩塌影響范圍預(yù)測

焦 為，楊根蘭，李一菲，黃祖英，蔣文杰，王中美

(1．貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000； 2.貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽 550000)

納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體崩塌影響范圍預(yù)測

焦 為1，楊根蘭1，李一菲2，黃祖英2，蔣文杰1，王中美1

(1．貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000； 2.貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽 550000)

危巖體；崩塌；Rockfall軟件；理論計(jì)算；影響范圍；預(yù)測；納雍縣

采用理論計(jì)算與Rockfall軟件模擬相結(jié)合的方法，預(yù)測了貴州省納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體崩塌后的最大影響范圍和最可能影響范圍。分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)最大影響范圍和最可能影響范圍在地形較陡的溝谷附近差別較大，而在地形較緩處差別較小。對于危巖所威脅的3個(gè)自然村組，由于其位于危巖崩塌失穩(wěn)后的不同影響范圍，因此提出大屯上組搬遷、偏坡寨組設(shè)置攔石網(wǎng)防護(hù)，河頭上組不需進(jìn)行任何防護(hù)處理的建議。

崩塌是位于陡崖、陡坎、陡坡上的土體、巖體，以及它們的碎屑物質(zhì)在重力作用下失穩(wěn)而突然脫離母體發(fā)生崩落、滾動(dòng)、傾倒、翻轉(zhuǎn)堆積在山體坡腳和溝谷的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。崩塌的最主要特征是發(fā)生突然、下落速度快，有時(shí)即便是較小體積的崩塌，也可能造成生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失[2]。對于山區(qū)崩塌災(zāi)害，除采取加固、清除、攔截危巖和被動(dòng)遮擋建筑物等治理措施外，主動(dòng)搬遷避讓也是常見的處理措施之一。但要離危巖坡腳多遠(yuǎn)才是安全的，或在多大范圍內(nèi)劃定人類活動(dòng)禁忌區(qū)，就需要科學(xué)預(yù)測危巖可能的影響范圍。納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體位于納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡寨組東側(cè)和南東側(cè)斜坡上部，陡崖崩塌危巖體下部可能影響范圍內(nèi)有河頭上組、偏坡寨組和大屯上組，共有居民130戶527人，崩塌災(zāi)害區(qū)綜合平面圖見圖1。不管是采取搬遷還是其他治理方案，都應(yīng)先預(yù)測危巖體失穩(wěn)后的影響范圍。選擇納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體為研究對象，分析危巖體失穩(wěn)后是否會影響下方3個(gè)村民組群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，并圈定人類活動(dòng)禁忌區(qū)。目前，預(yù)測崩塌災(zāi)害影響范圍的方法主要有理論計(jì)算法[3]、軟件計(jì)算法[4]和現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)法[5]。本研究采取理論計(jì)算與Rockfall軟件計(jì)算相結(jié)合的方法，預(yù)測該崩塌災(zāi)害的最大影響范圍和最可能影響范圍，希望能為治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

納雍縣地處貴州高原西北部，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。該縣多年平均氣溫13.6 ℃，最高34.1 ℃，最低-9.6℃， 多年平均降水量1 243. 9mm，降雨主要集中在5—9月，期間降雨量占全年降水量的73.7%。危巖體分布區(qū)位于長江流域?yàn)踅担r體兩側(cè)發(fā)育有南東—北西向的季節(jié)性沖溝，沖溝洪水季節(jié)性流量20—100 L/s，流量動(dòng)態(tài)變化大。地貌上，危巖分布區(qū)屬溶蝕—侵蝕地貌，總體地勢南東高北西低，最高點(diǎn)為陡崖東側(cè)轎子山山頂，標(biāo)高+1 995.6 m，陡崖北西側(cè)河谷地勢最低，標(biāo)高+1 309.4 m，最大相對高差686.2 m。地形受地層巖性的影響大，寒武系牛蹄塘組(ε1n)、寒武系明心寺組(ε1m)、二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)地層分布地帶地形較緩，自然坡度一般20°～35°；石炭系擺佐組和黃龍組(C1b+C2hn)、石炭系馬平群組(C3mp)地層分布地帶地形較陡，自然坡度一般大于30°，并于斜坡上部地段形成陡崖。受區(qū)域構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層中主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙：第一組為50°～70°∠65°～85°，裂隙間距1～2 m、長1～3 m；第二組為300°～330°∠80°～90°，裂隙間距0.5～2.0 m、長2.0～5.0 m；第三組為135°～150°∠60°～80°，裂隙間距1.5～4.0 m、長2.0～4.5 m。受多組節(jié)理裂隙切割，巖體完整性較差。

2 危巖體可能破壞形式

納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體所在位置斜坡坡度60°～90°，斜坡下部自然坡度20°～35°，崩塌方向280°～310°，危巖體高50～110 m、厚30～100 m、長約1 130 m，崩塌危巖體體積約339萬m3，崩塌規(guī)模類型為巨型，崩塌類型主要為傾倒式和墜落式復(fù)合型。崩塌危巖體發(fā)生于石炭系擺佐組和黃龍組(C1b+C2hn)地層中，巖層產(chǎn)狀270°∠5°，巖層傾角較緩，斜坡上部為灰?guī)r和白云巖，巖體豎向節(jié)理極發(fā)育，斜坡中部和下部出露泥巖和泥質(zhì)砂巖，形成軟基陡崖，山坡頂部巖體沿節(jié)理面已出現(xiàn)多處裂縫，山坡上裂縫走向?yàn)?5°～50°，長1～30 m，寬10～25 cm，可視深度1～8 m，相間發(fā)育少量長1～18 m的次一級裂縫。崩塌塊石最小為0.2 m×0.3 m×0.6 m，最大達(dá)3 m×3 m×2 m，崩塌堆積體前緣滾石曾距離村民房屋約2 m，所幸未造成危害。崩塌堆積體主要分布于陡崖坡腳緩坡帶和溝谷，厚度一般為2～5 m，局部地帶可達(dá)10 m左右。由于特殊的地形地質(zhì)條件，造成陡崖處地裂縫有加寬增大的趨勢，崩塌危巖體隨時(shí)可能發(fā)生崩塌掉塊，對村寨居民造成危害的可能性和程度均較大。

3 分析方法

3.1 Rockfall軟件計(jì)算

Rockfall是一款邊坡落石統(tǒng)計(jì)分析軟件，目前在落石運(yùn)動(dòng)軌跡研究中使用較多，在危巖影響范圍預(yù)測方面亦有應(yīng)用[6]。Rockfall是一個(gè)二維分析軟件，其分析思路為：給定一個(gè)具有一定質(zhì)量和初速度的點(diǎn)狀或線狀巖塊，繪制計(jì)算剖面，并根據(jù)實(shí)際情況賦予每一坡段相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，巖塊在計(jì)算剖面上經(jīng)過一系列碰撞、滾動(dòng)、滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度小于擬定停止的最小速度后巖塊即停止運(yùn)動(dòng)。分析過程大致如下：第一步，在軟件中建立邊坡模型；第二步，定義邊坡參數(shù)(包括坡體材料的法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)、摩擦角、粗糙度)；第三步，定義巖塊參數(shù)(包括巖塊的水平、垂直初速度和巖塊的質(zhì)量等)；最后，計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果分析。

3.2 理論分析思路

為研究崩塌的最遠(yuǎn)影響范圍，在理論分析過程中特做如下假定：崩塌巖塊在運(yùn)動(dòng)過程中為二維平面運(yùn)動(dòng)，不考慮巖塊體之間的相互作用；邊坡材質(zhì)各段物理性質(zhì)均一，坡面形狀由若干段折線組成，坡面材料均勻，在與巖塊體接觸碰撞時(shí)不發(fā)生破碎損壞；巖塊體簡化為球體，質(zhì)量分布均勻，且為各向同性理想彈性體，在碰撞過程中也不發(fā)生破碎。

對于滑移式崩塌，其運(yùn)動(dòng)過程存在崩塌面上滑移的階段，然后才產(chǎn)生彈跳等后續(xù)運(yùn)動(dòng)。因此，將其計(jì)算過程大致分為三步：第一步計(jì)算崩塌巖塊在脫離母巖瞬間，沿崩塌面方向的瞬時(shí)速度；第二步計(jì)算第一次落地彈跳運(yùn)動(dòng)后巖塊的瞬時(shí)速度；第三步重復(fù)第二步計(jì)算過程，當(dāng)?shù)趎次彈跳的跨距小于某一數(shù)值，且落地點(diǎn)附近地面斜坡沒有突然變陡時(shí)，則可認(rèn)為彈跳終止，第n次彈跳的落地點(diǎn)即為崩塌影響范圍的邊界。巖塊理論計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡示意見圖2，具體計(jì)算過程如下：

(1)崩塌巖塊初始速度。巖塊在崩塌面上的運(yùn)動(dòng)形式十分復(fù)雜，常常是滑移和翻滾共存。研究區(qū)危巖破壞方式以滑移為主，故按滑移破壞形式進(jìn)行分析。根據(jù)推導(dǎo)，巖塊完成滑移，脫離母巖瞬間，沿崩塌面的速度計(jì)算公式為

(1)

式中：α為崩塌面的傾角，(°)；L為崩塌面的長度，m；φ為崩塌面上的摩擦角，(°)；g為重力加速度，m/s2。

對速度進(jìn)行分解，得到

(2)

式中：V0S為水平速度，m/s；V0H為垂直速度，m/s。

(2)自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡方程。當(dāng)崩塌巖塊脫離滑移面自由墜落時(shí)，忽略空氣阻力，巖塊在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，在豎直方向做加速運(yùn)動(dòng)。在任意時(shí)間t，崩塌巖塊的運(yùn)動(dòng)軌跡方程可寫為

(3)

式中：S1為水平距離，m；H1為垂直距離，m。

(3)巖塊落地瞬時(shí)速度。因巖塊在此過程做自由落體運(yùn)動(dòng)，故在落地碰觸地面前的瞬時(shí)速度為

(4)

式中：V1S為水平速度，m/s；V1H為垂直速度，m/s。

沿巖塊落地入射線方向的速度V1與巖塊落地入射線與水平線的夾角α1的計(jì)算公式為

(5)

(4)巖塊反彈后速度和運(yùn)動(dòng)軌跡方程。設(shè)巖塊落地時(shí)與地面成點(diǎn)接觸，落地點(diǎn)一定范圍內(nèi)的地面光滑平整，按入射角與反射角相等原理，巖塊反彈射線與地面的夾角和巖塊落地射線與地面的夾角相等，均等于α1-β，其中β為地面線與水平面的夾角。巖塊反彈射線與水平線的夾角為α1-2β，見圖3。

設(shè)崩塌巖塊落地點(diǎn)的反彈系數(shù)為K，巖塊反彈瞬間的反彈速度因動(dòng)量損失而減小，其相應(yīng)的反彈速度V01為

(6)

分解后的速度計(jì)算公式為

(7)

式中：V01S為水平速度，m/s，V01H為垂直速度，m/s。

巖塊反彈后的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(8)

式中：S2為水平距離，m；H2為垂直距離，m。

按以上方程進(jìn)行多次彈跳計(jì)算，當(dāng)?shù)趎次彈跳的跨距小于某一數(shù)值，且落地點(diǎn)附近地面斜坡沒有突然變陡時(shí)，則可認(rèn)為彈跳終止，同時(shí)可認(rèn)為第n次彈跳的落地點(diǎn)即為崩塌影響范圍的邊界。

4 危巖失穩(wěn)影響范圍預(yù)測

4.1 計(jì)算剖面和參數(shù)選取

做好防洪除澇工作是社會管理的重要內(nèi)容之一，也是確保崇明縣居民正常生產(chǎn)生活的根本保障，對加速崇明生態(tài)島建設(shè)具有重要意義。防洪除澇不僅涉及調(diào)蓄、排澇，也包括水利設(shè)施的建設(shè)、管理。建議在防洪除澇的過程中，還需要抓好以下幾方面內(nèi)容：①水利設(shè)施管養(yǎng)單位做好對河道、水閘、泵站、排水管道等設(shè)施的日常管理和維護(hù)，確保在汛期能夠正常運(yùn)作；②防汛成員單位要做好對防汛隱患問題的排查，按照職責(zé)分工和防汛預(yù)案的要求自覺落實(shí)整改；③職能部門要建立健全長效管理機(jī)制及考核辦法，提高對突發(fā)防汛問題的應(yīng)急處置能力。

根據(jù)地形地貌特征和可能崩塌主方向，以居住區(qū)為重點(diǎn)關(guān)注對象，選取圖1中所示的5條剖面，分別從不同方位計(jì)算危巖崩塌可能影響的范圍。巖塊起崩點(diǎn)速度根據(jù)其滑移距離計(jì)算，坡面的切向、法向恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)根據(jù)坡面植被覆蓋和坡面巖土結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合參考文獻(xiàn)[7-9]綜合確定。根據(jù)坡面植被發(fā)育程度分為4個(gè)坡段，最上方為基巖裸露坡段，向下依次為草地、灌木地和稀疏喬木坡段。不同坡段計(jì)算參數(shù)見表1。

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 單個(gè)剖面計(jì)算

根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)特征分析，最大崩落巖塊體積約為3 m×3 m×2 m，計(jì)算時(shí)巖塊重量按最大體積計(jì)算，密度取平均值2 650 kg/m3，即巖塊質(zhì)量為47 700 kg。將上述參數(shù)輸入軟件，得到各剖面巖塊可能運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)距離。以典型剖面2-2為例，剖面巖土組成見圖4，理論計(jì)算和軟件計(jì)算結(jié)果見圖5。

理論計(jì)算和軟件計(jì)算得到的危巖最大影響范圍結(jié)果見表2。理論計(jì)算結(jié)果比軟件計(jì)算結(jié)果偏大：4-4剖面兩種方法計(jì)算得到的危巖崩塌最大水平距離差值最大，達(dá)129 m，其他4個(gè)剖面的計(jì)算結(jié)果比較接近，尤其3-3剖面差值最小，即表現(xiàn)為地形較陡的溝谷附近差別較大而在地形較緩處差別較小。存在上述差異的主要原因是兩種方法采取的假設(shè)條件不同：理論計(jì)算是基于彈跳理論計(jì)算公式，假設(shè)“落地點(diǎn)一定范圍內(nèi)的地面光滑平整，入射角與反射角相等”，其計(jì)算結(jié)果考慮的是最不利因素組合，使計(jì)算結(jié)果保守、偏大；Rockfall數(shù)值模擬軟件在模擬中考慮的影響因素較多，去掉了理論計(jì)算中的部分假設(shè)，計(jì)算結(jié)果較小。

4.2.2 整體影響范圍預(yù)測

理論計(jì)算與軟件計(jì)算方法確定的危巖體崩塌失穩(wěn)最大影響范圍見圖6。軟件計(jì)算考慮了巖塊體的形狀、大小、密度、初始運(yùn)動(dòng)速度、坡面幾何形態(tài)、坡面物理力學(xué)特性，通過坡面滑動(dòng)摩擦系數(shù)、粗糙度﹑法向和切向恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)的選取輸入，模擬危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡。軟件計(jì)算法考慮的影響因素與實(shí)際的情況基本吻合，能合理預(yù)測危巖體失穩(wěn)的影響范圍，因此可將其預(yù)測結(jié)果作為最可能影響范圍，而理論計(jì)算結(jié)果可作為危巖失穩(wěn)的最大影響范圍。納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體若發(fā)生崩塌，整個(gè)大屯上組和近一半偏坡寨組居民將處在危巖最大影響范圍內(nèi)，近1/3的偏坡寨組居民處于危巖最可能影響范圍內(nèi)，河頭上組居民位于危巖最大影響范圍以外。

5 結(jié) 論

(1)理論計(jì)算方法主要是基于彈跳理論計(jì)算公式，把巖塊體的運(yùn)動(dòng)簡化為n次彈跳過程，采用理想化的假設(shè)，造成計(jì)算結(jié)果保守、偏大。Rockfall軟件計(jì)算方法通過輸入不同參數(shù)和不同坡面特性，考慮的參數(shù)與實(shí)際工況較接近，模擬結(jié)果較合理。

(2)理論計(jì)算的預(yù)測結(jié)果可以作為Rockfall軟件計(jì)算的參考，兩種計(jì)算結(jié)果可相互比較，從而劃分出危巖體崩塌的最大影響范圍和最可能影響范圍。分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)最大影響范圍和最可能影響范圍在地形較陡的溝谷附近差別較大，而在地形較緩處差別較小。

(3)Rockfall軟件計(jì)算和理論計(jì)算結(jié)果表明，納雍縣王家寨鎮(zhèn)偏坡崩塌危巖體若發(fā)生崩塌，整個(gè)大屯上組和近一半偏坡寨組居民在危巖最大影響范圍內(nèi)，近1/3的偏坡寨組居民位于危巖最可能影響范圍內(nèi)，建議對大屯上組采取搬遷的防護(hù)措施，偏坡寨組采取設(shè)置攔石網(wǎng)措施。河頭上組居民位于危巖最大影響范圍以外，不需對其進(jìn)行相關(guān)防護(hù)。

[1] 廖育民.地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與應(yīng)急指揮及綜合防治實(shí)務(wù)全書[M].哈爾濱:哈爾濱地圖出版社,2003：2-30.

[2] 陳四喜.小災(zāi)害引發(fā)大災(zāi)情──1997年陜西延川縣永坪鎮(zhèn)崩塌災(zāi)害的思考[J].災(zāi)害學(xué)，1999,14(1):52-53.

[3] 徐一帆,湛亞禮,鄧瑞傳,等.幾種確定崩塌危巖體崩落影響范圍方法的比較及應(yīng)用[J].凱里學(xué)院學(xué)報(bào),2013,31(3):102-104.

[4] 葉兆榮,望霞.危巖體形成演化過程模擬及崩塌落石軌跡預(yù)測[D].吉林大學(xué),2013:15-17.

[5] 程強(qiáng),蘇生瑞.汶川地震崩塌滾石坡面運(yùn)動(dòng)特征[J].巖土力學(xué),2014,35(3):772-776.

[6] 韋啟珍,雷秀麗.崩塌落石參數(shù)的數(shù)值模擬研究[J].中國水運(yùn),2008,8(3):115-116.

[7] 郭俊.陡崖危巖體穩(wěn)定性分析與滾石運(yùn)動(dòng)特性研究——以楊樹村危巖為例[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013:11-12.

[8] 何思明,吳永,李新坡.滾石沖擊碰撞恢復(fù)系數(shù)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(3):623-627.

[9] 章廣成,向欣,唐輝明.落石碰撞恢復(fù)系數(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011,30(6):1266-1273.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157.2

A

1000-0941(2015)03-0058-04

焦為(1989—) ，男，貴州平壩縣人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程。

2014-12-01