Rockfall数值模拟在零星高位崩塌地质灾害勘查中的应用

孙全福，胡才源，李小玲，张 忠，杨世林

(贵州省地质环监测院，贵州 贵阳 550001)

1 引言

Rockfall是Roscience公司开发的用于计算落石运动轨迹与冲击能量的软件(Hoek，E 1987)。Rockfall软件是一款通过矢量化模拟剖面，根据实际调查赋予崩塌源位置及坡面的特征值，模拟落石在坡面上的运动轨迹及运动特征。根据危岩按所处相对崖底高度的分类(T /CAGHP 011—2018)：危岩体相对崖底高度在50 m100 m，属特高位危岩。本文所称高位崩塌地质灾害是指崩塌危岩体位置相对陡崖底高差大于50 m的崩塌危岩体失稳形成的崩塌地质灾害。高位崩塌地质灾害一般处于高陡山坡的上部，隐蔽性强，危害性大，运动轨迹复杂，威胁范围难以确定，是崩塌地质灾害勘查工作中的重点和难点。

本文以贵州省大方县小屯乡法启村一组崩塌地质灾害隐患为例，基于对该崩塌地质灾害的详细调查测绘，选取代表性剖面，对坡面特征进行赋值，使用Rockfall软件模拟崩塌落石的运动轨迹和运动特征，总结Rockfall数值模拟在零星高位崩塌地质灾害勘查中的应用，为高位零星崩塌地质灾害的进一步研究和防治提供一种可行的技术方法。

2 崩塌地质灾害隐患概况

贵州省大方县地处乌蒙山脉东麓的黔西高原向黔中山原丘陵过渡的斜坡上，县内地形具有地势高，起伏大，山高坡陡，沟多谷深的高原山地特征。法启村一组崩塌地质灾害隐患位于大方县小屯乡法启火车站北侧的陡崖带上，陡崖带长约700 m，高约400 m，呈南北向展布，中心地理坐标为：东经105°34′28.06″，北纬27°01′20.82″(见图1)。陡崖带自下而上又可划分为两级陡崖带：一级陡崖带位于斜坡中部，水平距离法启村一组居民区200～300 m，陡崖高差在40～120 m，海拔高程在1 220～1 420 m之间；二级陡崖带位于一级陡崖带上部，距居民区水平距离400～600 m，陡崖高差90～200 m，海拔高程在1 390～1 570 m之间，两级陡崖中间为陡斜坡。陡崖带表层岩体结构破碎，风化强烈，节理裂隙发育，植物根劈作用强，常发生零星掉块，威胁斜坡坡脚法启村一组83户510名居民及法启火车站，潜在经济损失约3 000万元。整个陡崖带可划分为5个典型危岩带，崩塌危岩体总规模约74 000 m3，为典型的高位崩塌地质灾害隐患，崩落方式为零星崩落。

图1 法启村一组崩塌地质灾害隐患全貌

法启村一组崩塌地质灾害隐患崩落时间跨度较大，自上世纪初以来就时有发生零星崩塌掉落，多数崩落危岩体堆积于斜坡体上的灌木林及耕地内，少数崩落体到达居民区。近年来崩落越发频繁，其中2018年2月14日发生一次小规模崩塌，损坏一户村民房屋及火车站设防的被动防护网(见图2、图3)。

图2 房屋损坏现状

Fig.2 Current state of house damage

图3 被动网破坏现状

Fig.3 Status quo of passive network damage

3 Rockfall数值模拟的应用

要通过落石运动计算软件或数值模拟得到相对客观的落石运动轨迹和运动参数，必须先有切向、法向恢复系数和滚动摩擦系数等的合理取值(叶四桥等 2018)。坡面铺装、坡度、落石质量、下落高度对切向恢复系数均有明显的影响，落石形状则无明显影响(叶四桥等 2018)。坡面铺装和坡度是影响落石碰撞边坡法向恢复系数取值的主要因素，而落石质量、落石形状和入射速度对法向恢复系数取值没有明显影响(叶四桥等 2015)。由于坡面的不均一性，落石形状的不规则性，落石的碰撞过程及落石坡面滚动的过程中具有一定的随机性(邹维勇等 2017)。因此，数值模拟过程中，坡面参数特征、落石质量和下落高度的合理取值是Rockfall数值模拟的关键。

3.1 模拟剖面的选取

危岩带5位于法启村一组崩塌地质灾害隐患的最高危岩带分布区的“煽鸡岩”，为全面掌握崩塌落石的最大威胁范围和服务地质灾害防治设计的有效性，选取了切割“煽鸡岩”陡崖带两条剖面(2-2′和3-3′)作为模拟剖面。

3.2 模拟落石的确定

法启村一组崩塌地质灾害隐患在崩落时间上跨度较大，现场可调查的崩塌落石最早时间大于100年，最近一次为2018年2月14日。在崩塌落石方量上，根据现场落石现状，最大的方量为早期的崩塌落石块体，方量约245 m3，近100年以来落石块体方量多在1～3 m3，以零星掉落为主，偶有小规模崩塌出现。其中，2018年2月14日发生的小规模崩塌为较典型的一次，其落石块体方量均小于3 m3。

为有效的模拟落石最大威胁范围及运动轨迹，掌握落石主要堆积区域，本次模拟落石选择块体方量为3 m3，落石位置为“煽鸡岩”最高处，失稳方式为自然失稳，模拟过程中假设50块落石突然失稳进行模拟。落石物理力学参数根据实验统计后，按相关规范取值，具体见表1。

表1 落石理力学指标建议值

3.3 坡面参数特征的确定

根据现场调查及无人机低空影像测量，模拟坡面自上而下为陡崖面(有少量零星植被)、灌木植被发育坡面、光滑岩面，灌木植被发育坡面、耕作区、居民区及火车轨道。模拟过程中根据实际对坡面进行分段，各段岩块回弹系数及滚动摩擦系数取值根据《崩塌防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 011—2018)附表F.1和F.2，取值情况见表2。

表2 数值模拟坡面特征

3.4 模拟分析

3.4.1 2-2′剖面模拟分析

由图4-图7可知，崩塌危岩体自最高点失稳后，以滚动、碰撞、弹跳及空中飞行的方式组合运动。在坡面上部(一级陡崖带上部)，以滚动、碰撞和弹跳运动为主；在一级陡崖带区域以空中飞行方式直接向其下部斜坡体运动；在一级陡崖带下部斜坡区域以碰撞和弹跳运动为主，最终集中停留在村民耕作旱地区(ef段)，少量崩塌落石运动到居民区停留。在动能变化方面，崩塌落石的动能与落石的运动方式、运动块体数量、运动距离及落差有关。

根据数值模拟成果表(表3)，可详细的掌握到崩塌落石的集中停留区，主要集中停留在距落石失稳处的330～343 m之间，可到达的最远距离为438.37 m；同时，还可详细的了解各点位运动落石的最大弹跳高度、平移速度、旋转速度、平移动能、旋转动能和总动能等相关运动过程数据。

3.4.2 3-3′剖面模拟分析

由图8-图11可知，崩塌危岩体自最高点失稳后，以滚动、碰撞、弹跳及空中飞行的方式组合运动。其中在坡面上部(一级陡崖带上部)，以滚动运动为主，在一级陡崖带区域以中飞行方式直接向其下部斜坡体运动，在一级陡崖带下部斜坡区域以滚动、碰撞和弹跳运动能变化方面，崩塌落石的动能与落石的运动方式、运动块体数量、运动距离及落差有关。

根据数值模拟成果表(表4)，可详细的掌握到崩塌落石的集中停留区，主要集中停留在距落石失稳处的413～427 m之间，可到达的最远距离为487.96 m；同时，还可详细的了解各点位运动落石的最大弹跳高度、平移速度、旋转速度、平移动能、旋转动能和总动能等相关运动过程数据。

图4 2-2′剖面模拟弹跳轨迹图

Fig.4 Bounce trajectory of 2-2′profile

图5 2-2′剖面模拟弹跳高度图

Fig.5 Bounce height envelope of 2-2′profile

图6 2-2′剖面模拟停留位置图

Fig.6 End-points location of 2-2′profile

图7 2-2′剖面模拟总动能图

Fig.7 Total kinetic energy of 2-2′profile

表3 2-2′剖面数值模拟成果表

图8 3-3′剖面模拟弹跳轨迹图

图9 3-3′剖面模拟弹跳高度图

Fig.9 Bounce height envelope of 3-3′profile

图10 3-3′剖面模拟停留位置图

Fig.10 End-points location of 3-3′profile

图11 3-3′剖面模拟总动能图

Fig.11 Total kinetic energy of 3-3′profile

表4 3-3′剖面数值模拟成果表

3.5 模拟成果及其运用

通过数值模拟可知，崩塌危岩体自最高点失稳后，以滚动、碰撞、弹跳及空中飞行的方式向斜坡坡脚运动，最终主要堆积于一级陡崖带下部的斜坡体上的耕地内，少量可到达居民区。这与调查的以往发生的崩塌落石的情况基本一致，说明Rockfall数值模拟选取的参数较合理，模拟过程切合实际，模拟结果较为可靠。

运用Rockfall数值模拟，可有效掌握崩塌地质灾害隐患的威胁范围及运动轨迹，了解落石堆积停留区、各区域可能的运动方式及该处的能量变化，减少了崩塌勘查中复杂而大量的计算，为后期的设计提供准确有效的数据服务。因此，在崩塌地质灾害勘查中，其成果运用主要有以下几点：

(1)通过Rockfall数值模拟，可以掌握崩塌落石可能到达的最远距离，为崩塌落石的威胁范围的划定提供了可靠的数据支撑。

(2)通过Rockfall数值模拟，可以了解落石的主要停留区，可结合实际及防治需要为崩塌落石的选择最佳设防位置提供参考。

(3)运用Rockfall数值模拟，可以分析出落石在各点最大弹跳高度、平移速度、旋转速度、平移动能、旋转动能和总动能等详细数据，为崩塌落石防治措施的选取提供了较准确的参数依据。

4 结论与存在的问题

4.1 结论

(1)Rockfall数值模拟随机性强，避免公式计算的单一性，可分析出崩塌落石的主要堆积停留区和最远崩落距离，对崩塌威胁范围的划定具有重要的指导意义，在零星高位崩塌、无崩塌历史的崩塌地质灾害勘查、调查具有重要的参考意义。

(2)运用Rockfall数值模拟，可以获得崩塌落石运动过程中的详细特征数据，为崩塌地质灾害防治设防位置、设防措施的选取提供了较准确的参数依据，是精准设计和治理的有效保障，在高位零星崩塌地质灾害勘查设计中具有重要的参考价值。

4.2 存在的问题

(1)Rockfall数值模拟针对的是零星或小规模崩塌灾害的落石模拟，大型崩塌地质灾害体量大，运动特征复杂，崩落块体间相互作用强烈，其运动特征需做进一步的深入研究。

(2)Rockfall数值模拟过程中对剖面模型进行了简化，坡面参数取值根据调查测绘情况参考相关规范确定，在实际应用中容易受调查测绘精度的影响。