川东红层典型崩塌落石运动轨迹分析与影响范围研究

尹建林，闫俊，王加航

（湖北省地质局第五地质大队，湖北 鄂州 436000）

1 引言

川东巴中地区地层岩性主要以泥岩、砂岩为主，经差异风化作用易产生危岩。本文以川东红层地区某典型危岩为研究对象，采用RocFall 软件对危岩运动轨迹和影响范围进行分析，更合理地确定治理方案及设计参数，使治理工程更加经济合理。

2 工程地质条件

该危岩位于巴中恩阳区南部低山区，属中低山构造剥蚀地貌类型。危岩所在坡体地层主要为第四系全新统残坡积层Q4el+dl含碎石粉质黏土，白垩系下统苍溪组（K1c）砂岩和泥岩：

1）第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）

含碎石粉质黏土：研究区内广泛分布，呈红褐色，稍湿～湿，可塑～硬塑状，成分主要为粉砂岩、砂岩，粒径一般为2～10 cm，厚度一般为0.3～1.5 m。

2）白垩系下统苍溪组（K1c）

在工作区村道后侧坡体广泛出露，岩性为砂泥岩互层，基岩产状356°∠2°。

1）砂岩：陡崖区为厚层-块状，棕红色，中粒砂状结构，层状构造，层厚6～12 m，节理裂隙较发育，裂隙宽度大且贯通性好。

2）泥岩：砖红色，泥质结构，层状构造。多发育网状裂隙，泥岩中砂质含量较高，裂隙发育规模、张开度、贯通性较好，表层经风化剥落向内凹陷。

3 危岩体特征

该危岩区发育于房后陡坡上，共发育4 个危岩单体，其中，危岩W1 长4.8 m，宽3.5 m，厚2.0 m，方量约33.6 m3；危岩W2 长4.0 m，宽3.5 m，厚2.0 m，方量约28.0 m3；危岩W3 长3.5 m，宽3.0 m，厚2.0 m，方量约21.0 m3；危岩W4 长4.0 m，宽3.0 m，厚2.0 m，方量约24.0 m3；分布高程为52～345 m，岩性为白垩系下统苍溪组砂岩，岩层产状为356°∠2°，为缓倾逆向坡，所处陡坡岩体风化卸荷发育。危岩主要威胁对象为坡体下部村民房屋与村道。危岩体位置情况详见图1。

图1 危岩全貌照片

4 危岩体运动特征模拟分析

4.1 RocFall 软件简介

Roc Fall 软件是一款用于评价边坡落石风险的统计分析软件[1，2]。它可分析出整个边坡落石的动能、速度和弹跳高度包络线，以及落石滚动终点的位置，也可获得沿坡面线的动能、速度和弹跳高度分布，可预测岩石轨迹[3，4]。

4.2 模型建立

模型建立需绘制典型剖面，标注坡面上的障碍物，如植被，同时根据现场情况对剖面线进行确认，输入危岩体岩性、位置与尺寸大小，模型的建立需对现场主要条件进行提取，同时对部分条件做出简化和假设。

本文选取危岩W1 建立模型，通过现场实测该危岩的剖面，明确危岩的剖面位置，在AutoCAD 中绘制危岩剖面，保存为.dxf 文件，然后在RocFall 软件中导入文件，进行模型建立。

4.3 落石运动轨迹分析

4.3.1 剖面选取

本次选取了危岩W1 所在剖面进行落石运动轨迹分析，充分考虑和还原坡面真实形态。

4.3.2 危岩体参数

危岩体W1 位于危岩区左侧中上部，两侧以结构相对完整的基岩为界，前侧以下侧的临空面为边界，危岩W1 长4.8 m，宽3.5 m，厚2.0 m，方量约33.6 m3，该危岩体下部形成了深约0.5m 的凹腔。

该危岩距离下方居民房屋水平距离40 m，坡体下部平均坡度25°，坡体形态主要体现为上缓下陡，坡体上部土体主要为较坚硬岩体，下部为土体与植被覆盖层。

根据以上信息，确定危岩W1 的参数见表1。

表1 落石运动参数取值

将以上危岩信息输入软件，根据地形线绘制剖面，并定义剖面位置处各点特性后，选择危岩体位置。由于危岩体为坠落式，因此，危岩体水平、竖直初速度设置为0 m/s，岩石质量为88 704 kg，角速度为2 rad/s。

4.3.3 软件模拟结果分析

根据拟设定条件设置危岩体参数后，模拟20 次各类条件下危石的坠落运动，得到20 次模拟运动轨迹，如图2 所示。

图2 危岩W1 运动轨迹分析成果

由图2 分析得到，落石在A 点出现最大弹跳高度，然后沿坡面向下滚动，危岩最终在坡体下部房屋后侧停止运动，距离起始位置水平距离33 m。

A 点处落石弹跳高度最大，由分析数据可知，A 点处预测最大弹跳高度为1.633 m，出现概率为10%，最低高度0.879 m，出现概率为5%，危岩弹跳高度为1.382 m 为最大概率情况，此时的发生概率为30%，故A 点平均弹跳高度为1.382 m，模拟结果如图3 所示。

图3 危岩在A 点处弹跳高度分析柱状图

B 点处为受崩塌威胁房屋后侧，B 点处落石水平速度分布如图4 所示。危岩最大运动速度为10.74 m/s，模拟中有15%的落石达到该速度，最低速度为6.886 m/s，模拟结果中有5%的落石达到该速度，则该危岩体运动的平均速度为9.9.9m/s。

图4 危岩在B 点处水平速度分布图

经过对模拟结果的数据分析，所有落石在坠落后均运动至B 点位置，并仍具有较大速度，说明了B 点危险性较高。

同时，对B 点处落石的动能进行分析，通过计算得出危岩最大动能为3 545.4 kJ，最小动能为1 545.42 kJ，平均动能为2 454.49 kJ，仍具备较大的冲击力。

5 总结及展望

本次运用RocFall 软件将川东地区典型危岩体崩塌的运动的轨迹进行可视化模拟，得出以下结论：

1）危岩体在A 点发生弹跳后，在坡体上的运动形式主要以沿坡面滚动为主。

2）危岩体在房屋后侧B 点位置处仍具有最高10.74 m/s的速度、最大3 545.4 kJ 的动能，对坡底部房屋结构和人员造成实质性威胁。

3）防护工程可设置在坡面B 点处，防护高度可根据该处的最大弹跳高度及动能确定，具体治理手段可包括清危、主动网及其他治理措施，如需设计被动网其高度也不宜设置过高，避免造成浪费。

4）由于崩塌治理工程在判定危岩影响范围时，多依靠现场勘察所得数据与技术人员自身经验判断，与实际情况会有一定偏差，且考虑的因素较为单一，按常用方法流程进行判断可能会存在对危岩运动距离、影响范围判断不够准确，造成治理设计方案时发生治理效果不佳或过于保守的情况发生。

6 结语

本次运用软件将川东地区典型危岩体崩塌的运动轨迹进行可视化模拟，采用RockFall 软件对危岩体进行运动模拟，可直接得到危岩运动路径与路径上任意一点的速度、角速度、动能等数据，这对于在勘察阶段判断崩塌影响范围，在可行性研究阶段和初设阶段论证方案选择、方案可行性具有参考价值；该软件对于施工图设计优化可提供更加合理准确的数据支持，使设计更加合理精细化，达到动态设计的目的。