單體危巖崩塌災害危險性評價
——以貴州威寧縣新發(fā)鄉(xiāng)樊家?guī)r為例

武中鵬，劉 宏，董秀群，鄧凱倫

(1.貴州大學自然資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災害重點實驗室，貴州 貴陽 550025；2.天津水保工程咨詢有限公司，天津 300022)

0 引言

據(jù)前人的研究可知，引起崩塌的因素有很多，且它們之間相互作用、相互影響。其中，當臨空面和貫通的節(jié)理裂隙存在時，重力是引起崩塌的首要因素。崩塌危巖體作為不規(guī)則的塊體，在運動過程中極易裹挾巖屑，且移動距離會超過其原始巖坡高度。隨著城鎮(zhèn)化進度的不斷加快，地質(zhì)災害發(fā)生的頻率也越來越高，崩塌地質(zhì)災害具有突發(fā)性，崩落速度快，極易在短時間內(nèi)造成巨大的損失，因此，研究單體危巖體崩塌災害的危險性評價具有重要的意義。

目前，對于崩塌的研究還主要局限于崩塌的形成及失穩(wěn)破壞機理，而對小尺度的單體崩塌危巖體的危險性評價研究較少。在早期，胡厚田[1]曾對各種崩塌落石的運動速度、運動距離和落石軌跡進行了研究；唐紅梅等[2]就崩塌的啟動機制、碰撞過程中的能量損耗及滾動過程做了深入的研究，總結出了運動軌跡方程；張路青等[3]研究了落石對流動人員和車輛的風險評價；鄭光等[4]研究了采礦區(qū)對崩塌危巖體失穩(wěn)破壞的影響；黨亞倩[5]采用蒙特卡洛法分析風頭山崩塌隱患體的穩(wěn)定性狀態(tài)；葉萬軍等[6]根據(jù)黃土崩塌常見的運動形式，提出崩塌體自由飛落及滾動情況下影響范圍的理論公式。在前人對崩塌災害危險性評價研究的基礎上，本文以新發(fā)鄉(xiāng)托海小流域樊家?guī)r崩塌體為例，采用失穩(wěn)概率和落實軌跡模擬，圈畫出落石影響范圍，初步建立單體危巖體危險性評價方法。

1 樊家?guī)r崩塌基本特征

崩塌前，樊家?guī)r危巖體上部主要為中風化灰?guī)r，風化裂隙較為發(fā)育，節(jié)理間距0.15～1 m，結構面結合程度差。危巖體坡向221°，坡角74°，巖層產(chǎn)狀21°∠10°，節(jié)理主要有兩組，分別為J1：185°∠81°、J2：288°∠86°。受差異性風化作用的影響，在危巖體下部有凹巖腔發(fā)育，發(fā)育深度為2～3 m，沿節(jié)理面有黏性土、巖屑、巖塊局部充填。巖體在重力及裂隙水或地震作用下局部失穩(wěn)，使巖體發(fā)生墜落。下部巖體(高程1 530～1 820 m)為粉砂巖，坡度在40°～50°。巖體整體較堅硬，巖體較破碎，屬Ⅳ類巖體。坡腳崩塌堆積體以灰?guī)r為主，沿著危巖體下部斜坡呈扇形堆積，平均坡度為30°，結構松散。區(qū)內(nèi)堆積體塊體普遍較小，一般在0.6 m以內(nèi)。此外，有少量直徑為1.2～2.4 m的塊石在該區(qū)中下部散落。根據(jù)危巖體坡面、巖層、節(jié)理J1和節(jié)理J2的傾向、傾角(表1)繪制赤平投影(圖1)，可判斷危巖體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。危巖體剖面如圖2所示。

表1 赤平投影參數(shù)Table 1 Parameters of stereographic projection

圖1 赤平投影分析圖Fig.1 The analysis diagram of stereographic projection

圖2 樊家?guī)r危巖體剖面Fig.2 The dangerous rock body profile of Fanjiayan

2 危巖體失穩(wěn)概率計算

根據(jù)所查資料得知，用蒙特卡洛法計算危巖體的失穩(wěn)概率比較精確。蒙特卡洛法又稱隨機抽樣法、統(tǒng)計試驗法等，其原理是通過隨機抽樣和大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到失穩(wěn)概率。本研究根據(jù)蒙特卡洛法原理編寫了失穩(wěn)概率分析程序，危巖體的穩(wěn)定性計算采用重慶市地方標準《地質(zhì)災害防治工程勘察規(guī)范》(DB 50/143—2003)中的推薦公式(式(1))。不僅將密度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等幾個常規(guī)的參數(shù)考慮在內(nèi)，還增加了裂隙傾角、裂隙占比、充水占比等因素，以提高結果的準確性。在程序中輸入各種參數(shù)的均值和方差，就可以得到危巖體的失穩(wěn)概率值。在具體計算時，每次抽樣計算得到穩(wěn)定性系數(shù)F，對穩(wěn)定性系數(shù)進行判別，抽樣總次數(shù)為1 500次，每次抽樣結束時統(tǒng)計F小于1的次數(shù)，其值與總次數(shù)的比值可以近似為失穩(wěn)概率。

墜落式后緣有陡傾裂隙的懸挑式危巖體穩(wěn)定性計算公式：

(1)

式中：ζ——危巖抗彎力矩計算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值，一般可取1/12～1/6，當潛在破壞面矩形時取1/6；

flk——危巖體抗拉強度標準值/kPa，根據(jù)巖石抗拉強度標準值乘以0.2的折減系數(shù)確定；

a0——危巖體重心到潛在破壞面水平距離/m；

b0——危巖體重心到過潛在破壞面形心的鉛錘距離/m；

c——危巖體黏聚力標準值/kPa；

φ——危巖體內(nèi)摩擦角標準值/(°)。

根據(jù)大量的工程實例和結合規(guī)范，本文主要考慮了4種不同的工況：天然工況、天然+暴雨(強度重現(xiàn)期按20a考慮)、天然+地震、天然+暴雨+地震(分級用工況1、工況2、工況3、工況4表示)。由于C和φ值(危巖體的巖石力學參數(shù)取值如表2所示)受野外采樣、室內(nèi)試驗等影響較大，所以作為隨機變量，得出不同工況下的危巖體失穩(wěn)概率(表3)，同時得到影響因子的正態(tài)分布圖(圖3、圖4)。

表2 危巖體巖石力學參數(shù)Table 2 The rock mechanics parameters of dangerous rock mass

表3 危巖體的失穩(wěn)概率Table 3 The instability probability of dangerous rock mass

圖3 自重和地震工況下參數(shù)正態(tài)分布Fig.3 Normal distribution of parameters under gravity and seismic conditions

圖4 暴雨工況下參數(shù)正態(tài)分布Fig.4 Normal distribution of parameters under rainstorm conditions

3 危險范圍確定

不同形狀的崩塌落石在運動過程中具有共性，均以滾動和彈跳兩種形態(tài)為主[7]。運動軌跡受到地形起伏、植被覆蓋度、地層巖性等因素的影響。落石運動軌跡的模擬在Rockfall原理上進行改進，將地形起伏、地層巖性、植被覆蓋度和法向、切向恢復系數(shù)(恢復系數(shù)取值如表4所示)作為評價因子，模擬出落石軌跡(圖5)。將研究區(qū)地形等高線作為模擬落石軌跡的基礎，即避免了人為選取剖面產(chǎn)生的誤差，又可以對整個研究區(qū)危巖體進行落石軌跡模擬。根據(jù)落石軌跡模擬結果、地形等高線和居民房屋分布特征，將落石經(jīng)過的區(qū)域劃分為高危險區(qū)，臨近落石軌跡的范圍劃分為中危險區(qū)(圖6)。

表4 法向恢復系數(shù)和切向恢復系數(shù)取值Table 4 Values of normal recovery coefficient and tangential recovery coefficient

圖5 樊家?guī)r落石軌跡模擬圖Fig.5 The simulation diagram of Fanjiayan rockfall trajectory

圖6 樊家?guī)r崩塌落石影響范圍劃分Fig.6 The influence scope division of collapse and rockfall in Fanjiayan

4 防治措施建設

崩塌落石的防治主要包括工程措施、生物措施、規(guī)避、監(jiān)測預警和加強公眾教育等。由于樊家?guī)r崩塌危巖體范圍大，處于落石影響區(qū)的居民較多，故提出了有針對性的防治措施(圖7)，例如InSAR監(jiān)測、裂隙變形監(jiān)測、雨量監(jiān)測、規(guī)劃避難路線等。

圖7 樊家?guī)r崩塌防治措施布設圖Fig.7 Layout of prevention and control measures for fanjiayan collapse

5 結論

(1)采用蒙特卡洛法對危巖體的失穩(wěn)概率進行分析，主要考慮了4種工況，結果表明，危巖體在暴雨和地震的工況下最易失穩(wěn)破壞，其失穩(wěn)概率為0.124。

(2)對于崩塌落石路徑的模擬，本文在Rockfall軟件基礎上進行了改進，根據(jù)模擬出來的落石軌跡確定了落石的影響范圍并對影響區(qū)進行危險度的劃分，分為高危險區(qū)、中危險區(qū)和低危險區(qū)。

(3)根據(jù)崩塌危巖體的特征、不同程度的危險區(qū)和地形，對崩塌危巖體的防治提出了InSAR監(jiān)測、裂縫變形監(jiān)測、設置雨量監(jiān)測站、放置警示牌和逃避路線指示牌等針對性的措施。