基于Rockyfor3D的滚石模拟

钟焰梨,向喜琼

(贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵阳 花溪 550025)

1 概 述

滚石在运动过程中，具有速度快、冲击力大以及很高的不确定性等特点，所产生的影响也是不可估量的。因此，对滚石的运动轨迹模拟是必要的，以此作为确定崩塌危险影响范围的一个方法，以减轻所带来的危害。目前，大多数研究是在二维的基础上进行分析的。二维上的分析对滚石横向范围影响无法表达，所以进行三维上的模拟是很有必要的。当前，对滚石进行三维上的模拟分析甚少，三维滚石模拟能够更真实地模拟滚石的运动，因此进行三维滚石模拟具有十分重要的意义。

对滚石运动轨迹的研究方法有3种，分别是现场试验、模型试验、数值模拟，这3种方法都各有优缺点[1]。其中，现场试验的实验结果准确度、可信度比较高、针对性强，但投入的劳动力比较大，消费比较高，过程时间也比较长。模型试验的针对性比较强，结果也比较直观，但精确度受人为影响很大，实验时间长。数值模拟是在总结前两种方法经验的基础上，结合经验公式，选取合理参数进行计算分析，总体来说这种模拟方法花费较低，模拟消耗的时间短，越来越被重视。国外学者Descoudres and Zimmermann等[2]研究了滚石在边坡上的三维模拟；Guzzetti F, Crosta G等[3]开发出了一个滚石三维模拟程序STONE；R.I. Leine等[4]考虑滚石形状对滚石运动轨迹进行三维上的模拟；H. Masuya等[5]考虑植被和保护措施对滚石进行三维上的模拟；N. Hataf等[6]考虑滚石间的相互碰撞对滚石进行三维上的模拟。国内学者亚南等[7]首次引用国外二维Rockyfor3D软件模拟崩塌落石在斜坡上的运动轨迹；李小强等[8]通过现场观测和试验相结合，实测出滚石在地面上的滚动距离。总体上，国内在滚石模拟三维上的运用较少，大多数的模拟基于二维。本文以某崩塌点为例，引用国外三维滚石模拟软件Rockyfor3D模拟滚石的运动轨迹，分析滚石运动特征，同时可以此为基础，将该方法推广运用于滚石的危险影响范围预测，为滚石灾害防治提供一定的参考。

2 Rockyfor3D程序介绍

2.1 程序简介

Rockyfor3D[9]从1998年以来至今,程序代码是用C语言编写。Rockyfor3D模拟落石轨迹的三维矢量数据可分析自由落体、抛物线运动、斜坡表面反弹这3个过程,程序流程图见图1。

图1 程序流程图

2.2 数据准备

程序所需数据由一组ASCII栅格以及一套参数组成，以定义斜坡地表特性与滚石源特征。数据的准备需结合ArcGIS来生成。数据组成包括DEM、滚石密度、滚石大小(长、宽、高3个ASCII栅格数据组成)、滚石形状、地表属性(由3个ASCII栅格组成)、斜坡土壤类型等10个数据；DEM是通过ArcGIS单独生成，其余9个值是在ArcGIS属性值中赋予相应的参数值。

DEM可以由等高线、高程点生成，或者以其他方式得到，它的取值范围是在0～8 850 m或者空值；滚石密度的取值范围是零或者2 000～3 000 kg·m-3，当这个值为零时，该区域不作为滚石源；滚石的形状由长、宽、高组成，它的取值范围是0～20 m，当值取零时，该区域将不被看成滚石源；地表的粗糙程度由3个值组成，取值范围在0～100(表1)，程序对该值的取值敏感性较高，也决定了运算过程中切向摩察系数的大小；土壤类型取值范围是0～7，每一种取值代表不同的类型(表2)，取值的大小决定了法向系数的取值。

模拟过程中，参数的设置是通过shapefile面文件进行参数输入。在这个面文件中，参数的输入有滚石密度、滚石大小、地表粗糙度、地表土壤类型。DEM与shapefile面文件，将通过PimpMyRockyfor程序将数据转换，生成Rockyfor3D运行所需要的ASCII数据。

表1 地表粗糙程度的参数取值

表2 土壤类型取值

3 实例运用

3.1 地质概况

崩塌区[10]属剥蚀中山台地地貌，海拔1 000～1 125 m，受洋水背斜及NNE向平移断层的影响，地形切割强烈，起伏较大，地形坡度为15°～45°。崩塌下方缓坡地带经过一条简易公路。斜坡上部为灯影组(Zbdn)巨厚层状白云岩，产状115°∠45°，层间结合紧密。发育两组节理：J1：225°∠80°，J2：350°∠68°；向下依次为陡山沱组(Zbd)磷矿层及石英砂岩、南沱组(Zann)页岩和板溪群清水江组(Ptbnq)粉砂质页岩。危岩壁受两组结构面的切割影响，裂缝纵横，呈锯齿状延伸。受洋水背斜和NNE走向断裂的影响，区内陡崖呈带状分布。崩塌发生部位是灯影组白云岩构成的陡崖。地下水的分布特征受地层岩性和构造活动的控制，区内地下水类型丰富，按含水性质分为松散堆积层孔隙水、碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水。该区地震活动性相对较弱，历史地震记录中未发生过Ms>4.0级地震，也无发生中强震的地质构造背景。

3.2 滚石模拟

3.2.1 建立DEM地表模型及地表分区

生成DEM的方法有很多种，本文运用地形数据等高线，通过ArcGIS软件创建TIN，再由TIN转栅格生成DEM，见图2。结合现场地表类型将斜坡地表分为7个区，见图3。

3.2.2 模拟结果

由于该区域崩塌是向山脊两边运动，本文对模拟结果只针对边坡的一侧进行分析。滚石的模拟轨迹见图4，其中选取标注的剖面1、剖面2进行模拟结果分析，通过操作，获得相关剖面的模拟结果图，见图5、图6。

图2 DEM

图3 地表分区图

图4 崩塌模拟轨迹

图5 剖面1模拟结果

图6 剖面2模拟结果

3.2.3 结果分析

该模拟结果是一个静态的三维模拟结果，可根据模拟轨迹确定崩塌横向与纵向的危险影响范围，模拟结果与现场的滚石距离大约相近。通过对剖面1与剖面2分析，在剖面1中，滚石大多数处于滚动状态，在距滚石源大约95 m的时候滚石运动停止，中间弹跳过一次，大约在滚石源40 m处；在剖面2中，滚石有多次弹跳，有发生在10 m范围附近和20 m范围附近的弹跳，滚石在大约离滚石源190 m附近停止。对于能量的分布，根据能量的分布可以得到剖面上经过滚石的数量多少。在剖面1上经过的落石比较多，在剖面2上落石较少。综合分析，该模拟结果与现场的崩塌落石轨迹相近。