单体危岩危险性评价与防治建议——以云南省大关县危岩体为例

蔡向阳 ,铁永波 ,徐伟 ,王帅

(1.中国地质科学院，北京 100037；2.中国地质大学(北京)，北京 100083； 3.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081)

危岩落石具有随机性、隐蔽性、突发性等特点，其危害性不逊色于滑坡、泥石流[1]。以某典型岩质崩塌为例采用运动学原理对落石的运动特征量进行了分析计算[2]。根据5种常见的落石运动形式，提出了落石运动轨迹的新方法[3]。对宝成铁路K400+000～K400+170段的崩塌体落石进行飞行弹跳计算，采用了数值模拟的方法进行验证[4]。采用运动学原理计算了崩塌落石运动特征，用Rockfall软件进行模拟验证，并提出了相应的治理方案[5]。以单体崩塌为例进行了较为详尽的定量分析评价[6]。本文主要采用半定量打分表结合极限平衡理论计算特征危岩体稳定性系数，采用理论计算和Rockfall数值模拟软件与野外调查相互验证对危岩体潜在威胁范围进行确定，从而对其进行危险性评价。

1 吉利后山危岩概况

该崩塌处于云南省大关县吉利镇后山，地理位置E104.007456，N28.004249，危岩体下方为吉利场镇，位于S235左侧，下临大关河。该崩塌坡脚高540 m，危岩分布高程为540～585 m ，最大崩落高程45 m。该崩塌志留系中统嘶风崖组(S2s)薄层-中层灰黄色粉砂岩(厚约20～100 cm )夹厚约8 cm泥质灰岩(图1)，下部为大关河Ⅱ级阶地，分选较差，粒径在2～8 cm为主，大者可达60 cm(图2)。主要受到北东向吉利背斜的控制。岩层产状为66°∠31°，发育两组节理L1:126°∠83°，延伸1～2.5 m，L2:46°∠24°，延伸约20～60 cm ，L1、L2裂隙面平直，局部可见泥质填充，岩体切割破碎严重，部分裂隙已贯通发育(图4)，形成危岩体(图3、图6)。从现场调查来看，危岩体上存在几处典型的危岩，其裂隙已贯通，存在崩落的可能，观察危岩1尺寸:

图1 夹层

图2 河流阶地

图3 威胁房屋(部分)

图4 已贯通裂隙

图5 赤平投影图

图6 危岩体全貌

2 m×3 m×1 m。临空面约108°，从其可能运动方向来看，其受到临空面的影响，左侧为由薄层泥质灰岩形成的凹形坡体，使得该危岩体在一定程度有向左侧倾倒的趋势，可能主崩方向为168°(图7)，因此认为其在整体上属于倾倒式危岩，局部块石为坠落式危岩。

对此崩塌体节理裂隙进行了赤平投影分析，如图5。

图5显示：层面与L1、L2交线均位于坡面大圆内，表明层面与L1、层面与L2结构面的组合交线的倾角比坡面的倾角陡；层面与L1、L2共同作用将岩体切割为楔形体，在降雨、地震等作用下极易发生崩塌，处于不稳定状态。

2 吉利后山危岩危险性分析

2.1 半定量危险性评价

本文采用美国Pierson(1990)提出的一套针对公路崩塌落石风险评估准则，在此基础上结合吉利后山崩塌实际孕育环境评价指标进行了调整，以期得到较为合理的半定量评价结果。依据落石灾害特征及相应影响因素条件，对各项影响因素进行定量分值评价见表。具体的评分表如下(表1)。

1.志留系嘶风崖组；2.第四系崩坡积物；

注:*表示该边坡在表中对应属性

落石到达威胁对象区域可能性因子为IP，则其可按下式计算出:

(1)

式中,IPi为第i个影响因子量化评分值；n为影响因子个数。求出IP值后，将其转换成危岩发生崩落灾害的经验概率(P)，与危岩稳定性系数对应，具体见表2、表3。

按照上述方法，得到吉利后山危岩IP=(9+9+27+9+9+27+9+9+3+9+9)/10=11.4，按内插法计算可得P=0.912，表明其处于欠稳定状态，具有较大的危险性。而从野外调查来看，在坡脚附近观察到大小不一的块石堆积，且有居民房屋曾受损。该处危岩崩塌发生概率在0.5～0.9之间，与上述所采用的半定量评价方法较好吻合。

表2 落石到达威胁区域可能性概率[7, 8]

注：:可按内插法确定

表3 危岩崩落经验概率

2.2 威胁范围

吉利后山危岩主要威胁吉利镇12户40人居民及场镇过往行人车辆，该处危岩距居民房屋最近水平距离约8 m，而此处崩塌时常有崩落块石的现象，因此确定其威胁范围对于当地居民的生命财产安全有重大意义。危岩落石威胁范围主要由崩落块石的运动速度、弹跳高度等参数来决定，本质上说来是由其崩落块石的能量来控制的，而这又受到如斜坡特性(坡高、坡度、坡形)、下垫面特征(厚度、弹塑性)、块石特征(形状、尺寸)等崩塌实际孕育环境的限制[9](图8)。目前确定危岩崩落范围主要有4种方法:数值模拟法、理论计算法、现场调查法以及物理试验等[10]。杨乐等利用坡面相似材料物理模拟危岩崩落的影响范围[11, 12]。焦为在文中基于Rockfall软件与理论计算的方法对两处危岩崩塌最大影响范围进行了预测[13]。本文拟采用理论计算法结合野外调查的结果来确定崩落范围，与Rockfall模拟结果相互验证，从而为易损性评价奠定基础。

2.2.1 理论计算

崩塌落石主要的运动模式有4种：滚动、滑动、碰撞、飞跃。在落石的实际运动过程中，大多以4种方式复合运动，鉴于实际运动的复杂性，对其运动做以下简化：①忽略空气阻力的影响；②忽略冲击力对边坡坡形的影响；③忽略碰撞过程中的破碎和能量转换等。

(1) 落石速度计算

落石脱离岩体初始运动，主要受到重力和坡面阻力的作用，其运动速度

(2)

式中,K为落石沿坡体运动所受的综合阻力特性系数，可参考文献[5]而得；H为块石坠落高差(m)；g为重力加速度(m·s-2)；α为坡体坡度(°)。

表4 崩塌落石速度结果

(2) 落石弹跳高度计算

落石运动到下一斜坡段时，由于速度和角度较大，将会出现弹跳运动，其运动轨迹的曲线方程可根据运动学原理进行计算。

(3)

(4)

(5)

(3) 落石冲击能量计算

根据运动学原理可得

(6)

野外调查发现坡脚堆积块石粒径多在1～1.5 m，落石密度取2 650 kg·m3，落石质量取2 000 kg，考虑冲击能量最危险的情况，因此代入数据计算可得E=30.05 KJ。

(4) 横向运动距离计算

一般说来，危岩威胁范围可以从纵向和横向两个方面来确定。杨乐在文中分别就影响崩塌落石横向和纵向威胁范围的因素(如岩块尺寸、斜坡坡度、坡高等)进行了讨论[11, 12]。叶四桥从落石形状、质量等角度讨论了落石纵向运动距离；从落石形状、质量、运动模式等角度研究了对偏移比的影响[14]，而偏移比便是横向运动范围确定的重要因素(偏移比定义为落石停止点偏移运动坡面的距离同等效坡长的比值)。

(7)

式中,S为斜坡长度；D为横向偏移距离；η为偏移比。

图8 落石威胁区示意图

在前述过程中可以确定出落石的运动路径，能反应选定剖面的水平方向上的最远运动距离，也即纵向运动距离。那么结合偏移比这一特征参数便可确定出威胁的横向范围。根据叶四桥[8]在文中建议的η取值，因此取η=0.25，其中S=118 m，因此算得D=29.5 m。那么则可根据上述计算对居民聚集地以纵向118 m、横向29.5 m圈定重点危险区，并采取适当的工程措施。

2.2.2 Rockfall数值模拟

在理论计算的基础上，采用Rockfall软件对坡面上落石的运动状态进行模拟。块石选定粒径1～3 m，样本数为50个，质量为2 000 kg，假设落石初始状态静止。崩塌落石的运动路径见图9。选取主崩方向为剖面进行模拟，从坡顶到坡脚依次为基岩、第四系覆盖物，对其进行A～G编号，斜坡各段参数详见表6。

表6 落石运动数值模拟参数

从图9中可以看到落石在各段斜坡上的运动有滚动、滑动、跳跃、飞跃等，最后模拟的块石大多停留在斜坡较缓处，即居民房屋处，严重威胁居民的生命财产安全。由图10～图12可知，落石自AB段开始运动至BC段C点处特征量为：落石的弹跳高度为0.33 m，落石速度为15.31 m·s-1，落石冲击能量为30.17 KJ。与理论计算对比见表7。

图9 落石运动路径

图10 总能量随水平距离的变化

图11 速度随水平距离的变化

图12 弹跳高度随水平距离的变化

计算方法弹跳高度/m运动速度/m·s-1冲击能量/KJRockfall0.3315.3130.17理论计算0.3815.3830.05绝对误差-0.05-0.070.12相对误差0.151 50.004 60.004 0

综上所述，Rockfall模拟落石运动轨迹与特征运动量与理论计算出的数据较为接近，说明Rockfall能够客观地反映崩塌落石运动规律，也说明理论计算的正确性，进一步可为工程治理提供相应的参考。

2.3 典型危岩体稳定性系数计算

吉利后山危岩临空条件好，呈现出高陡的特征，因此选取临空面1处典型危岩体分别在天然状态、天然状态+地震2种工况下基于极限平衡理论计算其稳定性系数，以此来确定危岩体的稳定性。野外调查发现在风化作用或人工扰动等外界影响因素下，在较硬岩层中发育卸荷裂隙，加之岩体呈悬空状态，在长期重力作用下节理逐渐扩展，一旦拉应力超过连接处岩石的抗拉强度，即产生崩塌，接着又出现新的临空面，产生新的贯通裂隙，在内外因素作用下可能再次发生崩塌，如此周而复始造成累进式破坏[15]。在计算典型危岩体稳定性系数时采用陈洪凯等提出的公式，公式详见文献[16]。参数选取参考勘察报告及文献[17]。具体计算详见表8。

表8 危岩1稳定性系数计算

结合表7可知该危岩体在天然状态、天然状态+地震两种工况下均处于欠稳定状态，与表1半定量打分表判断一致，其后的Rockfall软件模拟与理论计算共同表明该处危岩体崩落后可能的最大威胁范围和能量、速度等关键参数，为后续采取工程措施提供有效的参考。

2.4 危险性与防治建议

从半定量打分表结果与典型危岩体稳定系数来看，其处于欠稳定状态；理论计算与Rockfall模拟结果表明该处崩塌落石具有一定的破坏性，会对当地居民造成生命财产损失；因此认为其处于较危险状态。

一般来说，针对不同类型不同规模崩塌的治理方法各有差异[18]，结合野外调查与该危岩落石的运动特征和威胁范围的确定，考虑采用“清理危岩+落石槽”的措施。首先清理坡面较为破碎的岩块，清理范围以裂隙扩展深度为准。由于此处崩塌体距离受威胁房屋很近，可考虑设置铺设约0.5m厚的碎块石落石槽，以起到减缓落石冲击力和拦蓄落石的作用。最后应特别注意危岩区附近设置排水沟，以减缓水对斜坡稳定性的影响。

3 结论

本文在结合野外调查与理论计算、Rockfall软件模拟、稳定性系数计算的基础上，得到以下几点认识：

(1) 该危岩较高陡，裸露基岩大多不太稳定，局部有危岩体崩落。

(2) 理论计算的结果表明崩塌落石在C点处的运动速度为15.83 m·s-1，弹跳高度为0.38m，冲击能量为30.05 KJ，与Rockfall软件模拟结果很接近，说明二者皆可客观正确地表征崩塌落石的运动特征；根据偏移比这一概念，确定了危岩落石的横向威胁距离，与纵向威胁距离可确定出危岩落石的平面威胁范围，为防灾减灾提供可靠依据。

(3) 在天然状态、天然状态+地震2种工况下的稳定性系数分别为1.026,1.019，表明该处危岩体在这两种工况下均处于欠稳定状态，与半定量打分表有相对较好的吻合性，可考虑对该崩塌体局部采取适当的工程措施。

(4) 根据野外调查和理论计算及Rockfall数值模拟的结论，推荐采用“清理危岩+落石槽”的措施进行工程防护。