基于2D-Block崩塌隐患体破坏轨迹研究

党亚倩，吴亚敏

（郑州工业应用技术学院，郑州，451100）

0 引言

崩塌主要是岩土体在重力作用下产生的，特点是块体不规则、松散、没有整体性。大型的岩石崩塌在发生失稳破坏后，会以流动的方式夹带体积超过10×104m3以上的岩屑，移动至远超过其原始岩坡高度的距离[1]。崩塌的特点有发生时间不确定性、规模差异大、运动速度极快、主要沿垂直方向坠落、破坏作用急剧等，可在较短时间内造成严重的损失和破坏，带来了极大的生命和财产安全威胁。赵旭根据运动学原理将崩塌落石分为坠落、滑动、滚动和弹跳等阶段[2]；唐红梅将崩塌下落分为初始位移阶段、碰撞阶段、滑动阶段和滚动阶段[3]。

由于崩塌破坏运动过程、运动轨迹的研究比较复杂，实际破坏运动过程很难用理论方法描述，所以本文以某崩塌隐患体为例，运用2D-Block对其失稳破坏、运动过程进行数值模拟，并对其破坏过程和运动规律进行系统分析，预测崩塌危害范围。

1 模型建立和边界条件

1.1 工程概况

某崩塌隐患体相对地面高差74m，为一小型高位岩质崩塌隐患体。斜坡顶部山体坡角15°～35°，中下部山体地形陡峻，坡度80°～90°，孤石林立，局部地方近直立，表面基岩风化较强烈，内部中等风化，节理裂隙发育，崩向250°，见图1。

上部裂隙，产状为 253°∠85°，长4.5m，宽约2m，深约8m。下部节理裂隙，产状为255°∠81°，延伸2～6m，张开度2～10cm；这组结构面基本上把其切割成了不规则柱状体，控制了其稳定性。

1.2 模型建立和边界条件

把实际测量的工程地质剖面作为地质模型，模型宽约7m，高约15.5m，结构面是以层面、各节理面作为单元而划分的（图2），并将模型的右边界、下边界和公路作为模型的固定位移边界，也就是说确定这些边界在模拟过程中不发生横向、竖向位移。

图1 崩塌隐患体形态

图2 崩塌隐患体地质模型

力学参数的选取是由块体和节理之间的本构关系所确定的，并在该崩塌的试验数据和前人的经验的基础上，选取的力学参数如表1、表2。

表1 数值模拟采用的参数值（天然工况）

表2 数值模拟采用的参数值（饱和工况）

表4 跟踪块体坐标和位移（工况2）

表5 跟踪块体坐标和位移（工况3）

2 模拟结果

2.1 破坏轨迹分析

数值模拟中，在天然、饱和、地震三种工况下，通过在破坏运动过程中跟踪块体05、块体07、块体08，得到这三个块体运动前和运动后的形心坐标，从而得到这三个块体运动前后的形心位移，具体见表3、4、5。

通过在运动过程中跟踪块体05、块体07和块体08，得到这三个块体的运动轨迹，见图3-图5。从图中可以看出崩塌体的运动轨迹是不规则的，我们把块体运动轨迹大致分为：岩体裂隙出现和变形，崩塌体在重力加速度下的自由落体运动，块体与块体之间、块体与坡体基岩之间的相互碰撞后改变方向的减速运动，块体与下部坡体基岩的相互碰撞后的弹跳或倒转运动四个阶段[4]。第一阶段：在自身重力作用、孔隙水压力等作用下，产生拉张裂缝，并不断扩大，岩体自身出现应力的重分布，进而拉张裂缝从上到下逐渐贯穿；第二阶段崩塌体慢慢地离开母岩，并发生倒转运动；崩塌体内部节理也在重力作用下，也顺着节理方向开始出现了裂隙，并有坠落趋势；第三阶段岩体后方的裂缝进一步扩大，上部砂岩已经完成倒转运动脱离母岩，在初始速度下做自由落体运动，斜坡的高度、开始落体运动时的初速度决定了崩塌体的运动距离和影响范围；第四阶段崩塌体在重力的作用下完成了破坏运动的全过程，在与地面碰撞弹跳后，岩体停止运动并堆积下来。因为公路比较平整，所以与公路的碰撞弹跳后，水平位移不会很大，因此翻滚运动也不会发生。

图3 崩塌隐患体的运动轨迹（工况1）

图4 崩塌隐患体的运动轨迹（工况2）

图5 崩塌隐患体的运动轨迹（工况3）

2.2 影响范围分析

离散元数值模拟中，考虑到块体与块体之间、块体与坡体基岩之间的相互碰撞，以及碰撞的过程中块体的方向和加速度的改变等情况，这些导致了块体在破坏运动过程中不规则的运动轨迹，而且这种运动轨迹是不能通过理论计算方法计算得到的。

崩塌隐患体的运动距离受岩体开始自由落体运动时的初速度、斜坡高度等影响，从模拟图可以看出，块体05是三个块体中高度最高的，所以在破坏运动过程中块体05应为速度最模拟结果大、距离最模拟结果远，各工况下块体的运动轨迹见图3-图5。块体05形心的坐标、位移可以通过表3、4、5得到，块体05形心位移可以通过形心坐模拟结果标得到，即工况1状态下水平位移距离S1=37.89m，影响范围为899.624 2m2；工况2状态下，水平位移距离中S2=83.037 8m，影响范围为1 792.206 1m2；工况3状态下，水平位移距离中S2=93.224 8m，影响范围为2 335.091m2；而在崩塌隐患体真正的水平距离S'还应该考虑崩塌隐患体的形状、大小和崩塌隐患体堆积的形态，所以S1'=44.660 2m，S2'=89.808 0m，S3'=99.995m，具体见表6。

表6 不同工况下崩塌隐患体的水实际测量的平运移距离及影响范围

3 结论

根据崩塌隐患体特征、破坏模式及变形破坏迹象，运用2D-Block离散元软件对崩塌隐患体进行破坏和运动过程进行了模拟，预测了崩塌危害范围，结果表明在天然工况下崩塌危害水平位移为44.660 2m，影响范围为899.624㎡；在暴雨工况下，崩塌危害水平位移为89.808 0m，影响范围为1 792.206 1㎡；在地震工况下，崩塌危害水平位移为99.995m，影响范围为2 335.091m2。