基于孤石全生命周期的危险性评价_黄厚赞.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：黄厚赞，陈凌伟，刘伟，等 基于孤石全生命周期的危险性评价 科学技术与工程，（）：.，（）：.基于孤石全生命周期的危险性评价黄厚赞，陈凌伟，刘伟，张庆华，刘羊，（.广州市城市规划勘测设计研究院，广州；.广东省城市感知与监测预警企业重点实验室，广州）摘 要 近年来，孤石滚落灾害越发受到关注，而对其危险性定量评价的相关研究较少。一方面，孤石具有数量多、规模大、形状不一的特点，对孤石群的稳定性判定是一个问题；另一方面，对孤石影响区域的危险性评价是难点。因此以广州市白云山原始森林公园为研究对象，对此区域开展孤石危险性评价。通过孤石稳定性定性定量综合判断 失稳孤石威胁范围精准划分的方法，考虑多评价因子对研究区危险性进行综合评价。利用熵权法计算各评价因子的权重，基于高精度数字高程模型（，）、地理信息系统（，）软件和岩石崩落分析（，）软件对研究区危险性等级进行划分，将白云山原始森林公园滚石危险范围划分为 个等级：极高危险区、高危险区、中危险区和低危险区。研究成果提出了一套可为其他区域孤石滚落灾害危险区划参考的系统性评价方法。关键词 孤石；稳定性；危险性评价；定量评价；软件中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：广东省重点领域研发计划（）；广东省城市感知与监测预警企业重点实验室基金（）；广州市城市规划勘测设计研究院科技基金（，）第一作者：黄厚赞（），男，汉族，安徽明光人，硕士，助理工程师。研究方向：岩土体稳定性与工程环境效应。：。，（.，；.，），（），（），（），：，；孤石是花岗岩地区中常见的风化产物，是受矿物成分的各向异性排列及裂隙的随机分布影响形成的风化不均的残留体。孤石与岩质崩塌均属于危岩体的一种，两者为并列关系。与崩塌最大不同在于孤石运动能力极强，一旦失稳，经过滚（滑）动、回弹和跳跃等复杂非线性的运动方式向坡底快速冲击时，具有轨迹复杂、冲击能量大、行程远等特点。若滚石运动轨迹上存在人类工程设施，极可能产生灾情。因此，研究孤石（群）滚落灾害的危险性评价具有重要的意义。随着第一次全国自然灾害综合风险普查工作的大力推进，对地质灾害危险性评价的研究也开展得如火如荼。常见的自然灾害如崩塌、滑坡和泥石流的风险性评价体系已日渐成熟，地质灾害风险调查评价技术要求（）等国家及省市级规范也给出了相关要求及指引。但是关于孤投稿网址：石滚落灾害评价的相关研究和规范甚少，现有研究多局限于对孤石运动过程及能量特征的探索，抑或是定性的分析孤石稳定性和危险性，缺少对孤石群稳定性的定量分析以及三维空间下的运动特征描述以及危险性评价。只有先确定孤石的稳定性，才能有针对性地对不稳定孤石的运动特征和威胁范围进行研究。以易发性评价结果对位于高易发区孤石进行影响范围计算是不严谨的。由于孤石滚落发生具有不确定性，落石在二维空间下的运动特征和危险评价的研究都具有一定的局限性，三维空间下的落石运动特征更加符合实际情况。在危险区划分方面常用的方法是理论公式法和数值模拟法，理论公式法虽方便快捷，但误差较大，且不能对危险范围进行分级；数值模拟中构建的三维模型多数精度较低，而滚石运动轨迹对坡向、坡型、坡度和坡表覆盖层等微地貌变化极其敏感。其次，孤石运动过程中能量、分布概率和弹跳高度等是常用的危险性分区指标，在模拟中却常被忽略。现以广州市白云山原始森林公园为例对孤石滚落危险性进行研究。基于无人机航拍技术获取了研究区的遥感影像和高精度地形，结合力学分析，通 过 层 次 分 析 法（，）确定稳定性快速评价方法，以此判断研究区孤石稳定性。继而利用岩石崩落分析（，）软件，以熵权法确定滚石的能量、频率和弹跳高度 个评价因子的权重，进行孤石危险区划分。以期为其他孤石滚落灾害危险性评价提供参考。研究区概况研究区位于白云山原始森林中北部，属低山丘陵地貌。区内最低点高程约 ，坡顶高程约。总体坡度 ，地形起伏变化较大，上陡下缓，坡体前缘为居民区。植被覆盖率高，斜坡中上部植被较为发育，下部植被相对稀疏。基岩岩性主要为中细粒斑状黑云母二长花岗岩，上覆土层多为花岗岩残积土，土层厚度较浅。调查范围以靠近山体一侧用地红线为边界相互连接，向山顶合并成片区，面积约.。坡面孤石发育，孤石共发现并调查 块，总计方量约 .。孤石分布点多面广，平面分布情况如图 所示。通过野外调查发现孤石特征有：外观形态上多为椭球状、块状，埋深浅，在野外较易估算其方量；完整性较好，节理裂隙不发育，属中微风化；基座多为花岗岩残积土，有一定程度冲刷，力学图 孤石整体分布情况.性质不均；孤石多处于基本稳定状态，可能失稳模式多为倾倒滚落式。孤石稳定性分析依据相关规范标准对崩塌地质灾害隐患点的发育程度、稳定性判别的分级标准，结合孤石类危岩体、崩塌失稳特征，采用定性分析与定量计算相结合的稳定性综合评价方法。以现场定性评价法，即工程类比、地质分析法为主，定量评价法，即理论计算、数值计算为辅综合开展孤石稳定性评价。.野外定性评价地质灾害由内因与外因共同控制，外因指的是工程环境条件，内因指孤石自身条件。震动和降雨是诱发因素，在实际工程中多将其作为稳定性的预测变量。在天然工况孤石稳定性评价结果上，震动和降雨按照最危险工况进行评价。根据孤石（群）的特点和上述影响孤石稳定性因素，结合广东省地质灾害特征认定和分级标准，综合判定孤石的稳定性，并参照相关技术单位的划分依据，将孤石按照稳定性分级标准划分，结果如表 所示。.基于 的稳定性快速评价方法孤石稳定性快速评价体系研究思路为：孤石特征详细调查快速评价指标选取评价指标赋值快速评价体系建立稳定性定量快速评价。孤石稳定性受自身条件和环境因素共同影响。环境因素包括斜坡条件，植被覆盖情况及斜坡表面物质组成；孤石自身条件主要包括孤石尺寸、形状、出露形态、埋深、裂隙发育程度等。根据孤石赋存的工程地质条件，指标选取主要是根据野外地质调查情况，并根据专家意见选取了 个对孤石稳定性起重要作用的影响因子。采用层次分析法（）科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：构建判断矩阵，由半定量专家打分，对 个因子建立了 级取值标准，分别计算权重（，）（，），计算结果满足一致性检验要求。稳定性快速评价指标量化取值是根据各指标对孤石稳定性的影响程度以及对野外定性评价结果的考量所赋予相应的数值，最终建立表 所示的评价指标取值标准。.孤石不稳定指数的计算各评价指标的权重按照表 取值，通过定性分析确定评价指标的单因素分级指数。在此基础上，根据式（）和各指标相互作用关系矩阵，即可计算出表征孤石稳定性的不稳定指数。（）式（）中：为第 个指标单因素分值；为指标权重；为降雨和地震修正系数。孤石不稳定指数（，）是综合多个评价因子累加指标权得到的用于评价单体孤石稳定性的一个无量纲数值。取“”代表天然状态，此时降雨和地震对孤石稳定性不产生影响；降雨和地震主要通过基座变形影响孤石稳定性。因此，对基座变形程度的修正系数 可按表 确定（修正系数通过对广州其他几个行政区孤石稳定性综合评判得到），其余修正系数取，求得降雨和地震条件下的孤石不稳定指数。.孤石（群）稳定程度分级分级界限值依据其他几个项目的经验进行取值，已在广州市白云区其他地块得到验证。根据计算得到的，与表 对比可以定量地确定出该区域每一块孤石的稳定性，便可有针对性地采取合适的治理措施，避免过度治理或遗漏未治。.现场快速评价结果根据孤石野外定性判断结果结合孤石稳定性快速评价方法，在天然、暴雨和地震工况下的稳定性统计情况见表。.基于解析法和数值法的定量计算选取具有普遍性和代表性，以及稳定性需进一步确定的孤石开展深入研究，采用定性计算与数值模拟相结合的方法。分别选取滚落式和滑移式两种破 坏 模 式 下 的 孤 石，为 和（图）。孤石等效尺寸为.，所处在一陡坎处，地形坡度较陡；植被稀少，基本无埋深；孤石等效尺寸为.，所处地形较陡，坡表无植被，基座及周边岩土体有冲刷迹象。表 孤石稳定性分级标准 分级稳定较稳定不稳定主要特征所处地形为平台或缓坡；汇水面积小，排水条件好，强降雨时雨水入渗较少，植被茂盛；基座土体密实、均匀、干燥，岩层单一、无软弱结构面；孤石直接坐落于基岩之上，且基岩面平缓，埋深大，基座受雨水冲刷程度小；孤石微风化、完整性好，节理裂隙不发育；孤石周边岩土体无变形破坏迹象所处地形为缓坡；汇水面积较大，排水条件比较通畅，强降雨时雨水较易渗入，植被较茂盛；土体结构较松散、土质不均匀、透水性较好；孤石与基岩（母岩）之间有填充物，埋藏较浅；基座受雨水冲刷淘蚀迹象明显；孤石风化程度较高、完整程性较差，节理裂隙较发育；孤石及周边岩土体局部有变形破坏迹象所处地形为陡坡或陡崖；汇水面积大，排水不通畅，强降雨时雨水大量入渗，植被稀少；土体结构松散、透水性好；孤石与基岩（母岩）的胶结差，埋藏浅，部分悬空，基座受雨水冲刷或淘蚀严重，可见明显的冲沟或空腔；孤石风化程度严重、完整性差，节理裂隙发育；孤石及周边岩土体有明显变形破坏迹象，且进一步变形的趋势明显表 孤石（群）评价指标取值标准 （）影响因素评判分值.权重 自身条件孤石埋深无埋深浅埋深埋全埋.孤石形状球体椭球体块体片状.尺寸大小大型中型小型微型.结构类型破裂散体层状块裂整体块状.环境因素地形坡度 .植被发育裸露稀少较茂盛茂盛.基座变形裂缝、掏空淘蚀冲刷无变形.基座岩土体残积土全风化强风化中微风化.诱因降雨.地震.注：、分别为降雨和地震修正系数。，（）黄厚赞，等：基于孤石全生命周期的危险性评价投稿网址：表 降雨和地震条件下评价指标修正系数 评价指标评价指标基本状况基座变形程度（）天然.降雨.震动表 孤石（群）稳定性分级 （）孤石不稳定指数 稳定性程度评价指标基本状况稳定 欠稳定不稳定表 孤石稳定性统计表 序号天然暴雨地震稳定性程度数量个稳定性程度数量个稳定性程度数量个稳定稳定稳定欠稳定欠稳定欠稳定不稳定不稳定不稳定图 两种不同失稳模式下的孤石.静力解析法根据现场调查情况，对孤石的结构类型、埋藏深度、基座岩土体性质及变形特征综合分析来确定孤石潜在的失稳模式。针对不同失稳模式采用不同的理论计算公式。）倾倒滚落孤石可分为原地风化的基岩或后期经外动力作用搬运至此的孤石两类。部分或全部出露于残坡积物中，坡度一般较陡，在 ，呈椭球体球体，磨圆较好。岩体受雨水侵蚀强烈、汇水面积较大，植被稀少，岩体基座及周围岩土体受水流冲刷淘蚀较明显，局部有变形的现象，在极端天气等不利条件下有失稳的可能。其稳定性计算方法参照倾倒式危岩体的计算方法，示意图如图 所示。图 倾倒滚落失稳破坏稳定性计算图.（）式（）中：为孤石的重量，；为转点 至重力延长线的垂直距离，；为孤石承受的水平地震力，；为转点 至水平地震力延长线的垂直距离，。）牵引滑移牵引滑移失稳破坏，位于坡表的孤石，在重力和水平地震力作用下，沿坡表滑移失稳，主要发育在冲沟或坡表覆盖层上，整体呈块状椭球状，岩体基座周围土体多被雨水强烈冲刷侵蚀，岩体与岩体间沿冲沟成片分布，一旦下部岩块受外力作用失稳，上部岩体与覆盖层间摩擦力小于岩体下滑力，岩体整体受下部基座影响而失稳滑动。其稳定性计算可参照滑移式危岩体计算方法，示意图如图 所示。（）（）式（）中：为孤石高度，；为孤石所处坡度，（）；为孤石与坡表接触面的黏聚力，；为孤科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：石与坡表接触面的摩擦角，（）。在计算前，首先要获得准确的岩土体参数，通过室内试验测定孤石物理力学参数，然后根据现场类比法以及反演分析法，结合工程地质手册水文地质手册等资料，对边坡及孤石的岩体力学参数进行优化，综合确定岩土体物理力学参数见表。根据中国地震动参数区划图（），广州市白云区的抗震设防烈度均为 度，地震动峰值加速度取值为.（为重力加速度），综合水平地震系数 按建筑边坡工程技术规范（）.节取值为.。孤石稳定性评价标准参考崩塌防治工程勘察规范并根据研究区孤石所处工程地质条件划分，如表 所示。根据孤石的形状及基座状况，结合其埋深情况判断孤石可能的失稳模式，选择合适的计算模型计算其稳定系数，最后根据表 判断孤石的稳定性。计算结果见表。通过计算结果可知，在暴雨工况下孤石 和 均处于不稳定状态，与定性和快速评价方法一致。图 牵引滑移失稳破坏稳定性计算图.表 斜坡各层岩土体的物理力学参数 岩土名称重度 （）摩擦角 （）黏聚力 天然饱和天然饱和天然饱和残坡积土 强风化花岗岩.中风化花岗岩.微风化花岗岩.表 孤石稳定性评价标准 类型不稳定（类）欠稳定（类）稳定（类）倾倒滚落.牵引滑移.表 暴雨工况孤石稳定性计算结果 孤石编号失稳模式稳定系数稳定性倾倒滚落.不稳定牵引滑移.不稳定.数值计算法针对不同失稳模式，采用不同的稳定性计算方法。由于斜坡整体稳定性较好，研究中不考虑斜坡大范围滑动导致的孤石失稳，只考虑孤石自身滚动或滑动。对于牵引滑移式，其失稳模式类似于滑坡的过程，有固定的滑移面，即孤石与斜坡的接触面为滑动面，指定滑面计算稳定性即可；对于倾倒滚落式，其失稳的原因是因为孤石底部起支撑作用的土体失稳。因此，只需对孤石起支撑作用这部分土体，不断搜索最危险滑面，计算稳定系数。对 和 孤石在 种工况下的稳定性进行数值法计算，工况一为天然状态，工况二为暴雨状态，工况三为地震工况，计算参数根据表 选取，数值计算结果见表，可以发现数值计算结果与解析法计算结果一致，互相印证，证明了结果的准确性。表 孤石稳定性计算结果 孤石编号失稳模式稳定系数稳定性天然暴雨地震天然暴雨地震倾倒滚落.稳定较稳定 不稳定牵引滑移.稳定较稳定 不稳定 孤石崩塌灾害危险性区划孤石崩塌灾害的危险性主要由两个因素决定：孤石的稳定性和滚石的威胁范围。稳定性结果已通过定性和定量方法得到，接下来只需获得不稳定和欠稳定孤石的运动轨迹。数值模拟是目前针对孤石运动过程研究应用最广的方法之一，采用中科院兰恒星课题组开发的产品，在国际上许多重大项目中得到应用。.孤石运动轨迹及特征.孤石运动轨迹以暴雨工况为例，根据稳定性判定结果，对欠稳定（个）及不稳定孤石（个）的运动过程进行模拟。孤石在运动过程中主要受地形和斜坡表层属性的影响，软件通过数字高程模型（，）自动提取坡向、坡度和高程等要素，结合斜坡表层属性，共同影响孤石的运动轨迹。斜坡表层属性主要通过法向、切向恢复系数和摩擦角进行量化，取值见表。，（）黄厚赞，等：基于孤石全生命周期的危险性评价投稿网址：表 坡表模拟参数取值 坡表特征法向恢复系数 切向恢复系数 摩擦角（）坚硬较光滑的基岩面或铺砌面.基岩和砾岩的斜面.硬土或少量植被覆盖斜面.茂密植被覆盖斜坡或软土边坡.将孤石信息、坡表属性和 等添加到 中，并在 模块中调用，通过坐标系的转换以及有关动力学计算，量化孤石三维运动轨迹特征，图 为由 软件模拟的孤石三维运动轨迹，一小部分孤石运动至房屋，严重威胁民房安全，大多孤石并未到达居民区即停止运动。图 为 侧运动至房屋一个孤石的轨迹断面图和速度图。孤石运动轨迹贴近坡表，运动最大距离近 ，已经严重威胁了民房的安全，运动至.时，速度达到最大值，冲击能量同时也到达最大，最终停止位置已到达民房，极有可能威胁到下方居民和建筑的安全。图 孤石三维运动轨迹 .孤石运动特征孤石在运动过程中获得速度和能量，能量分布如图 所示。同一个孤石速度越大，能量越大，最大能量分布在斜坡中部，最小能量则在每个孤石轨迹停止处。图 显示的是孤石轨迹的频率分布。频率指轨迹在每个栅格中所占数量的百分比，反映孤石运动的空间分布特征。最大频率分布在孤石发育密度较高区域，因为孤石较多，轨迹更容易密集相交。除此之外，滚石频率受地形影响明显，会集中在如冲沟处运动，从而导致轨迹密集，频率过高。图 为滚石在研究区的弹跳高度分布特征。孤石弹跳高度受下落速度、地形和坡表材质影响明显，下落速度大，地形平直，坡表坚硬，则弹跳高度更高。.孤石危险性分区.熵权法确定危险性评价因子权重以滚石的能量、频率、和弹跳高度作为危险性的评价因子，利用熵权法通过公式计算确定各个因素的权重，公式为 （）()（）（）()（）式中：为单个评价因子的信息熵；为单个评价因子的数据个数；为第 个评价因子中第 个数据所占的比重；为归一化后的评价因子；为评价因子的个数；为评价因子的权重。通过 提取孤石的危险性评价因子的数值数据，根据式（）式（）计算得到能量因子权重为.、高度因子权重为.和频率因子权重为.。.危险性评价结果将速度、高度和频率因子归一化后，利用式（）科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 孤石二维运动轨迹及速度图.图 孤石运动能量特征 赋值权重后叠加求和，最后采用快速聚类法（）对危险性进行分级，获取分级阈值。再根据实际野外调查灾害点的分布特征，对分级阈值进行修正，最终划分孤石危险性等级：极高危险区、高危险区、中危险区和低危险区，实现孤石的危险性评估制图（图）。（）式（）中：为第 个栅格的危险性；、和 分别为频率、弹跳高度和能量的权重系数，按.节取值；、和 分别为第 个栅格单元上孤石经过的频率、弹跳高度和能量。从危险性分区图（图）可以发现：仅有部分居民的生命财产受到威胁，主要分布在研究区 方向以及正 向斜坡坡脚处，处在中危险区内，已用红色虚线圈出，其余地方居民生命财产受威胁程度低。极高危险区面积约为 ，占比.；高，（）黄厚赞，等：基于孤石全生命周期的危险性评价投稿网址：图 孤石运动频率特征 图 孤石运动高度特征 危险区面积约为 ，占比.；中危险区面积约为 ，占比.；低危险区面积约为 ，占比.。此时在承灾体调查基础上，只需确定承灾体综合易损性，即可形成风险评价结果。利用工作特征曲线（，）检验危险性评价模型的准确性，一般采用曲线以下面积 来评价模型精度，曲线约接近左上角，评价结果越理想。危险性评价结果 曲线见图，曲线下的面积（，）为.，说明此次危险性评价结果具有很好的准确性和可信度。结论（）在工程地质分析和野外定性判断的基础上，建立了基于 法的孤石稳定性快速评价方法，采用定性定量相结合方法综合判断孤石稳定性，辅之以解析法和数值计算校核，种方法综合穿科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 孤石崩塌灾害危险性分区图.图 曲线结果.插使用增加了稳定性判断的可靠性、准确性和实操性，形成了一套“野外定性判断 快速评价 定量校核”的稳定性评价体系。（）基于高精度 采用内嵌于 的三维数值模拟软件，以暴雨工况为例对不稳定孤石的运动轨迹和威胁范围进行模拟，获得了研究区内孤石的能量、频率和弹跳高度等运动特征，并将其作为危险性区划的重要评价因子。（）利用熵权法确定能量、频率和弹跳高度 种评价因子权重，分别为.、.和.。基于 模型按权重对 种评价因子进行空间栅格叠加计算，通过快速聚类法对危险区分级，划分威胁对象。极高危险区面积约占研究区.；高危险区面积约占.；中危险区面积约占.；低危险区面积约占.。若叠加易损性结果，即可形成风险性评价结果，针对性制定防治策略。参考文献 丁斌，孟永旭，裴晓东 尼泊尔某项目滚石灾害的工程地质调查与评价 工程地质学报，（）：.，（）：.吴红刚，牌立芳，王飞，等 不同结构面落石对坡面冲击的动力响应研究 铁道工程学报，（）：，.，（）：，.栗倩倩，史绪山，柴波，等 台风非台风降雨型滑坡的多时段临界雨量值预测模型 地质科技通报，（）：，（）：孟晖，张若琳，石菊松，等 地质环境安全评价 地球科学，（）：.，（）：.，（）黄厚赞，等：基于孤石全生命周期的危险性评价投稿网址：郑光，许强，巨袁臻，等 年 月 日贵州纳雍县张家湾镇普洒村崩塌特征与成因机理研究 工程地质学报，（）：.，（）：.郝文新 地质灾害风险评估模型构建与应用研究 北京：中国矿业大学（北京），.：（），.陈攀，葛永刚，孙庆敏，等 基于小流域单元的泥石流易发性评价 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