震裂山体崩塌形成特征及运动学三维模拟<br/>——以汶川县三官庙村崩塌为例*

震裂山体崩塌形成特征及运动学三维模拟
——以汶川县三官庙村崩塌为例*

2022-05-11胡卸文周瑞宸

工程地质学报 2022年2期

黎尤何坤胡卸文② 刘波周瑞宸文强

(①西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031，中国)(②西南交通大学，高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 610031，中国)

0 引言

国内外研究主要集中在地质构造对危岩崩塌变形破坏机制的控制(成永刚等，2018；何坤等，2020；孙琪皓等，2021)和崩塌的稳定性评价和防治上(赵伟华等，2011；刘洪江等，2012；胡卸文等，2019)。地震作为崩塌的主要触发因素，在崩塌的形成上起着重要作用(黄润秋等，2016)。Fan et al.(2019)对地震地质灾害链进行了综合分析，认为地震后效应主要体现在地震对斜坡的劣化作用以及同震滑坡、崩塌堆积体在后续降雨触发下形成泥石流灾害。在震后崩塌研究方面，吴永等(2010)借助断裂力学理论以及建模，认为余震和降雨是震后裂缝扩展的重要因素。成良霞等(2012)在映秀至卧龙公路边坡崩塌研究中按形成机理将震后崩塌分为震裂-滑移式、震裂-倾倒式、震裂-溃屈式和震裂-错断式4种模式。苏生瑞等(2012)在研究汶川地震后公路边坡崩塌灾害的发育规律中发现岩质边坡崩塌占绝大多数，且大多发生在40°以上的斜坡。刘洋等(2018)通过FLAC3D模拟，认为在强震和暴雨等极端条件下坡体上部局部失稳可能性大。He et al.(2020)研究了震裂山体的启动机制，认为高静水压力是震裂山体破坏的重要触发因素。以上研究表明，强震区频发的余震、降雨及其相互耦合作用是震后崩塌失稳的决定性影响因素。

目前在崩塌的运动学特征方面多是运用Rocfall软件进行运动学模拟，只能选取坡体某一方向上的剖面(二维)作为崩塌的特定路径，人为控制了崩塌的运动方向。三维模拟软件，例如RocPro3D、Rockyfor3D、CRSP等，能在三维空间上模拟崩塌运动，结果更加符合实际。王颂等(2020)在青藏铁路设兴村段崩塌模拟中对崩塌块石的优势运动路径进行了预测，并有效评估了崩塌的影响范围；钟焰梨等(2019)根据模拟轨迹确定崩塌横向与纵向的危险影响范围；刘海洋等(2017)对山东淄博石门村崩塌进行模拟并提出了有效防治建议；Radtke et al.(2014)运用三维模拟软件研究了森林在崩塌落石运动过程中的阻碍作用，提出了森林管理方法以便于崩塌灾害防治；Bourrier et al.(2015)基于三维模拟软件对崩塌的模拟统计结果和概率分析提出了一种更加合理的防护栏的设计方法。事实证明，三维模拟软件相对于Rocfall在崩塌落石运动轨迹和影响范围的二维模拟上更具优势。

1 危岩崩塌发育特征及失稳模式

1.1 发育特征

图1 危岩分区及岩体结构赤平投影图

表1 不同危岩区内各危岩带岩体结构面特征

研究区在近两年内已经发生两次崩塌灾害，其中2018年07月20日发生崩塌的源区位于Ⅱ号危岩区后部，源区平面面积约2057 m2，危岩方量约3795 m3(图2)，2019年08月22日发生崩塌的源区位于Ⅰ号危岩区底部和Ⅱ号危岩区左侧，源区平面面积3770 m2，危岩方量约5920 m3(图3)。崩塌落石主要在坡下形成两处堆积区，Ⅰ号堆积区主要由Ⅰ号危岩区和Ⅱ号危岩区崩塌堆积形成，堆积体主要以碎块石为主，落石粒径差异较大，松散堆积，棱角状，大小混杂，无分选，其中块石粒径一般为0.5～1.0 m，最大2.0 m。Ⅱ号堆积区主要由危岩区Ⅱ区和Ⅲ区崩塌堆积形成，堆积体组成以块碎石为主，松散堆积，棱角-似棱角状，大小混杂，无分选，其中块石粒径一般为0.5～1.0 m，最大2 m。除以上危岩带及堆积区以外，8.22和7.20崩塌造成的崩塌落石受斜坡植被及梯田的阻挡耗能，在斜坡植被和耕地中有部分孤石分布，主要分布位置为Ⅰ号堆积区下方和Ⅱ号堆积区下方挡墙处，块径大小以1.0～2.0 m 为主。

图2 2018.07.20崩塌源区

图3 2019.08.22崩塌源区

1.2 影响因素

1.3 失稳特征

图4 强震区危岩崩塌变形破坏各阶段示意

图5 ⅠW1危岩带剖面图

图6 ⅡW2危岩带剖面图

2 危岩崩塌运动学过程模拟

2.1 RocPro3D程序简介

RocPro3D是一款用于危岩崩塌的轨迹建模和防护工程设计的三维软件，通过导入文件来构建地形，并可定义各区域的岩土及其物理特性。在落石模拟中，可以指定若干初始起点或区域来同时对数百个不同块体进行计算，RocPro3D使用概率方法来反映块体形状、岩土特性和地形不规则性的变化，以此来计算块体运动轨迹，并得出块体在运动过程中的能量、速度、弹跳高度等图像(RocPro3D，2014)。

2.2 参数选取

运用RocPro3D软件进行数值模拟需要确定的参数主要为两大类：危岩体特征参数和岩土体表面特征参数。危岩体特征参数包括Shape、d、d/h和ρ，Shape表示危岩体形状，d表示危岩体直径，d/h表示危岩体直径与高度的比值，ρ表示危岩体密度。岩土体表面特征参数包括回弹参数、滚动参数和转换参数。回弹参数中Rn表示法向恢复系数，Rt表示切向恢复系数；滚动参数中k表示动摩擦系数；转换参数中β_lim和β_lim′表示危岩体运动方式在自由落体和滚动之间转换的极限角度。

根据现场调查已崩塌形成堆积区的块石以及潜在危岩的形状、体积来确定各个危岩区的危岩体特征参数，其中，d、d/h均取平均值(表2)。危岩区的岩土体表面参数可分3个区域来进行取值(图7)，在整个区域上部为花岗闪长岩基岩出露，中部为崩积、坡积块碎石土区域，下部为耕填碎石土区域。

表2 各危岩区危岩体特征参数

图7 崩塌落石沿途地层岩性区域划分

通过划分的3个区域特征，并依据《崩塌防治工程勘察规范》(T/CAGHP 011-2018)确定动摩擦系数等参数的取值范围进行试算，模拟获得块石沿途堆积分布情况，与已发生的两处崩塌堆积区进行对比(图8)，模拟结果可见，两次崩塌停积位置可分两部分：一部分粒径小的块石在斜坡中下部停积，另一部分粒径大的块石冲下坡脚零星分布于梯田和果林区，模拟结果与现场调查结果基本吻合。

图8 危岩崩塌与沿途崩落堆积部位三维空间分布

模拟过程中，设置每个区域掉落的块石数量为100块，多次模拟最终获得岩土体表面特征参数见表3。

表3 崩塌落石沿途岩土体表面特征参数

2.3 危岩区崩塌运动特征

通过确定的特征参数对各个危岩区可能崩塌落石进行模拟，设置每个危岩区掉落的块石数量为1000块，得到各危岩区崩塌后落石堆积分布位置(图9)。计算结果显示，Ⅰ号危岩区崩塌块石主要沿着该区左侧凹槽向下滚落，在半坡以及坡脚都有部分堆积，崩塌落石在没有防护情况下可冲入居民建筑物范围，统计块石数量，到达概率约为46%；Ⅱ号危岩区块石可沿该区左右两侧凹槽分别向下滚落，主体在半坡以及坡脚堆积，有少部分块石在没有防护情况下会冲入居民建筑物范围内，统计块石数量，到达概率约为14%。Ⅲ号危岩区块石主要沿该区坡面直接向下滚落，大部分块石堆积在坡脚，在没有防护情况下会冲入居民建筑物范围，且影响范围较大，统计块石数量，到达概率约为34%。Ⅳ号危岩区块石顺坡向两侧滚落，影响范围大，右侧部分已对居民建筑造成威胁，左侧部分可能冲入加油站范围，但基本不会影响到G213国道，统计块石数量，到达概率约为58%。