单体危岩崩塌灾害危险性评价——以贵州威宁县新发乡樊家岩为例

武中鹏，刘 宏，董秀群，邓凯伦

(1.贵州大学自然资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵州 贵阳 550025；2.天津水保工程咨询有限公司，天津 300022)

0 引言

据前人的研究可知，引起崩塌的因素有很多，且它们之间相互作用、相互影响。其中，当临空面和贯通的节理裂隙存在时，重力是引起崩塌的首要因素。崩塌危岩体作为不规则的块体，在运动过程中极易裹挟岩屑，且移动距离会超过其原始岩坡高度。随着城镇化进度的不断加快，地质灾害发生的频率也越来越高，崩塌地质灾害具有突发性，崩落速度快，极易在短时间内造成巨大的损失，因此，研究单体危岩体崩塌灾害的危险性评价具有重要的意义。

目前，对于崩塌的研究还主要局限于崩塌的形成及失稳破坏机理，而对小尺度的单体崩塌危岩体的危险性评价研究较少。在早期，胡厚田[1]曾对各种崩塌落石的运动速度、运动距离和落石轨迹进行了研究；唐红梅等[2]就崩塌的启动机制、碰撞过程中的能量损耗及滚动过程做了深入的研究，总结出了运动轨迹方程；张路青等[3]研究了落石对流动人员和车辆的风险评价；郑光等[4]研究了采矿区对崩塌危岩体失稳破坏的影响；党亚倩[5]采用蒙特卡洛法分析风头山崩塌隐患体的稳定性状态；叶万军等[6]根据黄土崩塌常见的运动形式，提出崩塌体自由飞落及滚动情况下影响范围的理论公式。在前人对崩塌灾害危险性评价研究的基础上，本文以新发乡托海小流域樊家岩崩塌体为例，采用失稳概率和落实轨迹模拟，圈画出落石影响范围，初步建立单体危岩体危险性评价方法。

1 樊家岩崩塌基本特征

崩塌前，樊家岩危岩体上部主要为中风化灰岩，风化裂隙较为发育，节理间距0.15～1 m，结构面结合程度差。危岩体坡向221°，坡角74°，岩层产状21°∠10°，节理主要有两组，分别为J1：185°∠81°、J2：288°∠86°。受差异性风化作用的影响，在危岩体下部有凹岩腔发育，发育深度为2～3 m，沿节理面有黏性土、岩屑、岩块局部充填。岩体在重力及裂隙水或地震作用下局部失稳，使岩体发生坠落。下部岩体(高程1 530～1 820 m)为粉砂岩，坡度在40°～50°。岩体整体较坚硬，岩体较破碎，属Ⅳ类岩体。坡脚崩塌堆积体以灰岩为主，沿着危岩体下部斜坡呈扇形堆积，平均坡度为30°，结构松散。区内堆积体块体普遍较小，一般在0.6 m以内。此外，有少量直径为1.2～2.4 m的块石在该区中下部散落。根据危岩体坡面、岩层、节理J1和节理J2的倾向、倾角(表1)绘制赤平投影(图1)，可判断危岩体目前处于稳定状态。危岩体剖面如图2所示。

表1 赤平投影参数Table 1 Parameters of stereographic projection

图1 赤平投影分析图Fig.1 The analysis diagram of stereographic projection

图2 樊家岩危岩体剖面Fig.2 The dangerous rock body profile of Fanjiayan

2 危岩体失稳概率计算

根据所查资料得知，用蒙特卡洛法计算危岩体的失稳概率比较精确。蒙特卡洛法又称随机抽样法、统计试验法等，其原理是通过随机抽样和大量的数据统计得到失稳概率。本研究根据蒙特卡洛法原理编写了失稳概率分析程序，危岩体的稳定性计算采用重庆市地方标准《地质灾害防治工程勘察规范》(DB 50/143—2003)中的推荐公式(式(1))。不仅将密度、黏聚力和内摩擦角等几个常规的参数考虑在内，还增加了裂隙倾角、裂隙占比、充水占比等因素，以提高结果的准确性。在程序中输入各种参数的均值和方差，就可以得到危岩体的失稳概率值。在具体计算时，每次抽样计算得到稳定性系数F，对稳定性系数进行判别，抽样总次数为1 500次，每次抽样结束时统计F小于1的次数，其值与总次数的比值可以近似为失稳概率。

坠落式后缘有陡倾裂隙的悬挑式危岩体稳定性计算公式：

(1)

式中：ζ——危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，一般可取1/12～1/6，当潜在破坏面矩形时取1/6；

flk——危岩体抗拉强度标准值/kPa，根据岩石抗拉强度标准值乘以0.2的折减系数确定；

a0——危岩体重心到潜在破坏面水平距离/m；

b0——危岩体重心到过潜在破坏面形心的铅锤距离/m；

c——危岩体黏聚力标准值/kPa；

φ——危岩体内摩擦角标准值/(°)。

根据大量的工程实例和结合规范，本文主要考虑了4种不同的工况：天然工况、天然+暴雨(强度重现期按20a考虑)、天然+地震、天然+暴雨+地震(分级用工况1、工况2、工况3、工况4表示)。由于C和φ值(危岩体的岩石力学参数取值如表2所示)受野外采样、室内试验等影响较大，所以作为随机变量，得出不同工况下的危岩体失稳概率(表3)，同时得到影响因子的正态分布图(图3、图4)。

表2 危岩体岩石力学参数Table 2 The rock mechanics parameters of dangerous rock mass

表3 危岩体的失稳概率Table 3 The instability probability of dangerous rock mass

图3 自重和地震工况下参数正态分布Fig.3 Normal distribution of parameters under gravity and seismic conditions

图4 暴雨工况下参数正态分布Fig.4 Normal distribution of parameters under rainstorm conditions

3 危险范围确定

不同形状的崩塌落石在运动过程中具有共性，均以滚动和弹跳两种形态为主[7]。运动轨迹受到地形起伏、植被覆盖度、地层岩性等因素的影响。落石运动轨迹的模拟在Rockfall原理上进行改进，将地形起伏、地层岩性、植被覆盖度和法向、切向恢复系数(恢复系数取值如表4所示)作为评价因子，模拟出落石轨迹(图5)。将研究区地形等高线作为模拟落石轨迹的基础，即避免了人为选取剖面产生的误差，又可以对整个研究区危岩体进行落石轨迹模拟。根据落石轨迹模拟结果、地形等高线和居民房屋分布特征，将落石经过的区域划分为高危险区，临近落石轨迹的范围划分为中危险区(图6)。

表4 法向恢复系数和切向恢复系数取值Table 4 Values of normal recovery coefficient and tangential recovery coefficient

图5 樊家岩落石轨迹模拟图Fig.5 The simulation diagram of Fanjiayan rockfall trajectory

图6 樊家岩崩塌落石影响范围划分Fig.6 The influence scope division of collapse and rockfall in Fanjiayan

4 防治措施建设

崩塌落石的防治主要包括工程措施、生物措施、规避、监测预警和加强公众教育等。由于樊家岩崩塌危岩体范围大，处于落石影响区的居民较多，故提出了有针对性的防治措施(图7)，例如InSAR监测、裂隙变形监测、雨量监测、规划避难路线等。

图7 樊家岩崩塌防治措施布设图Fig.7 Layout of prevention and control measures for fanjiayan collapse

5 结论

(1)采用蒙特卡洛法对危岩体的失稳概率进行分析，主要考虑了4种工况，结果表明，危岩体在暴雨和地震的工况下最易失稳破坏，其失稳概率为0.124。

(2)对于崩塌落石路径的模拟，本文在Rockfall软件基础上进行了改进，根据模拟出来的落石轨迹确定了落石的影响范围并对影响区进行危险度的划分，分为高危险区、中危险区和低危险区。

(3)根据崩塌危岩体的特征、不同程度的危险区和地形，对崩塌危岩体的防治提出了InSAR监测、裂缝变形监测、设置雨量监测站、放置警示牌和逃避路线指示牌等针对性的措施。