基于Rockfall的沟谷区高位危岩体危险性评估

2024-04-20 04:52刘仍阳

城市地质 2024年1期

摘要：为了降低高位危岩体对沟谷区建设用地威胁，以沟谷区内某商住小区为例，探讨高位危岩体危险性评估结果。通过资料收集和现场调查，采用Rockfall模型软件计算沟谷區高位危岩体对小区现状地质灾害危险性，评估了防治措施情景下的地质灾害危险性。用Rockfall模拟软件计算出沟谷区内危岩体现状和设计情景条件下的运动路径和最远威胁距离，确定建设用地红线范围内的地质灾害危险性结果。结果表明，现状条件下沟谷区建设用地红线范围内危险性中等区域面积112.15 m2，设计情景下建设用地红线范围均为危险性小的区域。

关键词：沟谷区；Rockfall软件；高位危岩体；危险性评估

Rockfall-based risk assessment of high-level dangerous rock mass in valley area

LIU Rengyang

（Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academy Co.， Ltd.，Guiyang 550081， Guizhou， China）

Abstract： In order to reduce the threat of high-level dangerous rock mass to the construction land in the valley area， this paper takes a commercial and residential community in the valley area as an example to discuss the risk assessment results of high-level dangerous rock mass. Through data collection and on-site investigation， the Rockfall model software was used to calculate the risk of high-level dangerous rock mass in the valley area upon the current geological safety of the community， and evaluate the risk of geological hazards so as to facilitate preventive measure application. Rockfall simulation software calculates the current situation of the dangerous rock in the valley area， the movement path and the farthest threat distance under the design scenario conditions， and determines the geological hazard risk level within the red line set for the construction land. The results show that under the current conditions， the medium-risk area within the construction red line in the valley area is about 112.15 m2. Under the design scenario， all areas within the construction red line are low-risk areas.

Keywords： valley district; rockfall software; high-level dangerous rock mass; risk assessment

为了营造和谐安全的社会环境，政府加大自然灾害防治投入力度，致力于建立安全有效的自然灾害防治体系，力图从根本上保障国民财产安全（郜国明等，2023；左三胜等，2004）。凡是易发区内的基建项目，无论是工业民用建设用地，还是道路、水利、油气管道建设用地必须明确地质灾害综合危险性，确定建设用地适宜性（马保元，2021；王得楷，2002；刘军强，2002；张文栋等，2023）。建设者提供相关评估资料方能获取目标土地使用权，建设用地地质灾害评估的适宜性结论直接影响到建设者能否获得土地利用权。随着房地产行业的发展，适宜项目建设的优质土地资源日趋减少，沟谷区逐渐成为房地产的开发对象。在沟谷区从事工程建设，开发商可能会面临危岩体林立于建设用地两侧的问题，威胁建设工程安全生产和后期运营维护，需开展沟谷区内地质灾害危险性评估，分析区内可能发育的地质灾害的破坏能力和破坏强度，评价沟谷区工程建设适宜性（李树鹏等，2022；李军等，2011）。本文以沟谷区内某商住小区为例，采用Rockfall模型软件构建情景模型，评估沟谷区地质灾害危险性。

1 概况

研究区位于某县域南部沟谷区，两侧基岩裸露，局部见危岩林立于沟谷区两侧，沟谷区中间有乡村公路通往城区，距离北侧国道约150 m，交通优越，满足建设用地条件。建设用地总面积39 628 m2，其中建筑占地面积8 620 m2，其他均为附属设施建设用地。建设用地由3块地块组成，详细信息见表1。

该项目位于沟谷区，建设用地红线范围两侧山峰林立，自然坡度约25°，植被稀薄、基岩裸露，局部高位危岩发育。区内最高点海拔81.12 m，最低处海拔13.99 m（图1），整体上呈中部低、两侧高，为典型的凹型沟谷区；水系呈树枝状分布，多发育季节性小溪，源短流急，汇水面积小，流程短；出露地层主要为燕山晚期花岗岩，上覆第四系残坡积层、冲洪积层；水文地质条件简单，工程地质条件中等，岩土工程地质层物理力学参数见表2；区域性断裂有北东向的泰顺-黄岩断裂和北西向淳安-温州断裂，褶皱构造不发育。该区属政和-海丰地震带，位于地震动峰值加速度0.05 g分区，对应地震基本烈度VI度，地壳基本稳定。

2 研究方法

Rockfall软件计算模型主要包括落石模型、边坡模型和计算坐标系（秦世夕等，2019）。

2.1 弹跳算法

边坡崩塌的影响范围是指边坡崩塌体通过滑动、坠落、滚动、跳跃所能达到的范围。崩塌体主要来自坡顶和整个坡面（石碧波，2018）。崩塌体的运动速度和轨迹与以下因素有关：崩塌体规模、形状和硬度；边坡的高度、坡度和坡形；坡面物质的组成及其表面起伏程度、覆盖层和植被等。

本次边坡破坏影响范围的划定，主要通过采用崩塌掉块运动模拟软件Rockfall对边坡的典型剖面块体运动轨迹方程进行模拟计算，模拟计算块体从坡面坠落后的可能运动特征。崩塌体或落石初始速度为0 ，坡面为基岩面，其软硬程度不同，造成坡面处反弹恢复系数亦不同，因块石运动能量和坡面反弹恢复系数不确定，崩塌体运动特征较复杂，如图2所示。块石在坡面上运动特征值（包括运动速度、运动轨迹）采用公式（1）至公式（17）计算（谢金等，2021）。

块石从母岩脱落的物理机理是计算落石运动路径与块石撞击界面的交点。利用撞击界面反弹恢复系数计算撞击后运动特征，通过比较撞击坡段的起终点与撞击界面交点的坐标，判断交点的合理性（叶四桥等，2015）。落石撞击反弹特征模型计算公式如下：

１）纵、横向直线方程

L=X_1+μ（X_2-X_1）（1）

H=Y_1+μ（Y_2-Y_1）（2）

式中：L为横向距离，m；H为纵向距离，m；（X1，Y1）、（X2，Y2）分别为坡面线段起点和终点坐标；μ为方程参函数。

２）落石运动特征方程

L=V_（X_0 ） t+X_0 （3）

H=1/2 gt^2+V_（Y_0 ） t+X_0 （4）

式中，（X0，Y0）为落石初始坐标，V_（X_0 ）、V_（Y_0 ）分别为落石的横向、纵向初速度（m·s-1），g为重力加速度（取9.81 m·s-2），t为落石运动时间（s）。

３）落石速度方程

V_（X_B ）=V_（X_0 ）（5）

V_（Y_B ）=V_（Y_0 ）+gt （6）

式中，V_（X_B ）为落石撞击前的横向速度（m·s-1），V_（Y_B ）为落石撞击前的纵向速度（m·s-1）。

４）落石撞击界面的交点方程

1/2 gt^2+[V_（Y_0 ）-qV_（X_0 ）]t+[Y_0-Y_1+q（X_1-X_0）]=0 （7）

t=（-b±√（b^2-4ac））/2a （8）

式中，a=1/2 g，b=[V_（Y_0 ）-qV_（X_0 ）]，

c=Y_0-Y_1+q（X_1-X_0），q=（Y_2-Y_1）/（X_2-X_1 ）。

5）落石碰撞前速度在每次计算运动特征时，根据式（7）、式（8）落石撞击界面的交点方程计算碰撞时间，将碰撞时间t值代入式（3）、式（4）可求出落石撞击界面交点的坐标，与撞击坡段的起终点比较判断碰撞点合理后，将t值代入式（5）、式（6）计算落石碰撞前速度，并将其沿撞击界面沿法向与切向进行拆分，拆分结果如下：

V_（N_B ）=V_（Y_B ） cosθ-V_（X_B ） sinθ （9）

V_（T_B ）=V_（Y_B ） sinθ+V_（X_B ） cosθ （10）

式中，θ为撞击界面坡度（弧度），V_（N_B ）为落石碰撞前法向分速度（m·s-1），V_（T_B ）为落石碰撞前切向分速度（m·s-1）。

６）落石撞击反弹速度

V_（N_A ）=R_N V_（N_B ）（11）

V_（T_A ）=R_T V_（T_B ）（12）

式中，RN为撞击界面法向反弹恢复系数，RT为撞击界面切向反弹恢复系数，V_（N_A ）为落石撞击反弹法向分速度（m·s-1），V_（T_A ）为落石撞击反弹切向分速度（m·s-1）。

将落石撞击反弹法向分速度与落石撞击反弹切向分速度分别作为横向速度与纵向速度，可作为下一次落石运动特征的计算：

V_（X_A ）=V_（N_A ） sinθ+V_（T_A ） cosθ （13）

V_（Y_A ）=V_（T_A ） sinθ-V_（N_A ） cosθ （14）

式中，V_（X_A ）为落石撞击后横向速度（m·s-1），V_（Y_A ）为落石撞击后纵向速度（m·s-1），迭代计算至运动停止。

2.2 落石滑动特征模型

该模型用于计算落石在撞击界面处于滑动状态，具体计算过程如下：

１）落石滑动的加速度计算公式

a=g（sinθ-cosθtanφ）（15）

式中，φ為撞击界面摩擦角（°）。

２）落石滑动的速度、位移公式

V_F^2-V_0^2=2sg（sinθ-cosθtanφ）（16）

式中，V0为落石滑动初速度（m·s-1），VF为落石完成后终速度（m·s-1），ｓ为落石位移（ｍ）。

３）滑动时间计算公式

t=（V_F-V_0）/（g（sinθ-cosθtanφ））（17）

本次边坡崩塌计算，坡面岩土体的反弹恢复系数，分段采用表3所列数值。

为了深入分析，本次只针对研究区内B4#和B5#规划楼房进行计算评估，采用Rockfall模拟软件计算沟谷区危岩体运动特征。本文设计2种情景评价地质灾害危险性：情景一，设计在现状条件下，计算危岩体运动路径和最远威胁距离；情景二，设计在采取工程治理后，计算危岩体运动路径及最远威胁距离。

根椐GB/T 40112－2021《地质灾害危险性评估规范》评估方法，沟谷区危岩体处于稳定—欠稳定状态，周围未发生崩塌落石地质灾害，危岩周围为灌木丛，植被发育，地质灾害弱发育，威胁下方拟建建筑物，危害大，该处危岩体地质灾害危险性中等。

3 模型构建

3.1 情景计算

1）自然现状下模型构建及计算

模型设定：根据野外实际调查结果，危岩体位于B5#规划建设后方，其中危岩体至边坡坡顶处均为灌木丛，植被茂密，植被覆盖率85%，边坡至红线范围处均为混凝土护坡，坡面光滑。

参数设定：设计垂直边坡剖面线并经过评估范围处内危岩体，危岩体至边坡坡顶处，剖面材料属性选择“植被覆盖的土质边坡”和“多数为基岩和无植被覆盖的斜坡”，具体参数取值见表4。

危岩体设定：危岩体位于沟谷区建设用地北侧，危岩体与坡顶红线高差约54 m，与坡脚横向距离约56 m，危岩体体积约1.5 m3，质量约3.75 t，危岩体初始状态设置为静止，横、纵向速度均为0，初始速度角度设置0。

本次根据实际情况设置拦挡措施，在坡顶上方约3.5 m处设置SNS柔性防护网，防护网高度3 m，模型其他设定（模型设定、参数设定及危岩体设定）均与自然现状下模型一致。

3.2 沟谷区建设用地危险性评估

根椐GB/T 40112－2021《地质灾害危险性评估规范》评估方法，综合沟谷区地质发育程度及危害程度判定地质灾害危险性评估结果，结合两种情景下Rockfall模型的计算结果，确定危岩体发生崩滑后的运动轨迹及最远、最高崩落距离，以危岩体的初始位置为圆心、以最远崩落距离为半径绘制扇形区域，与红线范围相交区域即为地质灾害危险性中等范围，红线区域其余范围为地质灾害危险性小。

4 结果与讨论

4.1 自然现状下模型计算结果及危险性评估结果

自然現状下模型计算结果见图3。自然现状下Rockfall模拟计算结果显示，危岩体发生滚落后，其运动轨迹基本沿着坡面，滚动过程中主要受到坡面植被及软泥对它的缓冲阻挡作用。危岩体在坡面上不存在弹跳，但滚落至坡脚处发生了反弹，最高反弹高度0.635 m，最远运动距离与坡脚相距4.273 m，以危岩体的初始位置为圆心、以最远崩落距离为半径绘制扇形区域，与沟谷区建设红线范围相交，即圈定为危岩体地质灾害危险性中等，其余为地质灾害危险性小，评估结果见图4。

沟谷区建设用地红线范围内危险性中等主要分布在B5#楼房西北侧区域，面积约112.15 m2，B4#楼房及红线其余区域地质灾害危险性小。

4.2 工程治理后模型计算结果及危险性评估结果

从图5可看出，采取工程治理后，危岩体发生滚落后，其运动轨迹基本沿着坡面，滚动过程中主要受到坡面植被及软泥对它的缓冲阻挡作用，最后在坡脚附近被SNS柔性防护网拦挡，建设用地红线范围拟建楼房危险性评估小，如图6所示。

综合自然现状下和工程治理后的沟谷区危岩体，结合危岩体现场调查情况，采用rockfall软件计算沟谷区危岩体最大威胁距离及弹跳高度，以危岩体的初始位置为圆心，以最远崩落距离为半径绘制扇形区域，与建设用地红线范围相交，即圈定为危岩体地质灾害危险性评估结果，确定沟谷区危岩体地质灾害危险性评估等级，直观准确地反映沟谷区内危险性高的危岩体，为后期工程治理提供依据，同时也可定量分析治理后危岩体危险性评估等级，评定治理效果。

5 结论

1）综合评估规范方法评价沟谷区危岩体地质灾害发育情况和危害程度，确定地质灾害危险性评估结果，再采用Rockfall软件模拟危岩体运动轨迹和运动距离，计算危岩体发生崩落时最危险运动轨迹、运动距离和弹跳高度，确定地质灾害危险性使沟谷区建设用地危险性评估结果具有客观性和科学性。

2）构建两种情景模型，分别评估沟谷区地质灾害危险性，圈定地质灾害危险区。自然现状下，Rockfall模拟计算的危岩体运动轨迹，最高反弹高度0.635 m，最远运动距离与坡脚相距4.273 m，沟谷区危岩体地质灾害危险性中等区域主要分布在B5#楼房西北侧区域，面积112.15 m2；采取工程治理后，危岩体被拦挡，红线范围内地质灾害危险性小。

3）沟谷区建设用地危险性评估，其影响因素比较复杂，不仅要考虑区域环境地质条件，还要考虑人类工程活动的影响，其危险性评估仍需进一步研究。

参考文献

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