震裂山體崩塌形成特征及運(yùn)動(dòng)學(xué)三維模擬
——以汶川縣三官?gòu)R村崩塌為例*

黎 尤 何 坤 胡卸文② 劉 波 周瑞宸 文 強(qiáng)

(①西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031，中國(guó))(②西南交通大學(xué)，高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031，中國(guó))

0 引 言

國(guó)內(nèi)外研究主要集中在地質(zhì)構(gòu)造對(duì)危巖崩塌變形破壞機(jī)制的控制(成永剛等，2018；何坤等，2020；孫琪皓等，2021)和崩塌的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治上(趙偉華等，2011；劉洪江等，2012；胡卸文等，2019)。地震作為崩塌的主要觸發(fā)因素，在崩塌的形成上起著重要作用(黃潤(rùn)秋等，2016)。Fan et al.(2019)對(duì)地震地質(zhì)災(zāi)害鏈進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為地震后效應(yīng)主要體現(xiàn)在地震對(duì)斜坡的劣化作用以及同震滑坡、崩塌堆積體在后續(xù)降雨觸發(fā)下形成泥石流災(zāi)害。在震后崩塌研究方面，吳永等(2010)借助斷裂力學(xué)理論以及建模，認(rèn)為余震和降雨是震后裂縫擴(kuò)展的重要因素。成良霞等(2012)在映秀至臥龍公路邊坡崩塌研究中按形成機(jī)理將震后崩塌分為震裂-滑移式、震裂-傾倒式、震裂-潰屈式和震裂-錯(cuò)斷式4種模式。蘇生瑞等(2012)在研究汶川地震后公路邊坡崩塌災(zāi)害的發(fā)育規(guī)律中發(fā)現(xiàn)巖質(zhì)邊坡崩塌占絕大多數(shù)，且大多發(fā)生在40°以上的斜坡。劉洋等(2018)通過(guò)FLAC3D模擬，認(rèn)為在強(qiáng)震和暴雨等極端條件下坡體上部局部失穩(wěn)可能性大。He et al.(2020)研究了震裂山體的啟動(dòng)機(jī)制，認(rèn)為高靜水壓力是震裂山體破壞的重要觸發(fā)因素。以上研究表明，強(qiáng)震區(qū)頻發(fā)的余震、降雨及其相互耦合作用是震后崩塌失穩(wěn)的決定性影響因素。

目前在崩塌的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征方面多是運(yùn)用Rocfall軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，只能選取坡體某一方向上的剖面(二維)作為崩塌的特定路徑，人為控制了崩塌的運(yùn)動(dòng)方向。三維模擬軟件，例如RocPro3D、Rockyfor3D、CRSP等，能在三維空間上模擬崩塌運(yùn)動(dòng)，結(jié)果更加符合實(shí)際。王頌等(2020)在青藏鐵路設(shè)興村段崩塌模擬中對(duì)崩塌塊石的優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并有效評(píng)估了崩塌的影響范圍；鐘焰梨等(2019)根據(jù)模擬軌跡確定崩塌橫向與縱向的危險(xiǎn)影響范圍；劉海洋等(2017)對(duì)山東淄博石門村崩塌進(jìn)行模擬并提出了有效防治建議；Radtke et al.(2014)運(yùn)用三維模擬軟件研究了森林在崩塌落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻礙作用，提出了森林管理方法以便于崩塌災(zāi)害防治；Bourrier et al.(2015)基于三維模擬軟件對(duì)崩塌的模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果和概率分析提出了一種更加合理的防護(hù)欄的設(shè)計(jì)方法。事實(shí)證明，三維模擬軟件相對(duì)于Rocfall在崩塌落石運(yùn)動(dòng)軌跡和影響范圍的二維模擬上更具優(yōu)勢(shì)。

1 危巖崩塌發(fā)育特征及失穩(wěn)模式

1.1 發(fā)育特征

圖1 危巖分區(qū)及巖體結(jié)構(gòu)赤平投影圖

表1 不同危巖區(qū)內(nèi)各危巖帶巖體結(jié)構(gòu)面特征

研究區(qū)在近兩年內(nèi)已經(jīng)發(fā)生兩次崩塌災(zāi)害，其中2018年07月20日發(fā)生崩塌的源區(qū)位于Ⅱ號(hào)危巖區(qū)后部，源區(qū)平面面積約2057 m2，危巖方量約3795 m3(圖2)，2019年08月22日發(fā)生崩塌的源區(qū)位于Ⅰ號(hào)危巖區(qū)底部和Ⅱ號(hào)危巖區(qū)左側(cè)，源區(qū)平面面積3770 m2，危巖方量約5920 m3(圖3)。崩塌落石主要在坡下形成兩處堆積區(qū)，Ⅰ號(hào)堆積區(qū)主要由Ⅰ號(hào)危巖區(qū)和Ⅱ號(hào)危巖區(qū)崩塌堆積形成，堆積體主要以碎塊石為主，落石粒徑差異較大，松散堆積，棱角狀，大小混雜，無(wú)分選，其中塊石粒徑一般為0.5～1.0 m，最大2.0 m。Ⅱ號(hào)堆積區(qū)主要由危巖區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)崩塌堆積形成，堆積體組成以塊碎石為主，松散堆積，棱角-似棱角狀，大小混雜，無(wú)分選，其中塊石粒徑一般為0.5～1.0 m，最大2 m。除以上危巖帶及堆積區(qū)以外，8.22和7.20崩塌造成的崩塌落石受斜坡植被及梯田的阻擋耗能，在斜坡植被和耕地中有部分孤石分布，主要分布位置為Ⅰ號(hào)堆積區(qū)下方和Ⅱ號(hào)堆積區(qū)下方擋墻處，塊徑大小以1.0～2.0 m 為主。

圖2 2018.07.20崩塌源區(qū)

圖3 2019.08.22崩塌源區(qū)

1.2 影響因素

1.3 失穩(wěn)特征

圖4 強(qiáng)震區(qū)危巖崩塌變形破壞各階段示意

圖5 ⅠW1危巖帶剖面圖

圖6 ⅡW2危巖帶剖面圖

2 危巖崩塌運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程模擬

2.1 RocPro3D程序簡(jiǎn)介

RocPro3D是一款用于危巖崩塌的軌跡建模和防護(hù)工程設(shè)計(jì)的三維軟件，通過(guò)導(dǎo)入文件來(lái)構(gòu)建地形，并可定義各區(qū)域的巖土及其物理特性。在落石模擬中，可以指定若干初始起點(diǎn)或區(qū)域來(lái)同時(shí)對(duì)數(shù)百個(gè)不同塊體進(jìn)行計(jì)算，RocPro3D使用概率方法來(lái)反映塊體形狀、巖土特性和地形不規(guī)則性的變化，以此來(lái)計(jì)算塊體運(yùn)動(dòng)軌跡，并得出塊體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量、速度、彈跳高度等圖像(RocPro3D，2014)。

2.2 參數(shù)選取

運(yùn)用RocPro3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬需要確定的參數(shù)主要為兩大類：危巖體特征參數(shù)和巖土體表面特征參數(shù)。危巖體特征參數(shù)包括Shape、d、d/h和ρ，Shape表示危巖體形狀，d表示危巖體直徑，d/h表示危巖體直徑與高度的比值，ρ表示危巖體密度。巖土體表面特征參數(shù)包括回彈參數(shù)、滾動(dòng)參數(shù)和轉(zhuǎn)換參數(shù)?；貜梾?shù)中Rn表示法向恢復(fù)系數(shù)，Rt表示切向恢復(fù)系數(shù)；滾動(dòng)參數(shù)中k表示動(dòng)摩擦系數(shù)；轉(zhuǎn)換參數(shù)中β_lim和β_lim′表示危巖體運(yùn)動(dòng)方式在自由落體和滾動(dòng)之間轉(zhuǎn)換的極限角度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查已崩塌形成堆積區(qū)的塊石以及潛在危巖的形狀、體積來(lái)確定各個(gè)危巖區(qū)的危巖體特征參數(shù)，其中，d、d/h均取平均值(表2)。危巖區(qū)的巖土體表面參數(shù)可分3個(gè)區(qū)域來(lái)進(jìn)行取值(圖7)，在整個(gè)區(qū)域上部為花崗閃長(zhǎng)巖基巖出露，中部為崩積、坡積塊碎石土區(qū)域，下部為耕填碎石土區(qū)域。

表2 各危巖區(qū)危巖體特征參數(shù)

圖7 崩塌落石沿途地層巖性區(qū)域劃分

通過(guò)劃分的3個(gè)區(qū)域特征，并依據(jù)《崩塌防治工程勘察規(guī)范》(T/CAGHP 011-2018)確定動(dòng)摩擦系數(shù)等參數(shù)的取值范圍進(jìn)行試算，模擬獲得塊石沿途堆積分布情況，與已發(fā)生的兩處崩塌堆積區(qū)進(jìn)行對(duì)比(圖8)，模擬結(jié)果可見(jiàn)，兩次崩塌停積位置可分兩部分：一部分粒徑小的塊石在斜坡中下部停積，另一部分粒徑大的塊石沖下坡腳零星分布于梯田和果林區(qū)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果基本吻合。

圖8 危巖崩塌與沿途崩落堆積部位三維空間分布

模擬過(guò)程中，設(shè)置每個(gè)區(qū)域掉落的塊石數(shù)量為100塊，多次模擬最終獲得巖土體表面特征參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 崩塌落石沿途巖土體表面特征參數(shù)

2.3 危巖區(qū)崩塌運(yùn)動(dòng)特征

通過(guò)確定的特征參數(shù)對(duì)各個(gè)危巖區(qū)可能崩塌落石進(jìn)行模擬，設(shè)置每個(gè)危巖區(qū)掉落的塊石數(shù)量為1000塊，得到各危巖區(qū)崩塌后落石堆積分布位置(圖9)。計(jì)算結(jié)果顯示，Ⅰ號(hào)危巖區(qū)崩塌塊石主要沿著該區(qū)左側(cè)凹槽向下滾落，在半坡以及坡腳都有部分堆積，崩塌落石在沒(méi)有防護(hù)情況下可沖入居民建筑物范圍，統(tǒng)計(jì)塊石數(shù)量，到達(dá)概率約為46%；Ⅱ號(hào)危巖區(qū)塊石可沿該區(qū)左右兩側(cè)凹槽分別向下滾落，主體在半坡以及坡腳堆積，有少部分塊石在沒(méi)有防護(hù)情況下會(huì)沖入居民建筑物范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)塊石數(shù)量，到達(dá)概率約為14%。Ⅲ號(hào)危巖區(qū)塊石主要沿該區(qū)坡面直接向下滾落，大部分塊石堆積在坡腳，在沒(méi)有防護(hù)情況下會(huì)沖入居民建筑物范圍，且影響范圍較大，統(tǒng)計(jì)塊石數(shù)量，到達(dá)概率約為34%。Ⅳ號(hào)危巖區(qū)塊石順坡向兩側(cè)滾落，影響范圍大，右側(cè)部分已對(duì)居民建筑造成威脅，左側(cè)部分可能沖入加油站范圍，但基本不會(huì)影響到G213國(guó)道，統(tǒng)計(jì)塊石數(shù)量，到達(dá)概率約為58%。

圖9 基于數(shù)值模擬的各危巖區(qū)崩塌落石堆積空間分布位置示意圖

圖10 危巖區(qū)崩塌落石運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量與彈跳高度數(shù)值模擬空間分布示意圖

圖11 優(yōu)勢(shì)路徑下各區(qū)落石運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量、彈跳高度與運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

(1)三官?gòu)R村高位危巖根據(jù)地形地貌特點(diǎn)在縱向上可以分為4個(gè)危巖區(qū)，且各危巖區(qū)又可以從上到下分為若干危巖帶，各區(qū)危巖主要受卸荷及構(gòu)造節(jié)理控制，影響危巖崩塌的主要影響因素是地震和降雨。