納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體崩塌影響范圍預測

焦 為，楊根蘭，李一菲，黃祖英，蔣文杰，王中美

(1．貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550000； 2.貴陽建筑勘察設計有限公司，貴州 貴陽 550000)

納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體崩塌影響范圍預測

焦 為1，楊根蘭1，李一菲2，黃祖英2，蔣文杰1，王中美1

(1．貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550000； 2.貴陽建筑勘察設計有限公司，貴州 貴陽 550000)

危巖體；崩塌；Rockfall軟件；理論計算；影響范圍；預測；納雍縣

采用理論計算與Rockfall軟件模擬相結合的方法，預測了貴州省納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體崩塌后的最大影響范圍和最可能影響范圍。分析結果表明，研究區內最大影響范圍和最可能影響范圍在地形較陡的溝谷附近差別較大，而在地形較緩處差別較小。對于危巖所威脅的3個自然村組，由于其位于危巖崩塌失穩后的不同影響范圍，因此提出大屯上組搬遷、偏坡寨組設置攔石網防護，河頭上組不需進行任何防護處理的建議。

崩塌是位于陡崖、陡坎、陡坡上的土體、巖體，以及它們的碎屑物質在重力作用下失穩而突然脫離母體發生崩落、滾動、傾倒、翻轉堆積在山體坡腳和溝谷的地質現象[1]。崩塌的最主要特征是發生突然、下落速度快，有時即便是較小體積的崩塌，也可能造成生命財產的巨大損失[2]。對于山區崩塌災害，除采取加固、清除、攔截危巖和被動遮擋建筑物等治理措施外，主動搬遷避讓也是常見的處理措施之一。但要離危巖坡腳多遠才是安全的，或在多大范圍內劃定人類活動禁忌區，就需要科學預測危巖可能的影響范圍。納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體位于納雍縣王家寨鎮偏坡寨組東側和南東側斜坡上部，陡崖崩塌危巖體下部可能影響范圍內有河頭上組、偏坡寨組和大屯上組，共有居民130戶527人，崩塌災害區綜合平面圖見圖1。不管是采取搬遷還是其他治理方案，都應先預測危巖體失穩后的影響范圍。選擇納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體為研究對象，分析危巖體失穩后是否會影響下方3個村民組群眾的生命財產安全，并圈定人類活動禁忌區。目前，預測崩塌災害影響范圍的方法主要有理論計算法[3]、軟件計算法[4]和現場統計法[5]。本研究采取理論計算與Rockfall軟件計算相結合的方法，預測該崩塌災害的最大影響范圍和最可能影響范圍，希望能為治理提供理論依據。

1 研究區概況

納雍縣地處貴州高原西北部，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛。該縣多年平均氣溫13.6 ℃，最高34.1 ℃，最低-9.6℃， 多年平均降水量1 243. 9mm，降雨主要集中在5—9月，期間降雨量占全年降水量的73.7%。危巖體分布區位于長江流域烏江水系，危巖體兩側發育有南東—北西向的季節性沖溝，沖溝洪水季節性流量20—100 L/s，流量動態變化大。地貌上，危巖分布區屬溶蝕—侵蝕地貌，總體地勢南東高北西低，最高點為陡崖東側轎子山山頂，標高+1 995.6 m，陡崖北西側河谷地勢最低，標高+1 309.4 m，最大相對高差686.2 m。地形受地層巖性的影響大，寒武系牛蹄塘組(ε1n)、寒武系明心寺組(ε1m)、二疊系下統梁山組(P1l)地層分布地帶地形較緩，自然坡度一般20°～35°；石炭系擺佐組和黃龍組(C1b+C2hn)、石炭系馬平群組(C3mp)地層分布地帶地形較陡，自然坡度一般大于30°，并于斜坡上部地段形成陡崖。受區域構造影響，巖體節理裂隙發育，巖層中主要發育三組節理裂隙：第一組為50°～70°∠65°～85°，裂隙間距1～2 m、長1～3 m；第二組為300°～330°∠80°～90°，裂隙間距0.5～2.0 m、長2.0～5.0 m；第三組為135°～150°∠60°～80°，裂隙間距1.5～4.0 m、長2.0～4.5 m。受多組節理裂隙切割，巖體完整性較差。

2 危巖體可能破壞形式

納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體所在位置斜坡坡度60°～90°，斜坡下部自然坡度20°～35°，崩塌方向280°～310°，危巖體高50～110 m、厚30～100 m、長約1 130 m，崩塌危巖體體積約339萬m3，崩塌規模類型為巨型，崩塌類型主要為傾倒式和墜落式復合型。崩塌危巖體發生于石炭系擺佐組和黃龍組(C1b+C2hn)地層中，巖層產狀270°∠5°，巖層傾角較緩，斜坡上部為灰巖和白云巖，巖體豎向節理極發育，斜坡中部和下部出露泥巖和泥質砂巖，形成軟基陡崖，山坡頂部巖體沿節理面已出現多處裂縫，山坡上裂縫走向為25°～50°，長1～30 m，寬10～25 cm，可視深度1～8 m，相間發育少量長1～18 m的次一級裂縫。崩塌塊石最小為0.2 m×0.3 m×0.6 m，最大達3 m×3 m×2 m，崩塌堆積體前緣滾石曾距離村民房屋約2 m，所幸未造成危害。崩塌堆積體主要分布于陡崖坡腳緩坡帶和溝谷，厚度一般為2～5 m，局部地帶可達10 m左右。由于特殊的地形地質條件，造成陡崖處地裂縫有加寬增大的趨勢，崩塌危巖體隨時可能發生崩塌掉塊，對村寨居民造成危害的可能性和程度均較大。

3 分析方法

3.1 Rockfall軟件計算

Rockfall是一款邊坡落石統計分析軟件，目前在落石運動軌跡研究中使用較多，在危巖影響范圍預測方面亦有應用[6]。Rockfall是一個二維分析軟件，其分析思路為：給定一個具有一定質量和初速度的點狀或線狀巖塊，繪制計算剖面，并根據實際情況賦予每一坡段相應的計算參數，巖塊在計算剖面上經過一系列碰撞、滾動、滑動運動，當實際運動速度小于擬定停止的最小速度后巖塊即停止運動。分析過程大致如下：第一步，在軟件中建立邊坡模型；第二步，定義邊坡參數(包括坡體材料的法向恢復系數、切向恢復系數、摩擦角、粗糙度)；第三步，定義巖塊參數(包括巖塊的水平、垂直初速度和巖塊的質量等)；最后，計算并進行結果分析。

3.2 理論分析思路

為研究崩塌的最遠影響范圍，在理論分析過程中特做如下假定：崩塌巖塊在運動過程中為二維平面運動，不考慮巖塊體之間的相互作用；邊坡材質各段物理性質均一，坡面形狀由若干段折線組成，坡面材料均勻，在與巖塊體接觸碰撞時不發生破碎損壞；巖塊體簡化為球體，質量分布均勻，且為各向同性理想彈性體，在碰撞過程中也不發生破碎。

對于滑移式崩塌，其運動過程存在崩塌面上滑移的階段，然后才產生彈跳等后續運動。因此，將其計算過程大致分為三步：第一步計算崩塌巖塊在脫離母巖瞬間，沿崩塌面方向的瞬時速度；第二步計算第一次落地彈跳運動后巖塊的瞬時速度；第三步重復第二步計算過程，當第n次彈跳的跨距小于某一數值，且落地點附近地面斜坡沒有突然變陡時，則可認為彈跳終止，第n次彈跳的落地點即為崩塌影響范圍的邊界。巖塊理論計算運動軌跡示意見圖2，具體計算過程如下：

(1)崩塌巖塊初始速度。巖塊在崩塌面上的運動形式十分復雜，常常是滑移和翻滾共存。研究區危巖破壞方式以滑移為主，故按滑移破壞形式進行分析。根據推導，巖塊完成滑移，脫離母巖瞬間，沿崩塌面的速度計算公式為

(1)

式中：α為崩塌面的傾角，(°)；L為崩塌面的長度，m；φ為崩塌面上的摩擦角，(°)；g為重力加速度，m/s2。

對速度進行分解，得到

(2)

式中：V0S為水平速度，m/s；V0H為垂直速度，m/s。

(2)自由落體運動軌跡方程。當崩塌巖塊脫離滑移面自由墜落時，忽略空氣阻力，巖塊在水平方向做勻速運動，在豎直方向做加速運動。在任意時間t，崩塌巖塊的運動軌跡方程可寫為

(3)

式中：S1為水平距離，m；H1為垂直距離，m。

(3)巖塊落地瞬時速度。因巖塊在此過程做自由落體運動，故在落地碰觸地面前的瞬時速度為

(4)

式中：V1S為水平速度，m/s；V1H為垂直速度，m/s。

沿巖塊落地入射線方向的速度V1與巖塊落地入射線與水平線的夾角α1的計算公式為

(5)

(4)巖塊反彈后速度和運動軌跡方程。設巖塊落地時與地面成點接觸，落地點一定范圍內的地面光滑平整，按入射角與反射角相等原理，巖塊反彈射線與地面的夾角和巖塊落地射線與地面的夾角相等，均等于α1-β，其中β為地面線與水平面的夾角。巖塊反彈射線與水平線的夾角為α1-2β，見圖3。

設崩塌巖塊落地點的反彈系數為K，巖塊反彈瞬間的反彈速度因動量損失而減小，其相應的反彈速度V01為

(6)

分解后的速度計算公式為

(7)

式中：V01S為水平速度，m/s，V01H為垂直速度，m/s。

巖塊反彈后的運動軌跡方程為

(8)

式中：S2為水平距離，m；H2為垂直距離，m。

按以上方程進行多次彈跳計算，當第n次彈跳的跨距小于某一數值，且落地點附近地面斜坡沒有突然變陡時，則可認為彈跳終止，同時可認為第n次彈跳的落地點即為崩塌影響范圍的邊界。

4 危巖失穩影響范圍預測

4.1 計算剖面和參數選取

做好防洪除澇工作是社會管理的重要內容之一，也是確保崇明縣居民正常生產生活的根本保障，對加速崇明生態島建設具有重要意義。防洪除澇不僅涉及調蓄、排澇，也包括水利設施的建設、管理。建議在防洪除澇的過程中，還需要抓好以下幾方面內容：①水利設施管養單位做好對河道、水閘、泵站、排水管道等設施的日常管理和維護，確保在汛期能夠正常運作；②防汛成員單位要做好對防汛隱患問題的排查，按照職責分工和防汛預案的要求自覺落實整改；③職能部門要建立健全長效管理機制及考核辦法，提高對突發防汛問題的應急處置能力。

根據地形地貌特征和可能崩塌主方向，以居住區為重點關注對象，選取圖1中所示的5條剖面，分別從不同方位計算危巖崩塌可能影響的范圍。巖塊起崩點速度根據其滑移距離計算，坡面的切向、法向恢復系數和摩擦系數根據坡面植被覆蓋和坡面巖土結構特征，結合參考文獻[7-9]綜合確定。根據坡面植被發育程度分為4個坡段，最上方為基巖裸露坡段，向下依次為草地、灌木地和稀疏喬木坡段。不同坡段計算參數見表1。

4.2 計算結果

4.2.1 單個剖面計算

根據危巖體結構特征分析，最大崩落巖塊體積約為3 m×3 m×2 m，計算時巖塊重量按最大體積計算，密度取平均值2 650 kg/m3，即巖塊質量為47 700 kg。將上述參數輸入軟件，得到各剖面巖塊可能運動的最遠距離。以典型剖面2-2為例，剖面巖土組成見圖4，理論計算和軟件計算結果見圖5。

理論計算和軟件計算得到的危巖最大影響范圍結果見表2。理論計算結果比軟件計算結果偏大：4-4剖面兩種方法計算得到的危巖崩塌最大水平距離差值最大，達129 m，其他4個剖面的計算結果比較接近，尤其3-3剖面差值最小，即表現為地形較陡的溝谷附近差別較大而在地形較緩處差別較小。存在上述差異的主要原因是兩種方法采取的假設條件不同：理論計算是基于彈跳理論計算公式，假設“落地點一定范圍內的地面光滑平整，入射角與反射角相等”，其計算結果考慮的是最不利因素組合，使計算結果保守、偏大；Rockfall數值模擬軟件在模擬中考慮的影響因素較多，去掉了理論計算中的部分假設，計算結果較小。

4.2.2 整體影響范圍預測

理論計算與軟件計算方法確定的危巖體崩塌失穩最大影響范圍見圖6。軟件計算考慮了巖塊體的形狀、大小、密度、初始運動速度、坡面幾何形態、坡面物理力學特性，通過坡面滑動摩擦系數、粗糙度﹑法向和切向恢復系數等參數的選取輸入，模擬危巖體運動軌跡。軟件計算法考慮的影響因素與實際的情況基本吻合，能合理預測危巖體失穩的影響范圍，因此可將其預測結果作為最可能影響范圍，而理論計算結果可作為危巖失穩的最大影響范圍。納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體若發生崩塌，整個大屯上組和近一半偏坡寨組居民將處在危巖最大影響范圍內，近1/3的偏坡寨組居民處于危巖最可能影響范圍內，河頭上組居民位于危巖最大影響范圍以外。

5 結 論

(1)理論計算方法主要是基于彈跳理論計算公式，把巖塊體的運動簡化為n次彈跳過程，采用理想化的假設，造成計算結果保守、偏大。Rockfall軟件計算方法通過輸入不同參數和不同坡面特性，考慮的參數與實際工況較接近，模擬結果較合理。

(2)理論計算的預測結果可以作為Rockfall軟件計算的參考，兩種計算結果可相互比較，從而劃分出危巖體崩塌的最大影響范圍和最可能影響范圍。分析結果表明，研究區內最大影響范圍和最可能影響范圍在地形較陡的溝谷附近差別較大，而在地形較緩處差別較小。

(3)Rockfall軟件計算和理論計算結果表明，納雍縣王家寨鎮偏坡崩塌危巖體若發生崩塌，整個大屯上組和近一半偏坡寨組居民在危巖最大影響范圍內，近1/3的偏坡寨組居民位于危巖最可能影響范圍內，建議對大屯上組采取搬遷的防護措施，偏坡寨組采取設置攔石網措施。河頭上組居民位于危巖最大影響范圍以外，不需對其進行相關防護。

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[3] 徐一帆,湛亞禮,鄧瑞傳,等.幾種確定崩塌危巖體崩落影響范圍方法的比較及應用[J].凱里學院學報,2013,31(3):102-104.

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(責任編輯 李楊楊)

S157.2

A

1000-0941(2015)03-0058-04

焦為(1989—) ，男，貴州平壩縣人，在讀碩士，主要研究方向為地質工程。

2014-12-01