营盘山陡崖滚石风险评价

王 星

(贵州省地质环境监测院，贵阳 550000)

1 区域地质概况

营盘山陡崖地处岷江东路北侧地带，在地貌上，大部分位于岷江II级阶地上，最大坡高达110 m，沿坡面走向宽约400 m，坡度一般为60°～70°，最陡高达80°；坡面水平宽度约40～100 m，坡度25°～35°；斜坡前缘由于多年以来的人工采石活动，可见切割成近直立陡坎多处，高20～30 m(图1)。

图1 营盘山陡崖边坡全景Fig.1 Overall view of the Yinpanshan steep slope

2 危岩体失稳概率

2.1 稳定系数

设稳定系数[1]为：

(1)

式中：R为抗滑力；S为下滑力；x1，x2，…xm分别为容重、黏聚力、摩擦系数、孔隙水压力、荷载强度、降雨强度等计算参数，而在实际取值中均有一定的变异性，可视为随机变量，大多服从正态分布和对数正态分布[2]，而本文在正态分布的情形下进行研究。

(2)

在实际应用中，用F0近似作为稳定系数的数学期望E(F)，即：

(3)

(4)

其中，

(5)

2.2 失稳概率

假定稳定系数服从正态分布，取系列的最大可能稳定系数(中值稳定系数)F0和变异系数δF，计算可得最大可能稳定系数在不同变异系数下的失稳概率。例如倾倒式危岩体F0=1.55，δF=0.365 67，由式(4)计算可得Pf=0.165 9；滑移式危岩体F0=1.756 7，δF=0.844 8，由式(4)计算可得Pf=0.305 1；坠落式危岩体F0=11.684 4，δF=0.824 3，由式(4)计算可得Pf=0.133 6。

即倾倒式危岩体的失稳概率为0.165 9，滑移式危岩体的失稳概率为0.305 1，坠落式危岩体的失稳概率为0.133 6。

3 滚石路径模拟

3.1 滚石运动路径计算模型

3.1.1 剖面的选取及滚石运动形式分析

本文选取区内2个典型陡坡剖面为B1-B1、B2-B2剖面进行数值模拟，B1-B1剖面处在花岗石厂采石陡壁段，B2-B2剖面处在印刷厂后方营盘山陡崖处。见图2、图3。

图2 B1-B1剖面边坡简图Fig.2 The section plan of B1-B1

1-崩坡积层(Qcol+dl)；2-冲积层(Q3al)；3-晚三叠纪须家河组(T3x)砂岩；4-粉质黏土图3 B2-B2剖面边坡简图Fig.3 The section plan of B2-B2

3.1.2 计算参数的选取

基于滚石斜坡较陡，现场试验需要消耗大量的时间及人力、物力，而收集到的资料相对局限，运用经验分析也不能较准确地分析滚石的运动特征。因此，本文最终决定采用Rockfall软件[3]来模拟滚石的运动过程。

在假定边坡坡面是单一的连线、滚石为质量均一的球体、不考虑滚石间的相互作用且在撞击后保持完整的前提下，运用数值模拟软件进行模拟。该软件主要考虑岩体形状、初始运动方式、坡面几何形态、法向和切向阻尼系数(Rn、Rt) 及摩擦角等基本参数来模拟其不确定特征，模拟得到滚石运动路径等相关结果，能较好地呈现滚石下落的过程。

本文参照韦启珍等[4]给出的切向、法向阻尼系数(Rt、Rn)建议值和刘前明[5]给出的贵州红黏土的土工实验数据以及王晗旭等[6]给出的相关参数值，确定模拟参数(表1)。由现场调查可知，区内危岩体初始速度很小，因此取初始水平和竖直速度均为0.01 m·s-1。

3.2 模拟过程及结果分析

每个剖面初选滚石数量为 50 个，设定滚石与倒石堆边缘最大块石两者质量相同，为500 kg，块径一般在0.2～0.5 m，初始水平和竖直速度均为0.01 m·s-1。运用Rockfall软件，结合选取的参数，分别针对剖面B1-B1、B2-B2进行模拟，模拟得出的滚石运动路径见图4、图5。

从图4中可以看出，模拟剖面B1-B1滚石60%分布在采石厂附近，滚石运动过程一般为滚动-跳跃-滚动状态。 从图5中可以看出，模拟剖面B2-B2滚石55%分布在河滩附近，滚石运动过程一般为跳跃-滚动-跳跃状态。

图4 B1-B1剖面滚石运动路径模拟Fig.4 The simulation of rolling path of B1-B1 section

图5 B2-B2剖面滚石运动路径模拟Fig.5 The simulation of rolling path of B2-B2 section

4 致灾概率

4.1 建筑区的评价

滚石崩落后，且到达威胁区范围内，即使这样也不能导致灾害，所以要评价致灾后果还得先确定致灾的概率。对于建筑物，无论是住宅、商厦、宾馆还是学校的教学楼都有一定的长度，其与威胁区横向的关系。见图6。

图6 滚石威胁区范围示意图Fig.6 The sketch map of rockfall threat area

通过现场调查可确定威胁区内建筑物的长度，则滚石崩落且抵达建筑物区域内时滚石击中建筑物的概率即为威胁区长度与建筑物长度比值。公式如下：

(6)

式中:PB为建筑物被击中的概率;LW为威胁区横向长度；LB为建筑物总长度。

根据实地考察，B块地所要修建的建筑物径长300 m，而滚石径长4 m，则：

而对于人员来说，假定滚石击中建筑物，且建筑物内有人时击中人的概率Pr=0.5。这是以建筑物内有人为前提下，而建筑物内有人的时间一般来说是确定的，即要考虑时空概率：

(7)

式中：Ps为时空概率，建筑物内有人的概率；T1为年建筑物内有人的时间，营业性的场所如超市、商场等考虑营业时间，住宅考虑在家休息时间，工厂等工作场所考虑上班时间；T为一年总时间。

由于区内是作为城镇小区来规划的，因此对于人员致灾概率：

4.2 公路区的评价

4.2.1 滚石击中行驶中的车辆

(8)

(9)

通过现场调查车速Vc=40 km/h，一天之内通过岷江公路的车辆为200辆。因此

4.2.2 滚石击中行人

对于滚石冲击公路上行人的情形，本文仅考虑徒步行进中的人员，并作以下假设：行人均匀分布于公路上，且在某一阶段内依次不间断的通过某一威胁区；每个行人沿公路占据的长度为LP(m)；行人间距为LPd(m)；行走速度为VP(km/h)；一年内在某一滚石威胁区内行走的时间当量为TP。统计年人流量为QP。这样，滚石崩落击中行人的概率为：

(10)

(11)

通过现场调查VP=6 km/h，一天内通过岷江公路的人数为500人。因此

5 易损性分析

5.1 建筑区的评价

见表2。

表2 易损性[7]Tab.2 The vulnerability

5.2 公路区的评价

滚石直接击中人，死亡概率为1；滚石击中车辆，车内人员死亡概率为0.8，且滚石击中车辆时，根据以往专家经验有0.5的概率击中车内的人员。用Cc表示人员被击中，对于车内乘客Cc=0.5；对于滚石直接击中行人Cc=1。对于车辆本身，滚石小于1 m3击中其易损性为0.3，1～5 m3击中其易损性为0.6，大于5 m3击中其易损性为0.9，易损性用V表示。

6 风险值计算

6.1 建筑物风险值计算

由前文可得滚石平均失稳概率为0.202，根据Rockfall软件模拟的滚石运动路径可得失稳后到达建筑物的概率为0.93，则风险值为：

R=0.202×0.93×0.0133×0.6×0.67

=1.0×10-3

6.2 公路风险值计算

同理，滚石平均失稳概率为0.202，根据Rockfall软件模拟的滚石运动路径可得失稳后到达公路的概率为0.22，则风险值为：

R=0.202×0.22×(0.097×0.5+0.066×1)=5.1×10-3

通过现场调查，可知该区人数为100～1 000人左右，将两种情况下滚石风险值与区内人数代入风险标准图，可以看出这两种情况下的滚石风险值皆处于不可接受风险范围内，需要对其进行控制。见图7。

图7 滚石灾害生命风险标准[8]Fig.7 The life risk standard of rockfall hazard

7 结 论

通过建立正态分布下二元指标体系，分析了区内危岩体的失稳概率，得出区内倾倒式危岩体的失稳概率为0.165 9，滑移式危岩体的失稳概率为0.305 1，坠落式危岩体的失稳概率为0.133 6。

采用Rockfall软件模拟了B1-B1、B2-B2两个剖面滚石的运动路径。

基于以上分析，将研究区分为建筑物区以及公路区对滚石进行了风险评价，结果认为区内滚石风险值处于不可接受范围，因此应该采取相关措施来进行治理。