危岩崩塌灾害运动过程与危险性评估——以同关口景区为例_袁镜清.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.011收稿日期：2022-07-29作者简介：袁镜清（1984-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事地质灾害危险性评估研究，E-mail：。危岩崩塌灾害运动过程与危险性评估以同关口景区为例袁镜清（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）摘要：危岩是景区常见的地质灾害之一，在降雨或地震作用下易形成崩塌灾害。现阶段对崩塌灾害的分析与预测多是基于地形剖面的二维方法，限定了崩塌块石的运动方向，难以对崩塌的影响范围进行有效评估。鉴于此，借助现场调查、基于无人机航摄的高精度三维地貌建模和崩塌运动的三维数值模拟等方法，以同关口景区为例，分析了坡体结构特征和危岩区特征以及各危岩体的稳定性，并进行了崩塌块石的运动过程模拟。结合危岩稳定性计算结果和运动影响范围分析，确定了同关口景区危岩的危险性。结果表明，景区危岩体呈现数量多、体积大等特点，部分危岩处于不稳定状态，危岩一旦失稳主要威胁景区道路，最大能量达到13 000 kJ，相关模拟和评价结果对危岩崩塌防护具有指导意义。关键词：危岩体；稳定性；危险性评价；同关口景区中图分类号：P642.21文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0046-051前言近年来，自然灾害已成为制约我国旅游业可持续发展的重要因素之一，旅游安全问题格外受到重视。以我国旅游大省四川省为例，其中2008年的汶川地震、2009年绵阳和达州等地暴雨以及2010年阿坝的泥石流，对于以九寨沟、黄龙、四姑娘山和青城山等世界遗产为代表的四川诸多旅游景区造成了惨重损失。因此，研究旅游景区潜在的地质灾害（危岩崩塌、滑坡等）显得十分重要。发生危岩崩塌时，危岩在内力、外力作用下从母岩剥离，在重力作用下产生巨大能量，会对坡脚建筑工程和人身安全造成严重损害。国内外学者对崩塌运动特征的研究主要集中在崩塌体的运动形式和影响因素方面，由于崩塌灾害的突发性强，难以在自然界直接观测到其运动过程。目前，对于危岩崩塌运动特征主要研究方法有统计学分析、理论分析、现场试验、模型试验和数值模拟。吕庆等1以工程运用为出发点，将滚石运动形式分为飞落、滑动、碰撞弹跳和滚动过程，基于运动学方程建立了滚石以单一形式运动的最远距离公式。吕庆等2设计正碰试验研究了碰撞速度、入射角和落石方量等因素耦合作用下落石撞击斜面的破裂效应及恢复系数变化，发现滚石破裂存在法向速度阈值，揭示了滚石坡面碰撞破裂机理。姬中民等3利用自研发碰撞装置，深入研究了落石形状和尺寸对碰撞恢复系数的影响，表明相对于切向恢复系数，法向恢复系数对形状变化更为敏感，法向恢复系数和切向恢复系数均与形状呈负相关，且敏感性较高。王豪等4对比了目前常用的崩塌落石软件，并提出了一种分析崩塌运动过程的新方法。以同关口景区为研究对象，结合无人机航拍与地质调查资料，对危岩体进行识别解译，获得危岩体详细数据，并进行稳定性分析。采用刚体动力学方法对各危岩体进行运动过程分析，最后结合危岩稳定性与运动范围对景区内危岩体进行了危险性评价。2同关口景区危岩体基本特征2.1区域地质概况同关口景区位于单斜低中山峡谷区，行政区划上属于剑门关镇，受龙门山褶皱断裂影响，地形普遍向上抬升，向北抬升幅度较大，向南渐次减缓，形成了北坡陡峭、南坡缓斜的单斜山体。46出露地层由老到新依次为：古生界寒武系下统、二叠系下统；中生界三叠系下统、上统，侏罗系下统、中统、上统，白垩系下统以及第四系全新统地层。区内出露基岩为沉积岩，最老为寒武系，最新为白垩系。岩性主要为砂岩、泥岩、砾岩及页岩等。地表水主要赋存于沟谷地带的冲沟中，接受降雨补给，在北西侧地势低洼处排泄，雨季水量大，旱季基本无地表水。地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，其水量主要受大气降雨补给，沿贯通裂隙面向地势低洼处排泄。景区内人类工程活动主要表现为景区道路及景区设施的修建。景区道路及景区设施基本旁山而建，局部存在开挖施工，形成高2.010.0 m不等的人工开挖岩质边坡及土质边坡。景区道路及设施目前已基本建成，对景区斜坡稳定性影响相对较小。2.2坡体结构特征由于危岩位于斜坡顶部，难以采用传统人工测量手段进行勘察工作，遂利用无人机航测技术，生成景区三维倾斜摄影模型，可以对斜坡和危岩体进行详细解译和分析。景区内边坡主要发育3组优势结构面（图1）：第1组C1为缓倾坡内的层面，产状15410，间距25 m，构成了失稳块体的底部边界。第 2 组 J1 为陡倾坡外的节理面，产状 3385，面平直微粗糙，延伸较长，最大可见长度50 m，间距13 m，节理张开25 cm，未见充填。该组节理构成了失稳块体的左边界。第3组J2为近正交于坡面的节理面，产状31080，面平直粗糙，间距2050 cm，延伸长度520 m，闭合，构成了失稳块体的右边界。此外，岩体中局部可见切割较小的倾向坡外的卸荷裂隙。研究区内斜坡倾向为2030，上部崖壁角度7080。根据结构面与坡面的组合关系分析，边坡属于较稳定结构，但边坡上部受切割的块状岩体将沿节理面J2（基底滑动面）产生滑移失稳（图2），边坡结构存在长大结构面（图3）。也正因为如此，切割出的危岩体体积相对比较大。结合边坡现场调查及赤平投影图结果，对边坡结构面组合关系进行分析，发现边坡岩体结构面呈大角度相交，形成了由若干岩块组合而成的类楔体结构。位于陡崖上的岩石块体易在重力、裂隙水压力或地震作用下稳定性衰减而形成危岩。由于多组结构面的存在，各边坡陡壁上完整岩体被切割成块状危岩，在外力作用下发生失稳时，单体危岩或危岩组（多块单体危岩组合）将呈阶梯状方式逐渐沿基底结构面滑移破坏或沿后缘结构面拉裂坠落。2.3危岩发育特征该危岩带长轴方向沿山体展布，各危岩崩塌均分布在边坡附近。受2008年汶川地震的影响，岩体J2C1J1图1结构面发育特征图2节理等密度图0.0%2.5%2.5%5.0%5.0%7.5%7.5%10.0%10.0%12.5%12.5%15.0%15.0%17.5%17.5%20.0%20.0%22.5%22.5%25.0%1:C 1:15410WNES2:J 2:33853:J 3:310804:坡向FisherConcentrations%of total per 1.0%areaEqual AngleUpper Hemisphere18 Poles18 EntriesNo Bias CorrectionMax.Conc.=20.289 3%图3长大结构面示意图C1J1J2C1第9期袁镜清：危岩崩塌灾害运动过程与危险性评估第58卷47呈碎裂结构，危岩体大多被结构面切割成块状。总体上，区内斜坡呈上陡下缓的地形，上部基岩裸露，为陡坡或陡崖，分布有大量危岩体。下部植被发育，坡表覆土层较厚。区内边坡出露的地层岩性主要为白垩系下统剑门关组砾岩，浅灰色，呈块状结构，岩性单一。由于研究区崩塌带由不连续的多个危岩体组成，对此，基于遥感影像解译结果，根据各崩塌体的空间分布位置和崩塌方向等，将崩塌带内的崩塌体划分为10处危岩体。斜坡部位上已产生变形迹象的危岩体，随着风化作用及其他外力共同作用，这些危岩体极易发生失稳破坏，危及下方景区运营安全。基于研究区三维实景模型，首先对崩塌带内发育的高陡边坡危岩体进行精准识别，然后在此基础上，对识别出的危岩体的几何尺寸、分布位置和结构面特征等要素进行定量化勘测，最终实现查明崩塌带区域内任意一个危岩体的准确几何特征、空间特征和地质特征。根据结构面的展布位置和组合特征，可以将识别出的危岩体分为大规模危岩体（体积大于1 000 m3）b1、b2、b3和b4以及小规模危岩体（体积小于1 000 m3）q1、q2、q3、q4、q5和q6两大类（图4）。3危岩体危险性评价3.1危岩体稳定性分析对危岩体的稳定性进行定量评价，获取危岩体的稳定性系数，评价危岩体目前所处的稳定状况，为危岩体的综合治理提供参考。采用陈洪凯等5提出的危岩稳定性计算方法，计算采用的参数主要依据试验结果，结合地区经验，查阅 工程地质手册 等相关手册和规范，进行综合分析取值。岩体物理参数取值如表1所列，稳定性计算结果如表2所列。根据研究区危岩发育分布特征，将危岩失稳破坏模式分为滑移型、倾倒型和坠落型三种类型，并计算天然、降雨和地震三种工况下各类型危岩的稳定性。大部分危岩处于基本稳定状态，稳定性较小的为b2和b4危岩体，在地震或降雨工况下均处于不稳定状态。3.2危岩运动过程分析运动过程是危岩崩塌灾害危险性评估的基础，采用王豪等4提出的Unity3D引擎分析各危岩运动过程。在Unity3D中，每次接触的线速度和角速度的计算取决于摩擦方程和恢复方程。在碰撞过程中，摩擦系数（）用于确定模拟落石面和坡面之间法向力（N）的比例，该比例用于计算块体运动时的摩擦力。摩擦力（Ff）的作用方向与输入速度矢量的切向分量相反，每次接触中都对摩擦力求解，并利用其计算出接触后的线速度和角速度。为了与标准摩图4危岩体分布情况b4q1q2b1q3b2q4q5q6b3表1岩体物理力学参数岩性砾岩风化程度强风化弱风化密度/（kg/m3）22 00023 000黏聚力/MPa3235内摩擦角/（）4565表2稳定性计算结果危岩体编号q1q2q3q4q5q6b1b2b3b4体积/m33001927204803843002 0003 0003 0004 000稳定性系数天然1.141.251.271.151.251.321.201.011.241.05降雨工况1.101.141.131.091.171.171.150.971.141.03地震工况1.071.131.121.031.151.151.130.901.011.192022年第9期甘肃水利水电技术第58卷48擦角进行比较，摩擦系数（）通常等于摩擦角的正切值。在Unity3D环境中，物体表面碰撞被分解为两个接触点，导致所施加的摩擦力加倍。因此，有效摩擦角等于两倍单位摩擦系数的反正切值，每个接触点施加的摩擦力以及摩擦系数和摩擦角之间的转换关系如式（1）、（2）所示。与应用于速度切向分量的动摩擦系数不同，恢复系数仅在法线方向起作用，该系数等于碰撞前后两个碰撞体每次接触时的相对速度之比 式（3）。=arctan（2）（1）Ff=*?N（2）Rv=?vi?vr（3）通过计算列出了危岩体b1、b2、b3和危岩带整体崩落的影响范围。各危岩体模拟参数取值如表3所列。根据解译结果，区内被两组陡立结构面切割形成块状危岩体，d1、d2和d3分别为危岩体的特征长度。b1危岩体的运动轨迹断面如图5（a）、（b）所示，该落石的运动主要以滚动为主，弹跳较少且弹跳高度较低。在发生第1次大碰撞前，落石能量迅速增加，最大能量达4 100.0 kJ。当落石撞击坡面时，受坡面覆盖土层和植被对落石运动能力的影响，碰撞转换为弹塑性碰撞甚至完全非弹性碰撞，能量迅速降低，速度陡降。之后落石的能量不断发生变化，多次发生碰撞，瞬间骤减至1 100.0 kJ，但在坡表土体阻力作用下，落石最终运动至坡体下部停止，最大运动距离160.5 m。b2危岩体的运动轨迹如图5（c）、（d）所示，主要是重力势能转化为动能的能量变化过程。由图可见，危岩体在陡崖由静止开始沿陡坡向下坠落，初速度较小，能量较小。由于上部坡体接近直立，危岩体在脱离母岩后迅速向下坠落，动能逐渐增大，最大能量达8 000.0 kJ。在边坡陡崖处进行自由落体运动，与坡面碰撞后发生弹跳，由于碰撞缓冲效应，速度瞬间骤减。随着落石沿坡面继续滚动碰撞，落石速度不断发生变化，最终在坡体中部处停止，最大运动距离140.3 m。b3危岩体的运动轨迹断面如图5（e）、（f）所示，由于落石潜在动能较大，坠落后危岩体运动以弹跳为主，每次发生碰撞使能量骤减，在经历4次碰撞后，运动模式转变为滑动和滚动。危岩体在脱离母岩后迅速向下坠落，在边坡陡崖处进行自由落体运动，动能逐渐增大。第1次与坡面发生碰撞前动能为2 230.0 kJ。与坡面碰撞后发生弹跳，由于碰撞缓冲效应，速度瞬间骤减。此时地形坡度较陡，轨迹在碰撞后呈抛物线型，在下一次碰撞发生之前，动能急剧增大，最大动能出现在第3次碰撞前，达13 000.0 kJ。第4次碰撞过后，动能迅速减小，运动模式由弹跳转变为滚动，能量随着落石沿坡面继续滚动碰撞后逐渐减小，最终在坡体中部处停止，最大运动距离123.0 m。由图5（g）可以看出，在危岩带整体崩落的情况下，仅危岩体q1、q2和b1到达景区小路处，其余危岩体对景区威胁相对较小。表3危岩体模拟参数危岩体b1b2b3d1/m5.05.05.0d2/m5.05.05.0d3/m5.05.05.0数量/块162424动摩擦系数0.20.50.7静摩擦系数0.30.60.3弹跳系数0.20.30.1（b）b1危岩体运动特征840820800780760740720高程/m5 0004 0003 0002 0001 0000动能/kJ020406080100距物源点平面距离/m沿运动路径的地形剖面沿运动路径的动能块石运动路径（a）b1危岩体运动轨迹N第9期袁镜清：危岩崩塌灾害运动过程与危险性评估第58卷493.3危险性评价根据景区实际情况，由于受灾群体大多数为游客，考虑到人的承受力非常脆弱，将100 kg以上的危岩体称为大型危岩体。根据三要素法（表4）对各个危岩体进行危险性分级，其中危险性大的等级为级，赋值 3 分；危险性中等的等级为级，赋值 2分；危险性小的等级为级，赋值1分。评价结果见表5所列。（c）b2危岩体运动范围020406080100120（d）b2危岩体运动特征900850800750700高程/m沿运动路径的地形剖面沿运动路径的动能块石运动路径8 0006 0004 0002 0000动能/kJ距物源点平面距离/m（e）b3危岩体运动范围（f）b3危岩体运动特征900850800750700高程/m沿运动路径的地形剖面沿运动路径的动能块石运动路径020406080100120距物源点平面距离/m10 0008 0006 0004 0002 0000动能/kJ（g）危岩带运动范围图5危岩体运动轨迹表4危险性等级评价标准稳定状态不稳定欠稳定基本稳定路径能否到达威胁区域能可能不能表5危岩体危险性评价结果NNN（下转第54页）2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷危岩体编号q1q2q3q4q5q6b1b2b3b4规模大型大型大型大型大型大型大型大型大型大型稳定状态基本稳定欠稳定基本稳定基本稳定稳定稳定稳定欠稳定基本稳定欠稳定是否到达景区是是否否否否是否否否危险等级危险等级分值332211321250HQG（L）2-16以上型号为宜。（2）钢丝绳选型现场施工主要参数为：钢模板总重量120 t、刹车荷载2 400 kN。为了施工安全，在钢丝绳选型过程中，取最大值2 400 kN进行计算。沿钢模板设置了64个吊点，当钢丝绳的公称直径选用20 mm时，计算得出每个吊点受力为31.65 MPa。公称抗拉强度是试样拉断前承受的最大标称拉应力，由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是在静拉伸条件下的最大承载能力。当钢丝绳的直径选用20 mm时，公称抗拉强度要求小于 1 870 MPa 才算合格。计算结果满足设计要求，故施工过程中钢丝绳选用6X36WS-20型为宜。5结论（1）吊装系统采用卷扬机来吊装钢模板,保持钢模板在安装及拆除时在同一个工作面上，无需二次吊出圆形深基坑，大大减少了钢模板的安拆时间。不仅具有耗费时间短、智慧化程度高、工作效率高等优点，而且也减少了重大吊装施工带来的安全风险。（2）吊装系统体积小、重量轻、结构紧凑、起重力大、实用性强，可以增加带模养护的时间，无需拆卸即可进行下一层土方开挖，对后续基坑滑模施工提供了技术支持。（3）在使用悬挂装置前，需要进行制动力荷载验算、总牵引力验算、倾覆验算以及滑轮选型和钢丝绳选型等基础工作，使其各项指标满足安全稳定可靠的要求。参考文献：1戴穗锋.预制箱梁钢内模板吊装辅助装置的研制与应用J.建筑施工，2021，43（1）:98-99.2朱威.超深基坑圆形结构钢模板施工技术J.中国水能及电气化，2022，18（4）:20-23.3董富强,梁复,李莉,等.筒仓库顶钢结构滑模整体提升施工技术J.工程建设与设计，2007，55（10）:74-77.由表5可以看出，景区大多数危岩的危险性等级为级或级，仅q1和q2危岩的危险性等级为级。4结论依托现场调查结果，结合无人机航空摄影和结构面信息自动化处理等技术，实现了对同关口景区岩体结构面产状和危岩区特征的快速获取，克服了传统野外调查工作耗时长、视角受限等缺点，为复杂地质条件下崩塌地质灾害的识别和预测提供了技术和方法，可以得到以下主要结论。（1）景区存在10处危岩体，划分为大型危岩体（1 000 m3）和小型危岩体（1 000 m3）二种类型。基于研究区的三维模型，结合现场调查结果，研究区内共识别解译出4处大型危岩体和6处小型危岩体。（2）危岩体大部分处于基本稳定状态，b2和b4危岩体稳定性较差，在地震或降雨工况下均处于不稳定状态；q1、q2和b1发生崩塌后会威胁景区运营安全，其余危岩体对景区威胁较小。（3）基于无人机遥感技术和建模技术，通过构建数字高程模型、坡体模型、危岩体模型并结合坡表特性等基础数据，由Unity3D生成落石失稳后的三维运动轨迹、轨迹断面图及速度图等。由图分析可知，研究区内落石的运动方式主要以弹跳及滚动为主，落石最大运动距离为160.5 m。（4）结合危岩稳定性与运动距离对各危岩体进行危险性评价，其中q1和q2为级，危险性最大；q3、q4、b2和b4处于级，危险性较小；q5、q6、b1和b3处于级，危险性最小。参考文献：1吕庆，孙红月，翟三扣，等.边坡滚石运动的计算模型J.自然灾害学报，2003，12(2)：79-84.2吕庆，周春锋，于洋，等.滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究J.岩石力学与工程学报，2017，36(增刊1)：3359-3366.3姬中民，唐一举，伍法权，等.落石形状和尺寸对恢复系数影响的室内试验研究J.岩土力学，2021，42(3)：665-672.4王豪，黄健，黄祥，等.一种利用Unity3D模拟崩塌三维运动全过程的方法J/OL.武汉大学学报(信息科学版)，（2021-09-15）2022-07-10.https:/ PT5陈洪凯，唐红梅，王蓉.三峡库区危岩稳定性计算方法及应用J.岩石力学与工程学报，2004，23(4)：614-619.（上接第50页）2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷54