梳妝臺(tái)危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及落石運(yùn)動(dòng)特征研究

王 朋，賈洪彪*，馬淑芝，張子涵，李逸鵬，劉 翠

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430078)

崩塌是陡坡或陡崖上的危巖體因發(fā)生失穩(wěn)破壞脫離母體下落的一種山地地質(zhì)災(zāi)害。崩塌落石涉及的巖體方量較小，但其具有速度快、能量高、爆發(fā)突然、分布范圍廣、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，往往會(huì)對(duì)人民生命及財(cái)產(chǎn)安全和交通線路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)平均每年發(fā)生崩塌災(zāi)害多達(dá)2 000余次，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[4]。因此，研究崩塌的形成條件、運(yùn)動(dòng)特征，從而評(píng)價(jià)危巖體的穩(wěn)定性以及預(yù)測(cè)其危害性對(duì)危巖體崩塌防治工程建設(shè)具有重大意義。

近年來，已有較多學(xué)者紛紛開展了針對(duì)危巖體穩(wěn)定性的研究工作，并取得了一系列成果。在危巖體穩(wěn)定性影響因素方面，陳洪凱等[5]、樊維等[6]研究認(rèn)為月球引潮力、晝夜溫差效應(yīng)、植物根劈作用對(duì)危巖穩(wěn)定性具有顯著的影響；Aydan[7]、Wang等[8]著重考察了地震對(duì)危巖體穩(wěn)定性的影響。在危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，陳帆等[9]、Shi等[10]分別采用極射赤平投影法、圓弧圖表法和塊體離散元法(DEM)對(duì)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；李世明等[11]、趙健等[12]分別采用極限平衡法、三維嚴(yán)格極限平衡法和3DEC離散元方法開展了巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)危巖體崩落后的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究，如賀鵬[13]利用RocFall軟件對(duì)邊坡落石運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了模擬研究，得到了落石的運(yùn)動(dòng)特征和崩落威脅范圍，并由此提出了防治建議；周月智等[14]結(jié)合RocFall和DDA軟件研究了地震作用下落石的運(yùn)動(dòng)特征，得到了巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的貫通時(shí)間、峰值速度、水平位移等與地震波峰值加速度之間的關(guān)系；Nagendran等[15]通過室內(nèi)試驗(yàn)與RocFall軟件模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了室內(nèi)試驗(yàn)在落石評(píng)價(jià)中的適用性，并標(biāo)定了彈跳塊體的關(guān)鍵參數(shù)恢復(fù)系數(shù)；Gallo等[16]利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)和數(shù)值模擬再現(xiàn)了落石的運(yùn)動(dòng)路徑。

上述研究雖然從各個(gè)方面對(duì)危巖體穩(wěn)定性和落石運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究分析，但是針對(duì)危巖體破壞模式對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征的影響研究還較少。值得注意的是，危巖體破壞模式?jīng)Q定了落石運(yùn)動(dòng)的初始條件(水平速度、角速度、落石質(zhì)量等)，落石運(yùn)動(dòng)特征決定了防治措施的合理選取。因此,研究危巖體破壞模式對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征的影響，對(duì)危巖體防治工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

為此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以武當(dāng)山梳妝臺(tái)危巖體為研究對(duì)象，通過地質(zhì)調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬等手段，開展了危巖體破壞模式分析、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和落石運(yùn)動(dòng)特征研究，并通過對(duì)比分析不同危巖體破壞模式下落石的運(yùn)動(dòng)特征，為選取相應(yīng)的防治措施提供理論指導(dǎo)，同時(shí)為相似危巖體防治工程提供參考。

1 危巖體工程概況

梳妝臺(tái)危巖體位于武當(dāng)山飛升崖梳妝臺(tái)頂部，見圖1。梳妝臺(tái)危巖體邊坡平均坡度約為70°，坡面上部基巖裸露，下部為植被覆蓋，坡腳處為游客通道，可見小塊巖石散落，推測(cè)有局部小塊巖石崩落。梳妝臺(tái)危巖體整體向外凸出，長(zhǎng)為3.3 m，寬為0.8～1.9 m，高為4.9 m，危巖體頂標(biāo)高為921.4 m，底標(biāo)高為916.5 m。該危巖體由微風(fēng)化灰綠色綠泥鈉長(zhǎng)石英片巖(以下簡(jiǎn)稱綠片巖)構(gòu)成，卸荷裂隙與層間裂隙均發(fā)育，主要包括兩組控制性節(jié)理：節(jié)理J1近平行于臨空面，產(chǎn)狀為342°∠66°，長(zhǎng)度約為4 m，張開度為5～70 mm,巖體表面未見明顯充填物，但有灌木由裂隙中生長(zhǎng)，推斷內(nèi)部有泥質(zhì)填充物，裂隙面形態(tài)似弓形，略彎曲，裂面較粗糙，構(gòu)成潛在的破裂結(jié)構(gòu)面，且植物根系發(fā)育易引起巖體失穩(wěn)破壞；節(jié)理J2與節(jié)理J1成大角度相交，產(chǎn)狀為175°∠18°，裂隙長(zhǎng)度約為2.9 m，張開度小，無填充，裂隙面兩側(cè)巖體明顯錯(cuò)動(dòng)。梳妝臺(tái)危巖體工程地質(zhì)剖面圖，見圖2。

圖1 武當(dāng)山梳妝臺(tái)危巖體側(cè)視圖Fig.1 Side view of the unstable rock block in Shuzhuangtai in Wudang Mountain

圖2 梳妝臺(tái)危巖體工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological section of the unstable rock block in Shuzhuangtai

2 危巖體穩(wěn)定性影響因素及破壞模式分析

2. 1 危巖體穩(wěn)定性影響因素分析

危巖體發(fā)育有其特殊的環(huán)境巖土工程條件，是地形地貌、地震和地下水等多因素耦合的結(jié)果。危巖體穩(wěn)定性影響因素總體上可分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要指危巖體巖性結(jié)構(gòu)，外因包括植物根劈、降雨、地震、人類活動(dòng)等作用[17]。

(1) 危巖體巖性結(jié)構(gòu)。梳妝臺(tái)危巖體主要受節(jié)理J1的影響，該節(jié)理走向與臨空面走向相近，成小角度相交，節(jié)理J1傾角、長(zhǎng)度、張開度均較大，且危巖體整體突出懸空，利于崩塌體形成；節(jié)理J2長(zhǎng)度、張開度較小，但延伸至危巖體臨空面，形成上部巖體傾倒或滑移的軟弱面。節(jié)理J1與節(jié)理J2共同切割危巖體，形成不穩(wěn)定危巖體巖性結(jié)構(gòu)。此外，層理在坡體臨空面形成多處小規(guī)模危巖塊體，多呈臨空狀態(tài)，受外界擾動(dòng)時(shí)極易引發(fā)落石災(zāi)害。

(2) 植物根劈作用。梳妝臺(tái)危巖體表面及裂隙中可見大量植物生長(zhǎng)，以灌木為主，根系沿節(jié)理裂隙深入生長(zhǎng)，破壞巖體結(jié)構(gòu)完整性，降低危巖體穩(wěn)定性，致其易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3) 降雨作用。梳妝臺(tái)危巖體裂隙底部連接處滲透性差，雨水不易排出，容易形成容水空間。由于瞬時(shí)靜水壓力效應(yīng)，當(dāng)靜水壓力超過其允許值時(shí)，裂隙外側(cè)巖體將脫離母體，極大地降低危巖體的穩(wěn)定性；同時(shí)，雨水對(duì)危巖體裂隙內(nèi)填充的碎屑、泥質(zhì)具有明顯的軟化作用，雨水流動(dòng)可能會(huì)帶走一部分細(xì)粒物質(zhì)，進(jìn)一步降低巖體的強(qiáng)度。

(4) 地震作用。地震是危巖體發(fā)生崩塌破壞的誘發(fā)因素，在地震水平作用力下，危巖體結(jié)構(gòu)面將會(huì)快速擴(kuò)展，危巖體會(huì)產(chǎn)生較大的位移，形成崩塌災(zāi)害。武當(dāng)山大部分地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，但該地區(qū)靠近南部的竹山、竹溪為抗震設(shè)防烈度Ⅶ度區(qū)，考慮到國(guó)寶文物的重要性，在后期分析時(shí)，地震設(shè)防烈度提高1度即按Ⅶ度考慮。

(5) 人類活動(dòng)。武當(dāng)山為旅游景區(qū)，人為荷載、修筑景區(qū)道路、建筑等人類活動(dòng)會(huì)對(duì)危巖體造成一定的擾動(dòng)，從而降低其穩(wěn)定性。

煤油共煉技術(shù)在得到輕、中質(zhì)油品外，同時(shí)還有一些些烴類氣體、固液分離過程產(chǎn)生煤油共煉殘?jiān)ㄓ址Q瀝青砂）和工藝水產(chǎn)生。瀝青砂一般約占進(jìn)料量的7%～15%。瀝青砂在室溫下的外觀狀態(tài)成固體瀝青狀或粘稠油漿。對(duì)瀝青砂的合理化利用，是煤油共煉技術(shù)的又一研究方向[6-10]。

2. 2 危巖體破壞模式分析

2.2.1 沿節(jié)理裂隙面滑移崩落

根據(jù)梳妝臺(tái)危巖體坡面、層理面、節(jié)理J1、節(jié)理J2傾向和傾角繪制了赤平投影圖(下半球投影)，見圖3。

圖3 梳妝臺(tái)危巖體赤平投影分析圖Fig.3 Stereographic projection of the unstable rock block in Shuzhuangtai

由圖3可見：梳妝臺(tái)危巖體層理面、節(jié)理J1與坡面為內(nèi)傾關(guān)系，兩者交線傾向也與坡面傾向相反，可知三者組合屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)可能性??；節(jié)理J2與坡面傾向一致，但傾角及張開度均較小，發(fā)生滑動(dòng)的可能性較小。

綜上所述，梳妝臺(tái)危巖體發(fā)生沿節(jié)理裂隙面滑移崩落的可能性較小。

2.2.2 隨機(jī)塊體崩落

梳妝臺(tái)危巖體表面在層理裂隙切割及風(fēng)化作用下，發(fā)育了多處小規(guī)模危巖塊體，部分危巖塊體臨空，重心位于危巖體臨空面外，穩(wěn)定性較差，且已有小塊危巖崩落發(fā)生，進(jìn)一步發(fā)生隨機(jī)塊體崩落的可能性極大[18]。

2.2.3 沿節(jié)理裂隙面拉裂-傾倒破壞

在滲水軟化、植物根劈作用下，危巖體強(qiáng)度將持續(xù)降低，更易發(fā)育裂隙，加速危巖體演化過程，致使梳妝臺(tái)危巖體縱向節(jié)理J1不斷擴(kuò)展。最終，在巖體自重、降雨、地震等內(nèi)外因素綜合作用下將會(huì)導(dǎo)致巖體與母體完全脫離，呈現(xiàn)拉裂-傾倒破壞模式。

3 危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3. 1 危巖體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DB 50/T 143—2018)，對(duì)于梳妝臺(tái)危巖體這一類由后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制，且危巖體重心在傾覆點(diǎn)之外的情況，采用下面公式(1)計(jì)算其穩(wěn)定性：

(1)

式中：F為危巖體穩(wěn)定性系數(shù)；h為危巖體的后緣裂隙深度(m)；hw為危巖體的后緣裂隙充水高度(m)；H為危巖體的后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離(m)；W為危巖體自重(kN/m)；Q為地震力(kN/m)；h0為危巖體重心到傾覆點(diǎn)之間的垂直距離(m)；a為危巖體重心到傾覆點(diǎn)之間的水平距離(m)；b為危巖體的后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離(m)；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.4的折減系數(shù)確定；α為危巖體與基座接觸面之間的傾角(°)，外傾時(shí)取正值，內(nèi)傾時(shí)取負(fù)值；β為危巖體后緣裂隙傾角(°)；V為危巖體的后緣裂隙靜水壓力(kN/m)。

危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用下列3種工況:①天然工況，自重+裂隙水壓力(天然狀態(tài))；②暴雨工況，自重+裂隙水壓力(暴雨?duì)顟B(tài))；③地震工況，自重+裂隙水壓力(天然狀態(tài))+地震力(地震狀態(tài))。危巖體的破壞方式為危巖體重心在傾覆點(diǎn)之外的傾倒破壞。

參照臧浩等[19]的模擬研究，危巖體穩(wěn)定性極限平衡法計(jì)算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)范折算綜合確定，見表1。其中，天然工況時(shí)取三分之一孔隙水柱高計(jì)算巖體的后緣裂隙靜水壓力；暴雨工況時(shí)取三分之二孔隙水柱高計(jì)算巖體的后緣裂隙靜水壓力。梳妝臺(tái)危巖體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，見表2。

表1 梳妝臺(tái)危巖體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

表2 梳妝臺(tái)危巖體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本工程的安全等級(jí)為一級(jí)。按危巖體穩(wěn)定性系數(shù)F來判斷危巖體穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，應(yīng)符合以下規(guī)定：F<1.00表示危巖體為不穩(wěn)定狀態(tài)；1.00≤F<1.25表示危巖體為欠穩(wěn)定狀態(tài)；1.25≤F<1.50表示危巖體為基本穩(wěn)定狀態(tài)；F≥1.50表示危巖體為穩(wěn)定狀態(tài)。

由表2可知：在天然工況下梳妝臺(tái)危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.55，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下梳妝臺(tái)危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.10，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下梳妝臺(tái)危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)為0.92，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易失穩(wěn)破壞。

3.2 危巖體3DEC數(shù)值模擬

3.2.1 數(shù)值模型建立與參數(shù)選取

采用離散元軟件3DEC建立梳妝臺(tái)危巖體數(shù)值模型，見圖4。梳妝臺(tái)危巖體巖石及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值綜合確定，具體取值見表3。

圖4 梳妝臺(tái)危巖體3DEC數(shù)值模型Fig.4 3DEC numerical model of the unstable rock block in Shuzhuangtai

表3 梳妝臺(tái)危巖體巖石及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取值

天然工況下，梳妝臺(tái)危巖體未受到外界干擾，僅有自重應(yīng)力作用于危巖體；暴雨工況下，選取飽和狀態(tài)下巖體相關(guān)參數(shù)；地震工況下，通過從模型底部輸入正弦剪切波模擬地震條件，動(dòng)力輸入持續(xù)時(shí)間設(shè)置為1 s。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在危巖體頂部，監(jiān)測(cè)參數(shù)為危巖體頂部水平方向(x方向)的位移和垂直方向(z方向)的位移。

3.2.2 不同工況下危巖體位移模擬結(jié)果分析

不同工況下梳妝臺(tái)危巖體頂部總位移云圖見圖5，天然、暴雨和地震工況下梳妝臺(tái)危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線見圖6和圖7。

圖5 不同工況下梳妝臺(tái)危巖體頂部總位移云圖Fig.5 Displacement magnitude at the top of the unstable rock block in Shuzhuangtai under different working conditions

圖6 天然和暴雨工況下梳妝臺(tái)危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn) 位移時(shí)程曲線Fig.6 Displacement time history diagram of monitoring points at the top of the unstable rock block in Shuzhuangtai under natural and rainstorm conditions

圖7 地震工況下梳妝臺(tái)危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.7 Displacement time history diagram of monitoring points at the top of the unstable rock block in Shuzhuangtai under earthquake conditions

由圖5、圖6和圖7可以看出：

(1) 天然工況下，梳妝危巖體頂部位移量較小，最大位移為1.25 cm，且位移較大區(qū)域集中在危巖體頂部[見圖5(a)]，這與實(shí)際情況較為符合；同時(shí)，x方向和z方向位移最初隨時(shí)步增加而增加，最后分別收斂至最大位移1.06 cm和0.64 cm(見圖6)。3DEC模擬結(jié)果表明：天然工況下，隨著步程的增加，梳妝臺(tái)危巖體內(nèi)部較小裂隙并不會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，危巖體整體結(jié)構(gòu)依舊處于穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生崩塌。

(2) 暴雨工況下，梳妝臺(tái)危巖體頂部位移量相比天然工況有顯著的增加，最大位移為3.55 cm，最大位移區(qū)域仍集中在危巖體頂部[見圖5(b)]；此外，x方向和z方向最大位移量分別為3.06 cm和1.24 cm(見圖6)，較天然工況均有較大增加。3DEC模擬結(jié)果表明：暴雨工況下，隨著時(shí)步的增加，梳妝臺(tái)危巖體拉裂深度將進(jìn)一步增加，危巖體整體結(jié)構(gòu)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，崩塌發(fā)生的可能性增大。

(3) 地震工況下，梳妝臺(tái)危巖體頂部位移云圖與天然工況、暴雨工況有明顯的區(qū)別[見圖5(c)]，在施加地震荷載后，危巖體的后緣裂隙完全裂開，危巖體已經(jīng)脫離母巖，發(fā)生拉裂-傾倒破壞。由梳妝臺(tái)危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(見圖7)可知，危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)x及z方向位移均不收斂，且位移-時(shí)程曲線的斜率逐漸變大。3DEC模擬結(jié)果表明：地震工況下，施加地震荷載初期梳妝臺(tái)危巖體總位移變化較小，隨著時(shí)步的增加，危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移迅速增加，危巖體整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞，崩塌隨之發(fā)生。

4 落石運(yùn)動(dòng)特征分析

危巖體崩落后主要以落石的形式沿坡面向下滾動(dòng)、跳躍、滑動(dòng)[20-21]，對(duì)坡下的游客通道安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文根據(jù)梳妝臺(tái)危巖體邊坡實(shí)際情況進(jìn)行了合理概化，建立了連續(xù)的折線形邊坡計(jì)算模型。在落石運(yùn)動(dòng)路徑分析時(shí)，使用RocFall軟件模擬了危巖體落石的運(yùn)動(dòng)過程，得到落石在坡面運(yùn)動(dòng)過程中沖擊動(dòng)能、彈跳高度和運(yùn)動(dòng)速度的變化規(guī)律。

梳妝臺(tái)危巖體對(duì)游客通道安全性的威脅包括危巖體整體崩塌和隨機(jī)危巖塊體的崩落兩種破壞模式，但整體崩塌落石和隨機(jī)落石的數(shù)量及危險(xiǎn)性存在明顯的差異，因此可對(duì)比分析不同危巖體破壞模式下落石運(yùn)動(dòng)特征的異同。

4.1 RocFall軟件模擬計(jì)算參數(shù)確定

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，設(shè)置危巖體體積為10 m3，初始運(yùn)動(dòng)位置為傾倒點(diǎn)。對(duì)于隨機(jī)落石，根據(jù)坡腳平臺(tái)處落石體積統(tǒng)計(jì)平均值，設(shè)置小規(guī)模崩落塊石為體積0.01 m3的球體，密度為2.55 g/cm3。整體崩塌落石為傾倒破壞，初始角速度取為20 rad/s，速度為0。隨機(jī)落石初始運(yùn)動(dòng)視為自由落體，初始速度及角速度均取為0。落石路徑坡面段的材料參數(shù)直接影響落石的崩落速度和彈跳高度等，目前RocFall軟件內(nèi)置的經(jīng)驗(yàn)值表受到廣泛的認(rèn)可[22-23]，本文即基于此進(jìn)行取值，坡面參數(shù)切向恢復(fù)系數(shù)(Rt)和法向恢復(fù)系數(shù)(Rn)的取值見表4。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，RocFall軟件模擬計(jì)算參數(shù)的取值見表5。

表4 坡面恢復(fù)系數(shù)取值

表5 RocFall軟件模擬計(jì)算參數(shù)取值

4. 2 落石運(yùn)動(dòng)路徑與防護(hù)分析

將坡體上部設(shè)置為基巖表面，下部為有植被覆蓋的崩塌堆積體，游客通道設(shè)置為崩塌堆積體，利用RocFall軟件模擬得到了落石的運(yùn)動(dòng)路徑，見圖8。圖8中橫坐標(biāo)為落石運(yùn)動(dòng)水平距離，縱坐標(biāo)為高程，單位均為m，為了使圖像更直觀，將游客通道位置設(shè)置為橫、縱坐標(biāo)零點(diǎn)。

圖8 落石運(yùn)動(dòng)路徑的RocFall軟件模擬結(jié)果Fig.8 Rocfall simulation results of Rockfall motion path

由圖8可知：危巖體崩塌后，先做自由落體運(yùn)動(dòng)，落至坡面后發(fā)生第一次碰撞，經(jīng)過多次跳躍滾動(dòng)，隨機(jī)落石最終在緩坡平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，落石最遠(yuǎn)影響范圍為游客通道外側(cè)30 m;然而，整體崩塌落石則還具有一定的速度，繼續(xù)向前跳躍或滾動(dòng)。整體崩塌落石和隨機(jī)落石均有較大概率落至游客通道，說明危巖體兩種破壞模式均對(duì)游客通道安全性具有威脅。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，游客通道內(nèi)外側(cè)分布有較小塊徑落石，為前期崩落堆積，與模擬結(jié)果吻合。

兩種破壞模式下落石距坡面高度、運(yùn)動(dòng)速度和總動(dòng)能隨落石運(yùn)動(dòng)水平距離的變化曲線，見圖9。

圖9 兩種破壞模式下落石距坡面高度、運(yùn)動(dòng)速度和總 動(dòng)能隨落石運(yùn)動(dòng)水平距離的變化曲線Fig.9 Bounce height,translational velocity and total kinetic energy with horizontal distance of rock movement two failure modes

由圖9(a)可知：兩種破壞模式下落石距坡面高度在相近落石運(yùn)動(dòng)水平距離處有相似的3個(gè)峰值，分別位于AB段邊坡中段、BC段邊坡中段和緩坡平臺(tái)中段，即兩者發(fā)生彈跳的位置接近，但整體崩塌落石具有更大的彈跳高度；在坡腳平臺(tái)處，整體崩塌落石的彈跳高度遠(yuǎn)大于隨機(jī)落石的彈跳高度，而這兩種破壞模式的初始條件主要不同在于落石質(zhì)量和落石初始角速度，冉麗洪等[24]的研究證明落石質(zhì)量對(duì)彈跳高度的影響不明顯，由此可知落石初始角速度的增加會(huì)增加其在坡腳平臺(tái)處的彈跳高度。

由圖9(b)、(c)可知：由于重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，落石運(yùn)動(dòng)速度及動(dòng)能在下落過程中總體上逐步增大；在與坡面發(fā)生碰撞處，落石部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，其速度及動(dòng)能均有明顯降低，落石落至坡腳后，落石運(yùn)動(dòng)速度及總動(dòng)能呈下降趨勢(shì)。由于落石初始角速度和落石質(zhì)量的不同，整體崩塌落石在坡腳平臺(tái)處運(yùn)動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，其速度及動(dòng)能消減速度慢于隨機(jī)落石，若擬建防治工程位置距坡腳較遠(yuǎn)，則落石破壞模式對(duì)防治措施的選取具有較大的影響。

總體上看，初始角速度和落石質(zhì)量對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征的影響主要體現(xiàn)在坡腳平臺(tái)處運(yùn)動(dòng)階段。整體崩塌落石距坡面的最大高度為12.3 m，最大運(yùn)動(dòng)速度為35.6 m/s，最大沖擊動(dòng)能為18 070 kJ;隨機(jī)落石距坡面的最大高度為6.3 m，最大運(yùn)動(dòng)速度為32.9 m/s，最大沖擊動(dòng)能為14.9 kJ。可見，整體崩塌落石較隨機(jī)落石在坡腳平臺(tái)處有更大的沖擊動(dòng)能、彈跳高度和運(yùn)動(dòng)距離。

4. 3 防治措施建議

由于武當(dāng)山為國(guó)家級(jí)旅游景區(qū)，梳妝臺(tái)本身具有一定的文物價(jià)值，因此不能簡(jiǎn)單地采取清除危巖的治理措施。梳妝臺(tái)由于地形陡峻，危巖體位于直立陡崖頂部，沖擊動(dòng)能巨大，防治難度高，目前情況下采取工程加固措施治理缺乏施工條件，且該處危巖基本上不危及周圍主建筑，因此可暫時(shí)不采取工程加固措施，以監(jiān)測(cè)、觀察預(yù)警為主，但需要對(duì)靠近梳妝臺(tái)頂部的裂隙進(jìn)行封堵。由于隨機(jī)落石數(shù)量多，威脅范圍大，但沖擊動(dòng)能較小，因此可在游客通道內(nèi)側(cè)設(shè)置被動(dòng)式SNS防護(hù)網(wǎng)。該防護(hù)網(wǎng)位置和高度可參考落石彈跳高度隨落石運(yùn)動(dòng)水平距離的變化曲線，將5.0 m高防護(hù)網(wǎng)設(shè)置在游客通道內(nèi)側(cè)3.7 m處，此處坡度稍緩，落石距坡面最大高度為4.1 m。使用RocFall軟件模擬被動(dòng)式SNS防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)效果見圖10。

圖10 被動(dòng)式SNS防護(hù)網(wǎng)的RocFall軟件模擬效果圖Fig.10 Simulation effect drawing of passive SNS protective net

由圖10可見,落石全部被攔截于防護(hù)網(wǎng)處，說明設(shè)置的被動(dòng)式SNS防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)效果較好。

5 結(jié) 論

本文基于極限平衡法和3DEC數(shù)值模擬對(duì)武當(dāng)山梳妝臺(tái)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)基于RocFall軟件研究了落石運(yùn)動(dòng)特征，得到以下結(jié)論：

(1) 梳妝臺(tái)危巖體破壞模式主要是隨機(jī)塊體崩落和巖體后緣裂隙發(fā)育下的拉裂-傾倒破壞。

(2) 基于極限平衡計(jì)算和3DEC數(shù)值模擬的梳妝臺(tái)危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果均表明：在天然和暴雨工況下，危巖體基本穩(wěn)定；在地震工況下，危巖體將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3) RocFall軟件模擬結(jié)果表明：梳妝臺(tái)危巖體兩種破壞模式對(duì)落石運(yùn)動(dòng)特征的影響主要體現(xiàn)在坡腳平臺(tái)處運(yùn)動(dòng)階段，落石初始角速度的增加會(huì)顯著增加其在坡腳平臺(tái)處的彈跳高度，同時(shí)整體崩塌落石較隨機(jī)落石在坡腳平臺(tái)處有更大的沖擊動(dòng)能、彈跳高度和運(yùn)動(dòng)距離。

(4) 結(jié)合模擬結(jié)果，建議對(duì)整體崩塌落石暫不采取工程加固措施，以監(jiān)測(cè)、觀測(cè)預(yù)警為主；而對(duì)于隨機(jī)落石，可在游客通道內(nèi)側(cè)3.7 m處設(shè)置高度為5.0 m的被動(dòng)式SNS防護(hù)網(wǎng)，即可取得較好的防護(hù)效果。