尹建林,閆俊,王加航
(湖北省地質局第五地質大隊,湖北 鄂州 436000)
川東巴中地區(qū)地層巖性主要以泥巖、砂巖為主,經(jīng)差異風化作用易產(chǎn)生危巖。本文以川東紅層地區(qū)某典型危巖為研究對象,采用RocFall 軟件對危巖運動軌跡和影響范圍進行分析,更合理地確定治理方案及設計參數(shù),使治理工程更加經(jīng)濟合理。
該危巖位于巴中恩陽區(qū)南部低山區(qū),屬中低山構造剝蝕地貌類型。危巖所在坡體地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層Q4el+dl含碎石粉質黏土,白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)砂巖和泥巖:
1)第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)
含碎石粉質黏土:研究區(qū)內廣泛分布,呈紅褐色,稍濕~濕,可塑~硬塑狀,成分主要為粉砂巖、砂巖,粒徑一般為2~10 cm,厚度一般為0.3~1.5 m。
2)白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)
在工作區(qū)村道后側坡體廣泛出露,巖性為砂泥巖互層,基巖產(chǎn)狀356°∠2°。
1)砂巖:陡崖區(qū)為厚層-塊狀,棕紅色,中粒砂狀結構,層狀構造,層厚6~12 m,節(jié)理裂隙較發(fā)育,裂隙寬度大且貫通性好。
2)泥巖:磚紅色,泥質結構,層狀構造。多發(fā)育網(wǎng)狀裂隙,泥巖中砂質含量較高,裂隙發(fā)育規(guī)模、張開度、貫通性較好,表層經(jīng)風化剝落向內凹陷。
該危巖區(qū)發(fā)育于房后陡坡上,共發(fā)育4 個危巖單體,其中,危巖W1 長4.8 m,寬3.5 m,厚2.0 m,方量約33.6 m3;危巖W2 長4.0 m,寬3.5 m,厚2.0 m,方量約28.0 m3;危巖W3 長3.5 m,寬3.0 m,厚2.0 m,方量約21.0 m3;危巖W4 長4.0 m,寬3.0 m,厚2.0 m,方量約24.0 m3;分布高程為52~345 m,巖性為白堊系下統(tǒng)蒼溪組砂巖,巖層產(chǎn)狀為356°∠2°,為緩傾逆向坡,所處陡坡巖體風化卸荷發(fā)育。危巖主要威脅對象為坡體下部村民房屋與村道。危巖體位置情況詳見圖1。
圖1 危巖全貌照片
Roc Fall 軟件是一款用于評價邊坡落石風險的統(tǒng)計分析軟件[1,2]。它可分析出整個邊坡落石的動能、速度和彈跳高度包絡線,以及落石滾動終點的位置,也可獲得沿坡面線的動能、速度和彈跳高度分布,可預測巖石軌跡[3,4]。
模型建立需繪制典型剖面,標注坡面上的障礙物,如植被,同時根據(jù)現(xiàn)場情況對剖面線進行確認,輸入危巖體巖性、位置與尺寸大小,模型的建立需對現(xiàn)場主要條件進行提取,同時對部分條件做出簡化和假設。
本文選取危巖W1 建立模型,通過現(xiàn)場實測該危巖的剖面,明確危巖的剖面位置,在AutoCAD 中繪制危巖剖面,保存為.dxf 文件,然后在RocFall 軟件中導入文件,進行模型建立。
4.3.1 剖面選取
本次選取了危巖W1 所在剖面進行落石運動軌跡分析,充分考慮和還原坡面真實形態(tài)。
4.3.2 危巖體參數(shù)
危巖體W1 位于危巖區(qū)左側中上部,兩側以結構相對完整的基巖為界,前側以下側的臨空面為邊界,危巖W1 長4.8 m,寬3.5 m,厚2.0 m,方量約33.6 m3,該危巖體下部形成了深約0.5m 的凹腔。
該危巖距離下方居民房屋水平距離40 m,坡體下部平均坡度25°,坡體形態(tài)主要體現(xiàn)為上緩下陡,坡體上部土體主要為較堅硬巖體,下部為土體與植被覆蓋層。
根據(jù)以上信息,確定危巖W1 的參數(shù)見表1。
表1 落石運動參數(shù)取值
將以上危巖信息輸入軟件,根據(jù)地形線繪制剖面,并定義剖面位置處各點特性后,選擇危巖體位置。由于危巖體為墜落式,因此,危巖體水平、豎直初速度設置為0 m/s,巖石質量為88 704 kg,角速度為2 rad/s。
4.3.3 軟件模擬結果分析
根據(jù)擬設定條件設置危巖體參數(shù)后,模擬20 次各類條件下危石的墜落運動,得到20 次模擬運動軌跡,如圖2 所示。
圖2 危巖W1 運動軌跡分析成果
由圖2 分析得到,落石在A 點出現(xiàn)最大彈跳高度,然后沿坡面向下滾動,危巖最終在坡體下部房屋后側停止運動,距離起始位置水平距離33 m。
A 點處落石彈跳高度最大,由分析數(shù)據(jù)可知,A 點處預測最大彈跳高度為1.633 m,出現(xiàn)概率為10%,最低高度0.879 m,出現(xiàn)概率為5%,危巖彈跳高度為1.382 m 為最大概率情況,此時的發(fā)生概率為30%,故A 點平均彈跳高度為1.382 m,模擬結果如圖3 所示。
圖3 危巖在A 點處彈跳高度分析柱狀圖
B 點處為受崩塌威脅房屋后側,B 點處落石水平速度分布如圖4 所示。危巖最大運動速度為10.74 m/s,模擬中有15%的落石達到該速度,最低速度為6.886 m/s,模擬結果中有5%的落石達到該速度,則該危巖體運動的平均速度為9.9.9m/s。
圖4 危巖在B 點處水平速度分布圖
經(jīng)過對模擬結果的數(shù)據(jù)分析,所有落石在墜落后均運動至B 點位置,并仍具有較大速度,說明了B 點危險性較高。
同時,對B 點處落石的動能進行分析,通過計算得出危巖最大動能為3 545.4 kJ,最小動能為1 545.42 kJ,平均動能為2 454.49 kJ,仍具備較大的沖擊力。
本次運用RocFall 軟件將川東地區(qū)典型危巖體崩塌的運動的軌跡進行可視化模擬,得出以下結論:
1)危巖體在A 點發(fā)生彈跳后,在坡體上的運動形式主要以沿坡面滾動為主。
2)危巖體在房屋后側B 點位置處仍具有最高10.74 m/s的速度、最大3 545.4 kJ 的動能,對坡底部房屋結構和人員造成實質性威脅。
3)防護工程可設置在坡面B 點處,防護高度可根據(jù)該處的最大彈跳高度及動能確定,具體治理手段可包括清危、主動網(wǎng)及其他治理措施,如需設計被動網(wǎng)其高度也不宜設置過高,避免造成浪費。
4)由于崩塌治理工程在判定危巖影響范圍時,多依靠現(xiàn)場勘察所得數(shù)據(jù)與技術人員自身經(jīng)驗判斷,與實際情況會有一定偏差,且考慮的因素較為單一,按常用方法流程進行判斷可能會存在對危巖運動距離、影響范圍判斷不夠準確,造成治理設計方案時發(fā)生治理效果不佳或過于保守的情況發(fā)生。
本次運用軟件將川東地區(qū)典型危巖體崩塌的運動軌跡進行可視化模擬,采用RockFall 軟件對危巖體進行運動模擬,可直接得到危巖運動路徑與路徑上任意一點的速度、角速度、動能等數(shù)據(jù),這對于在勘察階段判斷崩塌影響范圍,在可行性研究階段和初設階段論證方案選擇、方案可行性具有參考價值;該軟件對于施工圖設計優(yōu)化可提供更加合理準確的數(shù)據(jù)支持,使設計更加合理精細化,達到動態(tài)設計的目的。