云臺山景區(qū)公路邊坡危巖體穩(wěn)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(qū)內(nèi)公路邊坡危巖體的穩(wěn)定性計算，并根據(jù)計算結(jié)果應用Rock Fall軟件模擬計算危巖體失穩(wěn)后落石的運動軌跡，為危巖體的防治提供科學依據(jù)。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(wěn)定系數(shù)，采用數(shù)值模擬軟件研究危巖體失穩(wěn)形成落石后的運動距離、速度、彈跳高度、沖量等運動特征，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：云臺山；危巖體；落石；穩(wěn)定性；運動軌跡

引言

危巖體是指發(fā)育在邊坡斜體上的隨時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，是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災害。

云臺山景區(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，是我國首批5A級世界地質(zhì)公園之一。近年來景區(qū)內(nèi)公路上發(fā)育的危巖體給景區(qū)的正常運行帶來了安全隱患，通過現(xiàn)場調(diào)查，選取編號為JW23危巖體為研究對象，計算其穩(wěn)定性并研究失穩(wěn)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(zhì)量38.7t，傾角65°，巖性為灰?guī)r，危巖后部被裂隙切割，基本貫穿整個危巖體，坡面角度30°，植被生長較茂盛。根據(jù)重慶市地方標準《地質(zhì)災害防治工程設計規(guī)范》（DB50/5029-2004）對該危巖體進行分類，屬于滑移型危巖體。

1.穩(wěn)定性評價標準

根據(jù)陳洪凱等（2011）在《地質(zhì)災害理論與控制》一書中有關(guān)危巖體穩(wěn)定性評價標準內(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，對應的具體穩(wěn)定性評價標準見表1。

2.穩(wěn)定性計算

2.1基本假設

根據(jù)前人的研究成果，滑移式危巖體穩(wěn)定性計算依據(jù)以下假設條件：危巖體變形發(fā)展過程中，尤其是在其破壞失穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性系數(shù)最小者，不考慮基座抗拉強度。

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

2.3計算成果

根據(jù)危巖體穩(wěn)定性評價標準，見表1，得出JW23危巖體的穩(wěn)定性計算成果，見表2。

3.Rock Fall軟件數(shù)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(tǒng)計分析軟件，以概率分析為基礎(chǔ)，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(shù)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(jié)果采用柱狀圖顯示，并自動計算其統(tǒng)計學規(guī)律。

3.2主要計算參數(shù)

通過調(diào)查現(xiàn)場的工程地質(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)域落石所對應的碰撞恢復系數(shù)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(wěn)后落石的運動軌跡計算剖面，畫出其地質(zhì)剖面圖及對應的計算簡圖，見圖2、圖3。

（2）落石運動路徑數(shù)值分析

根據(jù)前文選取的危巖體計算參數(shù)及計算簡圖，利用Rock Fall軟件模擬計算JW23危巖體失穩(wěn)后形成落石的運動特征數(shù)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(guān)鍵信息，據(jù)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(fā)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(jù)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(wěn)，后果非常嚴重，急需優(yōu)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(shù)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(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柔性防護等），或?qū)ξr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(jié)語

通過對云臺山景區(qū)道路上的典型危巖體進行穩(wěn)定性計算及其失穩(wěn)后落石運動軌跡的研究，為該地區(qū)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(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)后落石運動軌跡的方法，具有重要的參考價值，并值得在類似地區(qū)推廣應用。endprint