基于动态过程数值模拟的崩塌地质灾害危险性评价

■ 广东省地质建设工程集团公司 曾铮

1.研究背景

崩塌主要由岩土在重力条件下产生，崩塌体为不规则的松散块体、没有整体性。大型的岩石崩塌在岩石块体崩落后，会以流动的方式夹带超过10×104m3以上体积的岩屑，移动至远超过其原始岩坡高度的距离[1]。随着城镇建设高速发展，道路开发、边坡开挖等人类活动的日益频繁，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害也呈现上升的明显态势，而崩塌灾害因发生时间不确定、崩落速度极快、主要沿垂直方向坠落的特点，可在较短的时间内造成巨大的危害，给人民的生命和财产安全带来极大的威胁。因此，针对崩塌开展危险性评估具有重大的理论和现实意义。

2.国内外研究现状

目前，崩塌灾害的研究工作主要集中在崩塌的形成和破坏机理研究、 勘查评价、治理技术手段等方面，风险评估主要集中在对崩塌灾害的小比例尺区域性风险评估，对单体灾害风险评估的研究较少。国外对崩塌风险评估的相关工作起步较早，并获得了较为显著的成果，Pierson 等[2][3]根据经验评分系统建立了最为简单的崩塌发生地点预测评价模型；Azzoni 等[4]基于刚性体的力学理论和二维统计分析模型对崩塌的运动轨迹及一些相关的参数（滚石的能量、弹起的高度、运移距离）进行了预测；Crosta 等[5][6]利用空间分布方法研究了崩塌滚石到达的概率和崩塌的密度，为崩塌危险性评估和分区奠立了良好的基础。国内在崩塌灾害的风险评估方面也开展了相关的研究，胡厚田[7]对各类落石的速度、崩落距离和运动轨迹进行了计算；唐红梅等[8]对危岩的初始运动状态、碰撞过程、滑动过程、滚动过程等进行了较为深入的研究，获取了运动轨迹方程；张路青等[9]对川藏公路南线（八宿至林芝段）滚石的发生频率进行了估算，通过遭遇滚石的概率及承灾体的易损性分析，得出了车辆和行人经过不同滚石区时遭遇滚石而致命风险的概率。

在国内外崩塌灾害危险性评估研究成果的基础上，本文以某工业场地危岩崩塌灾害为例，采用数值模拟的手段，对危岩运动过程和最终的堆积区域进行研究。

3. 实例分析

3.1 崩塌危岩体基本特征

崩塌危岩体位于某工业场地西侧的边坡，边坡基岩裸露，为燕山期第三期（γ52-3）花岗岩，花岗岩体为褐红、褐黄色、原岩结构清晰，部分斜长石未风化、夹硬块、手捏易碎，强风化岩风化裂隙较发育，受节理裂隙发育影响，完整性差、岩体质量差。

崩塌源区所处边坡位置高程约32m，边坡下方油罐区及道路高程约11m，崩塌区距离下方道路高程差约21m，水平距离约18m，距离下方油罐区高程差约21m，水平距离约50m。崩塌区长度约30m，高度约5m，厚度约1.2m，规模约为180m3。

3.2 形成原因

崩塌形成原因主要是由于边坡岩体结构面相互组合，切割岩体，组成的楔形体崩落条件好，边坡岩体长期裸露，风化剥离，造成岩质边坡稳定性差，发生崩落地质灾害。

3.3 稳定状态分析

该边坡高度较大，裂隙发育，主要发育有三组节理裂隙：①产状22～25°∠55～60°，延伸长度大于10m，线密度1条/m，裂隙面较平直；②产状96～119°∠74～79°，延伸长度一般5～10m，线密度一般0.3～1条/m，裂隙面较平直；③产状145～174°∠59～70°，延伸长度一般大于10m，线密度一般1条/m，裂隙面平直光滑。本次评估利用赤平投影法预测边坡的稳定性，如图1所示，分析结果表明，岩体节理结构面相互组合，切割岩体，组成的楔形体崩落条件好，岩体处于不稳定状态，发生岩石崩落等安全隐患可能性较大。崩塌地质灾害主要危害对象为评估区库区道路、库区工作人员以及112#、113#油罐，据以上分析判断，西侧边坡发生崩塌可能性较大，危险性大。

图1 岩质边坡崩塌预测结果

3.4 崩塌危害程度评估

本次评估利用数值模拟分析软件对崩塌落石失稳坠落的运移运动轨迹以及最终终点距离进行模拟，以达到对崩塌落石危害程度的分析和判断。

本次数值模拟选择AA'剖面上崩塌区进行模拟，剖面AA'上崩塌区所处高程约32m，距离下方道路高程差约21m，水平距离约18m，距离下方油罐区高程差约21m，水平距离约50m。崩塌落石数值模拟模型如图2所示。

图2 崩塌落石数值模拟模型

图3 滚石运动轨迹数值模拟

通过对崩塌落石数值模拟模型的运算分析（图3），根据崩塌落石坠落的运动轨迹，在落石运动的前半段，由于处于加速阶段，落石主要沿着斜坡坡面呈滚动式向下方运动，当滚石达到坡脚时，其速度已经达到峰值，并且由于坡脚道路为水泥路面，落石砸向水泥路面后呈跳跃ü滚动式运动，随着速度的逐步降低，落石最后呈现水平运动态势。

图4 滚石运动终点距离数值模拟

根据对落石运动最终点的分析及统计（图4），滚石最远运动距离已经超过了储油罐与危岩体最短水平距离，其危险范围已经覆盖下方的道路及油罐，因此，崩塌落石的危害对象包括了下方的库区道路、库区工作人员以及112#、113#油罐。

根据以上对崩塌落石的数值模拟，由于崩塌地处高位，运动过程中的加速以及势能向动能的转化，其冲击破坏作用惊人，危害性中等，因此，综合判断崩塌的危害程度中等。

4. 结论

崩塌给人民的生命和财产安全带来极大的威胁，针对崩塌开展危险性评估具有重大的理论和现实意义。本文以某工业场地危岩崩塌作为研究对象，采取数值模拟的方法，分析了崩塌在运动过程中的运移轨迹以及影响范围重要因素，可以为后期崩塌的防灾减灾提供借鉴。同时，根据野外调查情况，并结合数值模拟研究，证明该方法可以很好地模拟泥崩塌运动、堆积的动力过程，在崩塌危险范围预测工作中具有较高的准确性。