基于動態(tài)過程數(shù)值模擬的崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

■ 廣東省地質(zhì)建設(shè)工程集團公司 曾錚

1.研究背景

崩塌主要由巖土在重力條件下產(chǎn)生，崩塌體為不規(guī)則的松散塊體、沒有整體性。大型的巖石崩塌在巖石塊體崩落后，會以流動的方式夾帶超過10×104m3以上體積的巖屑，移動至遠超過其原始巖坡高度的距離[1]。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)高速發(fā)展，道路開發(fā)、邊坡開挖等人類活動的日益頻繁，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害也呈現(xiàn)上升的明顯態(tài)勢，而崩塌災(zāi)害因發(fā)生時間不確定、崩落速度極快、主要沿垂直方向墜落的特點，可在較短的時間內(nèi)造成巨大的危害，給人民的生命和財產(chǎn)安全帶來極大的威脅。因此，針對崩塌開展危險性評估具有重大的理論和現(xiàn)實意義。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，崩塌災(zāi)害的研究工作主要集中在崩塌的形成和破壞機理研究、 勘查評價、治理技術(shù)手段等方面，風(fēng)險評估主要集中在對崩塌災(zāi)害的小比例尺區(qū)域性風(fēng)險評估，對單體災(zāi)害風(fēng)險評估的研究較少。國外對崩塌風(fēng)險評估的相關(guān)工作起步較早，并獲得了較為顯著的成果，Pierson 等[2][3]根據(jù)經(jīng)驗評分系統(tǒng)建立了最為簡單的崩塌發(fā)生地點預(yù)測評價模型；Azzoni 等[4]基于剛性體的力學(xué)理論和二維統(tǒng)計分析模型對崩塌的運動軌跡及一些相關(guān)的參數(shù)（滾石的能量、彈起的高度、運移距離）進行了預(yù)測；Crosta 等[5][6]利用空間分布方法研究了崩塌滾石到達的概率和崩塌的密度，為崩塌危險性評估和分區(qū)奠立了良好的基礎(chǔ)。國內(nèi)在崩塌災(zāi)害的風(fēng)險評估方面也開展了相關(guān)的研究，胡厚田[7]對各類落石的速度、崩落距離和運動軌跡進行了計算；唐紅梅等[8]對危巖的初始運動狀態(tài)、碰撞過程、滑動過程、滾動過程等進行了較為深入的研究，獲取了運動軌跡方程；張路青等[9]對川藏公路南線（八宿至林芝段）滾石的發(fā)生頻率進行了估算，通過遭遇滾石的概率及承災(zāi)體的易損性分析，得出了車輛和行人經(jīng)過不同滾石區(qū)時遭遇滾石而致命風(fēng)險的概率。

在國內(nèi)外崩塌災(zāi)害危險性評估研究成果的基礎(chǔ)上，本文以某工業(yè)場地危巖崩塌災(zāi)害為例，采用數(shù)值模擬的手段，對危巖運動過程和最終的堆積區(qū)域進行研究。

3. 實例分析

3.1 崩塌危巖體基本特征

崩塌危巖體位于某工業(yè)場地西側(cè)的邊坡，邊坡基巖裸露，為燕山期第三期（γ52-3）花崗巖，花崗巖體為褐紅、褐黃色、原巖結(jié)構(gòu)清晰，部分斜長石未風(fēng)化、夾硬塊、手捏易碎，強風(fēng)化巖風(fēng)化裂隙較發(fā)育，受節(jié)理裂隙發(fā)育影響，完整性差、巖體質(zhì)量差。

崩塌源區(qū)所處邊坡位置高程約32m，邊坡下方油罐區(qū)及道路高程約11m，崩塌區(qū)距離下方道路高程差約21m，水平距離約18m，距離下方油罐區(qū)高程差約21m，水平距離約50m。崩塌區(qū)長度約30m，高度約5m，厚度約1.2m，規(guī)模約為180m3。

3.2 形成原因

崩塌形成原因主要是由于邊坡巖體結(jié)構(gòu)面相互組合，切割巖體，組成的楔形體崩落條件好，邊坡巖體長期裸露，風(fēng)化剝離，造成巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性差，發(fā)生崩落地質(zhì)災(zāi)害。

3.3 穩(wěn)定狀態(tài)分析

該邊坡高度較大，裂隙發(fā)育，主要發(fā)育有三組節(jié)理裂隙：①產(chǎn)狀22～25°∠55～60°，延伸長度大于10m，線密度1條/m，裂隙面較平直；②產(chǎn)狀96～119°∠74～79°，延伸長度一般5～10m，線密度一般0.3～1條/m，裂隙面較平直；③產(chǎn)狀145～174°∠59～70°，延伸長度一般大于10m，線密度一般1條/m，裂隙面平直光滑。本次評估利用赤平投影法預(yù)測邊坡的穩(wěn)定性，如圖1所示，分析結(jié)果表明，巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面相互組合，切割巖體，組成的楔形體崩落條件好，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生巖石崩落等安全隱患可能性較大。崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要危害對象為評估區(qū)庫區(qū)道路、庫區(qū)工作人員以及112#、113#油罐，據(jù)以上分析判斷，西側(cè)邊坡發(fā)生崩塌可能性較大，危險性大。

圖1 巖質(zhì)邊坡崩塌預(yù)測結(jié)果

3.4 崩塌危害程度評估

本次評估利用數(shù)值模擬分析軟件對崩塌落石失穩(wěn)墜落的運移運動軌跡以及最終終點距離進行模擬，以達到對崩塌落石危害程度的分析和判斷。

本次數(shù)值模擬選擇AA'剖面上崩塌區(qū)進行模擬，剖面AA'上崩塌區(qū)所處高程約32m，距離下方道路高程差約21m，水平距離約18m，距離下方油罐區(qū)高程差約21m，水平距離約50m。崩塌落石數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 崩塌落石數(shù)值模擬模型

圖3 滾石運動軌跡數(shù)值模擬

通過對崩塌落石數(shù)值模擬模型的運算分析（圖3），根據(jù)崩塌落石墜落的運動軌跡，在落石運動的前半段，由于處于加速階段，落石主要沿著斜坡坡面呈滾動式向下方運動，當(dāng)滾石達到坡腳時，其速度已經(jīng)達到峰值，并且由于坡腳道路為水泥路面，落石砸向水泥路面后呈跳躍ü?jié)L動式運動，隨著速度的逐步降低，落石最后呈現(xiàn)水平運動態(tài)勢。

圖4 滾石運動終點距離數(shù)值模擬

根據(jù)對落石運動最終點的分析及統(tǒng)計（圖4），滾石最遠運動距離已經(jīng)超過了儲油罐與危巖體最短水平距離，其危險范圍已經(jīng)覆蓋下方的道路及油罐，因此，崩塌落石的危害對象包括了下方的庫區(qū)道路、庫區(qū)工作人員以及112#、113#油罐。

根據(jù)以上對崩塌落石的數(shù)值模擬，由于崩塌地處高位，運動過程中的加速以及勢能向動能的轉(zhuǎn)化，其沖擊破壞作用驚人，危害性中等，因此，綜合判斷崩塌的危害程度中等。

4. 結(jié)論

崩塌給人民的生命和財產(chǎn)安全帶來極大的威脅，針對崩塌開展危險性評估具有重大的理論和現(xiàn)實意義。本文以某工業(yè)場地危巖崩塌作為研究對象，采取數(shù)值模擬的方法，分析了崩塌在運動過程中的運移軌跡以及影響范圍重要因素，可以為后期崩塌的防災(zāi)減災(zāi)提供借鑒。同時，根據(jù)野外調(diào)查情況，并結(jié)合數(shù)值模擬研究，證明該方法可以很好地模擬泥崩塌運動、堆積的動力過程，在崩塌危險范圍預(yù)測工作中具有較高的準確性。