云台山景区公路边坡危岩体稳定性计算及落石运动轨迹研究

郭龙龙+耿国建+丛颖

摘要：介绍云台山景区内公路边坡危岩体的稳定性计算，并根据计算结果应用Rock Fall软件模拟计算危岩体失稳后落石的运动轨迹，为危岩体的防治提供科学依据。以编号为TW23的危岩体为例，采用静力计算的方法分析计算其在不同工况下的稳定系数，采用数值模拟软件研究危岩体失稳形成落石后的运动距离、速度、弹跳高度、冲量等运动特征，根据数值模拟结果，选取合适的防治措施，将危岩体失稳后可能造成的损害降到最低，同时为景区内其他部位危岩体的治理提供依据。

关键词：云台山；危岩体；落石；稳定性；运动轨迹

引言

危岩体是指发育在边坡斜体上的随时可能在各种因素作用下发生失稳破坏的岩体，具有突发性、速度快、冲击力大的特点，是山区常见的一种地质灾害。

云台山景区位于河南省焦作市境内，西北方向与山西省晋城市接壤，是我国首批5A级世界地质公园之一。近年来景区内公路上发育的危岩体给景区的正常运行带来了安全隐患，通过现场调查，选取编号为JW23危岩体为研究对象，计算其稳定性并研究失稳后所形成的落石运动轨迹，最终为危岩体的防治提供建议。JW23位于前往叠彩洞景点的盘山公路边坡的顶部，大体呈柱状，长2.1m，高4.6m，宽1.5m，体积14.49m3，质量38.7t，倾角65°，岩性为灰岩，危岩后部被裂隙切割，基本贯穿整个危岩体，坡面角度30°，植被生长较茂盛。根据重庆市地方标准《地质灾害防治工程设计规范》（DB50/5029-2004）对该危岩体进行分类，属于滑移型危岩体。

1.稳定性评价标准

根据陈洪凯等（2011）在《地质灾害理论与控制》一书中有关危岩体稳定性评价标准内容，可依据危岩体稳定性系数将危岩体稳定性分为：不稳定、基本稳定、稳定，对应的具体稳定性评价标准见表1。

2.稳定性计算

2.1基本假设

根据前人的研究成果，滑移式危岩体稳定性计算依据以下假设条件：危岩体变形发展过程中，尤其是在其破坏失稳运动以前，将危岩体视为刚体；把复杂的空间运动问题简化成平面问题；危岩体与稳定坡体之间无摩擦力。

2.2计算模型

滑移式危岩主要在自重力作用下沿着滑动面滑落，计算模型见图1，考虑三种工况，取稳定性系数最小者，不考虑基座抗拉强度。

在主控结构面上将重力和地震力进行分解，具体分解结果如下：

2.3计算成果

根据危岩体稳定性评价标准，见表1，得出JW23危岩体的稳定性计算成果，见表2。

3.Rock Fall软件数值计算

3.1软件介绍

Rock Fall软件是一款分析陡峭边坡落石风险的统计分析软件，以概率分析为基础，同时考虑坡面材料因素对落石运动路径的影响，借助计算机技术分析整个边坡的落石动能、速度和弹跳高度包络线，以及落石滚动终点的位置，模拟结果采用柱状图显示，并自动计算其统计学规律。

3.2主要计算参数

通过调查现场的工程地质条件，JW23危岩体所在的坡面主要覆盖层是灰岩和坡积土层，综合分析后确定本区域落石所对应的碰撞恢复系数值，见表3。

3.3计算分析

（1）计算简图

选取JW23危岩体所在的剖面为危岩体失稳后落石的运动轨迹计算剖面，画出其地质剖面图及对应的计算简图，见图2、图3。

（2）落石运动路径数值分析

根据前文选取的危岩体计算参数及计算简图，利用Rock Fall软件模拟计算JW23危岩体失稳后形成落石的运动特征数值，主要涉及运动轨迹、弹跳高度、冲击动能及落石运动终止位置等关键信息，据此对落石的运动路径进行综合分析。

落石形成后其初始速度通常都很小，一般视为零，在BC段斜坡做滑移运动，CD段以初始速度为零做自由落体运动，DE段为杂草灌木覆盖的地段，落石在此段斜坡上速度、冲击动能折减较大，主要做滚动、滑移运动，到达E点后由于坡度骤然变陡，坡面摩擦减少，落石做抛射运动，至FH段发生碰撞运动后冲击动能、速度减少直至停止运动。见图4。

根据落石运动轨迹图知，落石坠落后其最终的落点位于去往疊彩洞景点的公路上，严重威胁公路上车辆及行人的安全。JW23危岩体一旦失稳，后果非常严重，急需优先处理。由落石运动速度、弹跳高度及冲击动能包络图知，落石分别在到达X=-342.81、-343.49、-344.17处时，其对应的速度、弹跳高度、冲击动能达到最大值，分别为9.58m/s、3.18m、24.1×10²J，且运动速度、冲击动能、弹跳高度的图形基本相似，且增减趋势相似。获取的不同运动数值反映了相同的运动特征，通过获取的落石崩落范围、最终停止位置、弹跳高度、距离危岩体坡脚的最远距离等，确定防护设施的修建位置及高度，较好、较快的为危岩体的防治工作提供依据。根据以上分析，JW23危岩体可采取在DE斜坡段修建拦截结构物（如，拦石坝、SNS柔性防护等），或对危岩体进行锚固、灌浆封闭滑落面的方式进行治理。见图5～7。

4.结语

通过对云台山景区道路上的典型危岩体进行稳定性计算及其失稳后落石运动轨迹的研究，为该地区危岩体防治工作提供理论指导，特别是Rock Fall软件的应用为该地区危岩体防治工作提供了一种新的方便快捷的研究危岩体失稳后落石运动轨迹的方法，具有重要的参考价值，并值得在类似地区推广应用。endprint