重庆甑子岩崩塌落石动力学特征及危险性分区

孙敬辉，石豫川

(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)

0 引言

崩塌落石我国山区一种多发地质灾害[1]，危岩体在降雨、地震或人工活动等因素的扰动下极易滚落或坠落[2-4]。重庆市南川区金佛山甑子岩多次发生危石坠落，特别是暴雨后。现部分危岩体存在严重安全隐患，危及其下村民的生命财产安全。现威胁人数为102户406人，地质灾害体成灾后可能造成的损失大，为了保障村民生命财产安全，分析不同高度、不同规模危岩体对居民区的的落石风险并对危险性进行分区，用来为居民区安置和防护提供依据[5]。

1 甑子岩边坡地质概况与基本特征

1.1 地质概况

南川甑子岩危岩带总体形态呈不规则“L”型展布，由多级陡崖组成，一级陡崖有栖霞组和茅口组石灰岩组成，二级陡崖由茅口组石灰岩组成，一二级陡崖间为茅口组二段页岩夹石灰岩组成的斜坡，地形坡度37°～44°，甑子岩危岩东侧为居民集中区，高程800～1 250 m，相对高差650～900 m[3]。地形地貌见图1。

图1 甑子岩危岩体地形面貌Fig.1 Topography of Zengziyan dangerous rock body

调查区位于金佛山向斜中段近轴部偏东翼部位，向斜轴部构造方向为NE～SW向[3]，区内陡倾裂隙发育，多张开，多充填泥质和钙质，结合一般-差，为斜坡岩体的表生改造、演变破坏创造了构造基础，对危岩体的结构及稳定性起控制作用。

1.2 边坡基本特征

现选取区内剖面1-1′作为分析对象，危岩体为灰岩构成，后缘被卸荷裂隙切割，基本贯穿整个危岩体，该边坡总体上上陡下缓，边坡倾向10°，高程范围1 210～1 841 m，平均坡度35°，边坡主要分为五段，具体特征见剖面1-1′分段特征表(表1)、剖面1-1′工程地质平面图(图2)和剖面1-1′工程地质剖面图(图3)。由于垂直裂缝发育，在降雨、地震等外力扰动下，边坡易产生崩塌落石，落石主要以直落式和滑移式为主；坡面特征按坡面组成物质分段。

表1 剖面1-1′分段特征表

图2 剖面1-1′工程地质平面图Fig.2 Engineering geology plan of section 1-1′

图3 剖面1-1′工程地质剖面图Fig.3 Engineering geological section of section 1-1′

2 甑子岩崩塌落石危害性

2.1 崩塌落石的落石动力学特征

甑子岩危岩体边坡面积大，落石范围高差大，二级陡崖落石范围位于高程1 800～1 650 m，一级陡崖落石范围处于高程1 575～1 450 m，针对两级陡崖不同位置崩塌落石的运动路径、速度、动能等进行评价，对其落石风险进行分析。

根据裂隙发育情况及已有落石的统计信息，取落石典型尺寸为1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m、5 m×5 m×5 m，密度取2.7 g/cm3，针对不同高度位置的危岩体，考虑最不利情况，使用Rocscience RocFall软件对边坡参数进行计算。现分别针对典型高程1 800 m、1 750 m、1 700 m处进行三种尺寸典型落石的路径进行模拟，每处落石取50条可能的典型路径，对落石的运动路径、速度、落石终点、弹跳高度、动能进行模拟。

边坡剖面EL1 800 m处落石运动轨迹(图4)和落石终点位置(图5)表明，落石最终落于水平距离315～525 m范围内，最终落于水平距离399～427 m范围内的概率为82%。

图4 EL1 800 m处落石运动路径Fig.4 Movement path of rockfalls at EL1 800 m

边坡剖面EL1 750 m处落石运动轨迹(图6)和落石终点位置(图7)表明，落石最终落于水平距离301～609 m范围内，最终落于水平距离329～413 m范围内的概率为90%。

边坡剖面EL1 700 m处落石运动轨迹(图8)和落石终点位置(图9)表明，落石最终落于水平距离301～441 m范围内，最终落于水平距离315～427 m范围内的概率为96%。

图5 EL1 800 m处落石终点位置Fig.5 Final position of the rockfalls at EL1 800 m

图6 EL1 750 m处落石运动路径Fig.6 Movement path of rockfalls at EL1 750 m

图7 EL1 750 m处落石终点位置Fig.7 The final position of rockfalls at EL1 750 m

图8 EL1 700 m处落石运动路径Fig.8 Movement path of rockfalls at EL1 700 m

图9 EL1 700 m处落石终点位置Fig.9 The final position of rockfalls at EL1 700 m

2.2 崩塌落石的破坏力

根据对甑子岩典型高程1 800 m、1 750 m、1 700 m处进行的典型落石路径的模拟，现对落石的速度、动量、动能进行分析。边坡剖面EL1 800 m处落石平移速度位于10～83 m/s，以最大块体5 m×5 m×5 m考虑，落石速度、动量、动能分布见表2(取速度变化处速度参数)。

表2 EL1 800 m处落石参数表

边坡剖面EL1 750 m处落石平移速度位于9～77 m/s，以最大块体5 m×5 m×5 m考虑，落石速度、动量、动能分布见表3。

表3 EL1 750 m处落石参数表

边坡剖面EL1 700 m处落石平移速度位于5～66 m/s，以最大块体5 m×5 m×5 m考虑，落石速度、动量、动能分布见表4。

2.3 崩塌落石的危险性分区

对上述不同高程落石的物理参数进行总结：①EL1 800 m时，最大速度的水平位置为224 m，此处动能和动量相应也为最大，之后迅速降低，说明高位危岩体落石以弹跳方式在陡崖上运动后落入岩屑覆盖的边坡上，之后以滚动为主的运动方式运动，此种运动弹跳次数较少，第一次高速运动后速度迅速降低，运动距离相对较近。②EL1 750 m时，最大速度位于水平位置196 m、322～406 m，此处动能和动量相应也较大，之后降低，说明二段陡崖中部落石以多次弹跳方式才落入岩屑覆盖的边坡上，之后以滚动为主的运动方式运动，此种运动方式经多次弹跳，运动距离较远。③EL1 700 m时，最大速度位于水平位置210 m和364 m两处，此种运动方式经两处大的弹跳，之后落入岩屑覆盖的边坡上，运动距离相对较近。

表4 EL1 700 m处落石参数表

综合三种典型高程(以最大尺寸考虑)落石的动量、动能，作为进行崩塌落石危险性分区的依据，对崩塌落石区进行危险性分区(表5)(若无法同时满足，取较危险情况)(图10)。

表5 甑子岩崩塌落石危险性分区

分别对三种高程情况下崩塌落石的危险性分区，综合落石风险(落石概率)，崩塌落石区分区如下：0～70 m处为Ⅱ区，危险性大；70～350 m处为Ⅰ区，危险性极大；350～420 m处为Ⅱ区，危险性大；420～460 m处为Ⅲ区，危险性一般；460～602 m处为Ⅳ区，危险性较小；大于602 m处为Ⅴ区，无危险。

图10 甑子岩1-1′剖面危险性分区图Fig.10 Hazard zoning map of section 1-1′

3 结论

(1)面对甑子岩危岩的崩塌落石问题，分析不同高度危岩体对居民区的危害性，根据结构面发育情况及现场落石尺寸的统计特征，取最大块体5 m×5 m×5 m作为危险性分区的依据。

(2)采用RocFall软件对崩塌落石的路径、运动轨迹、速度、动能等进行模拟计算，以此来对崩塌落石区进行风险评估和危险性分区。

(3)通过对甑子岩危岩的落石运动路径等物理运动状态的模拟，分析了落石速度、运动距离、动能、动量等因素的变化情况，以最危险情况考虑危险性分区，按最危险原则法将崩塌落石的危险性分为Ⅰ危险性极大、Ⅱ危险性大、Ⅲ危险性一般、Ⅳ危险性较小、Ⅴ无危险五个分区，并将此分区应用于甑子岩危岩体，评价崩子岩危岩体居民区的落石风险及危险性。

(4)根据上述分析，对甑子岩危岩体东侧居民区进行危险性分区，并对安置措施提供参考。