重慶甑子巖崩塌落石動力學(xué)特征及危險性分區(qū)

孫敬輝，石豫川

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引言

崩塌落石我國山區(qū)一種多發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[1]，危巖體在降雨、地震或人工活動等因素的擾動下極易滾落或墜落[2-4]。重慶市南川區(qū)金佛山甑子巖多次發(fā)生危石墜落，特別是暴雨后?，F(xiàn)部分危巖體存在嚴(yán)重安全隱患，危及其下村民的生命財產(chǎn)安全?，F(xiàn)威脅人數(shù)為102戶406人，地質(zhì)災(zāi)害體成災(zāi)后可能造成的損失大，為了保障村民生命財產(chǎn)安全，分析不同高度、不同規(guī)模危巖體對居民區(qū)的的落石風(fēng)險并對危險性進(jìn)行分區(qū)，用來為居民區(qū)安置和防護(hù)提供依據(jù)[5]。

1 甑子巖邊坡地質(zhì)概況與基本特征

1.1 地質(zhì)概況

南川甑子巖危巖帶總體形態(tài)呈不規(guī)則“L”型展布，由多級陡崖組成，一級陡崖有棲霞組和茅口組石灰?guī)r組成，二級陡崖由茅口組石灰?guī)r組成，一二級陡崖間為茅口組二段頁巖夾石灰?guī)r組成的斜坡，地形坡度37°～44°，甑子巖危巖東側(cè)為居民集中區(qū)，高程800～1 250 m，相對高差650～900 m[3]。地形地貌見圖1。

圖1 甑子巖危巖體地形面貌Fig.1 Topography of Zengziyan dangerous rock body

調(diào)查區(qū)位于金佛山向斜中段近軸部偏東翼部位，向斜軸部構(gòu)造方向為NE～SW向[3]，區(qū)內(nèi)陡傾裂隙發(fā)育，多張開，多充填泥質(zhì)和鈣質(zhì)，結(jié)合一般-差，為斜坡巖體的表生改造、演變破壞創(chuàng)造了構(gòu)造基礎(chǔ)，對危巖體的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性起控制作用。

1.2 邊坡基本特征

現(xiàn)選取區(qū)內(nèi)剖面1-1′作為分析對象，危巖體為灰?guī)r構(gòu)成，后緣被卸荷裂隙切割，基本貫穿整個危巖體，該邊坡總體上上陡下緩，邊坡傾向10°，高程范圍1 210～1 841 m，平均坡度35°，邊坡主要分為五段，具體特征見剖面1-1′分段特征表(表1)、剖面1-1′工程地質(zhì)平面圖(圖2)和剖面1-1′工程地質(zhì)剖面圖(圖3)。由于垂直裂縫發(fā)育，在降雨、地震等外力擾動下，邊坡易產(chǎn)生崩塌落石，落石主要以直落式和滑移式為主；坡面特征按坡面組成物質(zhì)分段。

表1 剖面1-1′分段特征表

圖2 剖面1-1′工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geology plan of section 1-1′

圖3 剖面1-1′工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological section of section 1-1′

2 甑子巖崩塌落石危害性

2.1 崩塌落石的落石動力學(xué)特征

甑子巖危巖體邊坡面積大，落石范圍高差大，二級陡崖落石范圍位于高程1 800～1 650 m，一級陡崖落石范圍處于高程1 575～1 450 m，針對兩級陡崖不同位置崩塌落石的運動路徑、速度、動能等進(jìn)行評價，對其落石風(fēng)險進(jìn)行分析。

根據(jù)裂隙發(fā)育情況及已有落石的統(tǒng)計信息，取落石典型尺寸為1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m、5 m×5 m×5 m，密度取2.7 g/cm3，針對不同高度位置的危巖體，考慮最不利情況，使用Rocscience RocFall軟件對邊坡參數(shù)進(jìn)行計算?，F(xiàn)分別針對典型高程1 800 m、1 750 m、1 700 m處進(jìn)行三種尺寸典型落石的路徑進(jìn)行模擬，每處落石取50條可能的典型路徑，對落石的運動路徑、速度、落石終點、彈跳高度、動能進(jìn)行模擬。

邊坡剖面EL1 800 m處落石運動軌跡(圖4)和落石終點位置(圖5)表明，落石最終落于水平距離315～525 m范圍內(nèi)，最終落于水平距離399～427 m范圍內(nèi)的概率為82%。

圖4 EL1 800 m處落石運動路徑Fig.4 Movement path of rockfalls at EL1 800 m

邊坡剖面EL1 750 m處落石運動軌跡(圖6)和落石終點位置(圖7)表明，落石最終落于水平距離301～609 m范圍內(nèi)，最終落于水平距離329～413 m范圍內(nèi)的概率為90%。

邊坡剖面EL1 700 m處落石運動軌跡(圖8)和落石終點位置(圖9)表明，落石最終落于水平距離301～441 m范圍內(nèi)，最終落于水平距離315～427 m范圍內(nèi)的概率為96%。

圖5 EL1 800 m處落石終點位置Fig.5 Final position of the rockfalls at EL1 800 m

圖6 EL1 750 m處落石運動路徑Fig.6 Movement path of rockfalls at EL1 750 m

圖7 EL1 750 m處落石終點位置Fig.7 The final position of rockfalls at EL1 750 m

圖8 EL1 700 m處落石運動路徑Fig.8 Movement path of rockfalls at EL1 700 m

圖9 EL1 700 m處落石終點位置Fig.9 The final position of rockfalls at EL1 700 m

2.2 崩塌落石的破壞力

根據(jù)對甑子巖典型高程1 800 m、1 750 m、1 700 m處進(jìn)行的典型落石路徑的模擬，現(xiàn)對落石的速度、動量、動能進(jìn)行分析。邊坡剖面EL1 800 m處落石平移速度位于10～83 m/s，以最大塊體5 m×5 m×5 m考慮，落石速度、動量、動能分布見表2(取速度變化處速度參數(shù))。

表2 EL1 800 m處落石參數(shù)表

邊坡剖面EL1 750 m處落石平移速度位于9～77 m/s，以最大塊體5 m×5 m×5 m考慮，落石速度、動量、動能分布見表3。

表3 EL1 750 m處落石參數(shù)表

邊坡剖面EL1 700 m處落石平移速度位于5～66 m/s，以最大塊體5 m×5 m×5 m考慮，落石速度、動量、動能分布見表4。

2.3 崩塌落石的危險性分區(qū)

對上述不同高程落石的物理參數(shù)進(jìn)行總結(jié)：①EL1 800 m時，最大速度的水平位置為224 m，此處動能和動量相應(yīng)也為最大，之后迅速降低，說明高位危巖體落石以彈跳方式在陡崖上運動后落入巖屑覆蓋的邊坡上，之后以滾動為主的運動方式運動，此種運動彈跳次數(shù)較少，第一次高速運動后速度迅速降低，運動距離相對較近。②EL1 750 m時，最大速度位于水平位置196 m、322～406 m，此處動能和動量相應(yīng)也較大，之后降低，說明二段陡崖中部落石以多次彈跳方式才落入巖屑覆蓋的邊坡上，之后以滾動為主的運動方式運動，此種運動方式經(jīng)多次彈跳，運動距離較遠(yuǎn)。③EL1 700 m時，最大速度位于水平位置210 m和364 m兩處，此種運動方式經(jīng)兩處大的彈跳，之后落入巖屑覆蓋的邊坡上，運動距離相對較近。

表4 EL1 700 m處落石參數(shù)表

綜合三種典型高程(以最大尺寸考慮)落石的動量、動能，作為進(jìn)行崩塌落石危險性分區(qū)的依據(jù)，對崩塌落石區(qū)進(jìn)行危險性分區(qū)(表5)(若無法同時滿足，取較危險情況)(圖10)。

表5 甑子巖崩塌落石危險性分區(qū)

分別對三種高程情況下崩塌落石的危險性分區(qū)，綜合落石風(fēng)險(落石概率)，崩塌落石區(qū)分區(qū)如下：0～70 m處為Ⅱ區(qū)，危險性大；70～350 m處為Ⅰ區(qū)，危險性極大；350～420 m處為Ⅱ區(qū)，危險性大；420～460 m處為Ⅲ區(qū)，危險性一般；460～602 m處為Ⅳ區(qū)，危險性較??；大于602 m處為Ⅴ區(qū)，無危險。

圖10 甑子巖1-1′剖面危險性分區(qū)圖Fig.10 Hazard zoning map of section 1-1′

3 結(jié)論

(1)面對甑子巖危巖的崩塌落石問題，分析不同高度危巖體對居民區(qū)的危害性，根據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況及現(xiàn)場落石尺寸的統(tǒng)計特征，取最大塊體5 m×5 m×5 m作為危險性分區(qū)的依據(jù)。

(2)采用RocFall軟件對崩塌落石的路徑、運動軌跡、速度、動能等進(jìn)行模擬計算，以此來對崩塌落石區(qū)進(jìn)行風(fēng)險評估和危險性分區(qū)。

(3)通過對甑子巖危巖的落石運動路徑等物理運動狀態(tài)的模擬，分析了落石速度、運動距離、動能、動量等因素的變化情況，以最危險情況考慮危險性分區(qū)，按最危險原則法將崩塌落石的危險性分為Ⅰ危險性極大、Ⅱ危險性大、Ⅲ危險性一般、Ⅳ危險性較小、Ⅴ無危險五個分區(qū)，并將此分區(qū)應(yīng)用于甑子巖危巖體，評價崩子巖危巖體居民區(qū)的落石風(fēng)險及危險性。

(4)根據(jù)上述分析，對甑子巖危巖體東側(cè)居民區(qū)進(jìn)行危險性分區(qū)，并對安置措施提供參考。