基于数值模拟的危岩崩塌特征及防治研究_杨岚峣.pdf

第 卷第期 年月水电能源科学 ：基于数值模拟的危岩崩塌特征及防治研究杨岚峣，易武，黄晓虎，李娜（湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 ；三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 ；防灾减灾湖北省重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 ；河南科技职业大学，河南 周口 ）摘要：针对兴山县赵家娅危岩崩塌的高位危岩崩塌破坏，运用数值模拟手段，对区域危岩体稳定性、演化规律及崩塌破坏运动特征进行模拟分析，获得崩塌落石的运动轨迹、弹跳高度、冲击能量等。结果表明，赵家娅危岩在天然状况下稳定性较好，在连续降雨或暴雨条件下，裂隙水逐渐渗透，存在主控结构面失稳发生崩塌破坏的可能；危岩发生崩塌破坏后，大部分落石将停留在坡面上，少部分落石碰撞回弹后停止在坡脚公路；结合现场实际情况及 模拟提出“清危坡面平整被动防护网”的治理措施。研究成果可为类似高位危岩崩塌灾害治理工程提供参考。关键词：危岩崩塌；数值模拟；稳定性分析；运动特征；防治工程中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，修回日期：基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（）作者简介：杨岚峣（），男，硕士研究生，研究方向为地质灾害预报与防治，：通讯作者：易武（），男，博士、教授、博导，研究方向为滑坡机理及滑坡监测与预报，：1概况兴山县高桥乡龙潭村赵家垭路段上方崩塌区，其坡脚为 国道，高程为 ，坡顶高程为 ，垂直高差为 ；出露岩性以三叠系下统嘉陵江组（）灰白色中厚层状灰岩为主，岩层产状 。根据现场调查，将崩塌危害研究区从北至南划分为危岩体、崩塌体、危岩体五个部分，见图。分析现场调查结果，区内危岩体 破 坏 模 式 以 倾 倒 式 为 主，分 布 高 程 为 ，体积约 。危岩体周围植被发育，岩体在风化作用及植物根劈作用影图研究区全貌图 响下，节理裂隙发育，表面结构破碎，且局部在岩溶作用下形成凹腔。针对兴山县赵家娅危岩崩塌的高位危岩崩塌破坏，通过研究其变形破坏机理，分析其运动过程中落石轨迹、弹跳高度、冲击能量等特征，可为危岩治理方案设计提供依据，并为类似高位崩塌治理工程提供借鉴。2危岩崩塌变形破坏机理分析危岩崩塌成因机理复杂，灾害突发性强，为定量化再现赵家娅危岩崩塌形成和失稳过程，采用 离散元模拟软件数值模拟其变形特征及失稳过程。根据勘测剖面简化典型危岩体的离散元模型（图），模型的尺寸为 （宽高），在模型上、中、下部共设置个监测点，监测图典型危岩体离散化模型 第 卷第期杨岚峣等：基于数值模拟的危岩崩塌特征及防治研究对应部位的位移和速度变化。计算采用的岩体物理力学参数通过综合考虑室内试验结果并类比鄂西地区相似工程经验所得，见表。表岩体和结构面物理力学参数 项目强风化灰岩（天然）强风化灰岩（饱和）弱风化灰岩（天然）弱风化灰岩（饱和）节理（天然）节理（暴雨）岩层面（天然）岩层面（暴雨）密度（）体积模量 剪切模量 粘聚力 内摩擦角（）法向刚度 切向刚度 图天然工况、降雨工况下块体位移矢量图 （）天然工况下模拟分析。在未降雨的天然工况下，危岩后缘裂缝内未充水，只考虑自身重力影响。模拟分析典型危岩体在天然工况下的变形破坏过程，其变形破坏位移过程可概括为个阶段，见图（）（）。首先，危岩体内应力因其表面凹腔的存在而重新调整分配，导致后缘形成陡倾拉裂缝；其次，危岩体后缘边界的主控拉裂面不断扩展，致使凹腔处向临空面出现微小变形；然后，危岩体后缘的主控拉裂面即将贯通，危岩体下部出现剪切位移，凹腔处变形不断增大；最终，危岩后缘主控拉裂面完全贯通，危岩体倾向临空面加速运动，而危岩体凹腔处因风化作用而破碎的岩体，先于危岩体发生掉块、崩落。（）降雨工况下模拟分析。在天然工况基础上，考虑持续降雨条件下，孔隙水压力对危岩体稳定性的影响，其块体位移矢量图见图（）（）。由图（）（）可知，随着降雨持续时间的增加，危岩体竖向位移逐渐增大，其中以凹腔处位移最大，危岩体上部有发生整体倾倒坠落变形的趋势，但下部基座处变形不明显。分析认为，在持续降雨或暴雨作用下，危岩体后缘裂缝拉伸断裂应力迅速增大，主控结构面抗拉强度降低，当岩体所能承受抗拉强度小于裂隙水压力时，危岩体极易发生失稳破坏。综上所述，在天然状况下，危岩体凹腔处局部产生破坏，但整体仍未发生明显变形，因此判断危岩体目前处于基本稳定状况；在暴雨或持续降雨条件下，裂隙水逐渐渗入，岩体内抗拉应力不断变小而断裂拉应力不断增大，导致主控节理面不断扩展直至全贯通，出现块体脱离，最终导致崩塌。3危岩崩塌运动特征研究3.1三维落石运动特征分析坡表特性往往对落石运动特征起决定性作用，因此拟采用法向恢复系数（）、切向恢复系数（）、动摩擦角（）和粗糙度四个因素量化坡表特 征 对 落 石 运 动 的 作 用，同 时 结 合 （）模拟软件，以线状崩塌源代替崩塌体，点状崩塌源代表单体危岩（图），模拟危岩崩塌的运动轨迹特征。图崩塌源（点和线）（）在确定研究区恢复系数、动摩擦角及粗糙度时，根据历史崩塌落石的堆积位置，采用参数反演方法，先根据铁道部运输局推荐的恢复系数取值范围确定大概数值，并进行试验模拟，然后对比模拟结果与现场实际情况，最终确定研究区下垫面的恢复系数、内摩擦角及粗糙度。通过调整参数模拟，获得崩塌源下方危岩体的运动轨迹（图），发现其与现场调查的落石轨图危岩体模拟运动轨迹 迹及堆积区基本吻合，且未越过下方公路。因此确定研究区坡表特征值见表。表坡表特征参数取值 名称法向恢复系数（）切向恢复系数（）摩擦角（）斜坡粗糙度基岩段 基岩段植被 崩坡积物植被 公路段 残坡积物 （）崩塌体轨迹及运动特征。在统计现场落石和危岩体体积的基础上，对线性崩塌体平均质量的模拟参数赋值为 ；根据坡面落石和危岩空间分布特征，设定每个滚石源间隔。模拟结果见图（）（），大部分落石停留在坡面上，少部分落石碰撞回弹后，停止在坡脚公路。落石在向下运动过程中其最大速度达到，碰撞后能量损失严重，速度迅速减小，最远着落点的水平距离为 ，在坡脚公路上停止运动。（）典型危岩体轨迹及运动特征。在对典型危岩体进行三维运动模拟时，以点性分布表示危岩体。如图（）所示危岩体失稳后，由静止状态向下做自由落体运动，初始速度小，但在重力作用下重力势能急剧向动能转化，速度成线性增加；落石运动水平距离为 时，速度达到最大，与坡面碰撞导致速度急剧减小；之后落石在重力作用下沿坡面继续滚动，最终在坡面上停止运动。综上所述，崩塌区落石主要从坡体正前方通过，最远可到达公路，但概率极低；典型危岩体崩塌后主要从坡体正前方通过，且左侧落石的运动距离大于右侧，但对下方公路威胁较小，该模拟结果与现场实际崩塌落石情况相吻合。危岩体由静图崩塌体、典型危岩体轨迹及运动特征 止状态突然向下运动的过程，重力势能不断转化为动能，因此整体上动能在初期不断增加，而当落石发生碰撞后，势能和动能又将转化为其他形式能（热能、声能等）而不断减小，直至落石停止运动。3.2二维落石运动特征分析在 和 （）软件模拟落石运动路径的基础上，从 内提取轨迹断面图对应的边坡剖面线，获得二维落石运动典型剖面图，如图。根据现场调查的崩塌落石分布情况进行反演分析，确定其初始条件及生成参数见表。利用 软件模拟崩塌体和典型危岩体 次落石下落过程，获得其运动轨迹及运动特性曲线（图）。危岩体从坡顶向下运动过程中，动能持续增加，在发生碰撞弹跳前达到峰值，碰撞后动能将迅速减小，但整体仍呈增大趋势；落石弹跳高度水电能源科学 年第 卷第期杨岚峣等：基于数值模拟的危岩崩塌特征及防治研究图典型剖面图 与动能变化呈正相关，其变化曲线与动能变化曲线相似。模拟得到运动路径与实际情况大致吻合，故参数取值较合理。表初始条件及生成参数 名称块体的平均质量 块体数量个最小速度减少抽样间隔个初始速度初始角速度块体生成方式崩塌体 随机危岩体 随机注：最小速度减少、初始速度单位均为；初始角速度单位为 。图运动路径及运动特性曲线 4防治措施建议研究区危岩体已在极端天气下产生崩塌，造成下方公路受损。危岩体失稳后在坡面上运动过程中，有少部分落石将到达坡脚公路处，对下方行人车辆及公路构成威胁，因此需采取有效工程防护措施。常见的危岩崩塌治理措施可概括为两大类：以主动防护网、喷锚支护、静态爆破等手段为主的主动防护措施；以被动防护网、落石槽、棚洞等为主的被动防护措施。而根据赵家娅崩塌现场实际情况、危岩体稳定性分析及 数值模拟结果，结合实际资金投入和施工条件等因素，建议采取“清危坡面平整被动防护网”的治理措施。在 高程处设置被动防护网后，通过数值模拟得到落石的运动轨迹见图。由图可知，在坡面设置被动防护网后，可有效拦截坡面落石，极大降低了落石对下方公路及人员安全的威胁。根据数值模拟结果，落石在 高程处的最大弹跳高度为 ，冲击能量约 ，因此建议采用高的 型被动防护网，网型 ，结构配置为钢柱支撑绳拉锚系统缝合绳减压环。同时也要加强对危岩崩塌的宏观地质巡查及裂缝变形监测，保证施工安全进行。图落石运动路径 5结论 赵家娅危岩在天然状况下整体稳定性较好；但在持续降雨或暴雨条件下，危岩体后缘节理面扩展贯通，存在失稳破坏可能。通过模拟分析危岩体，发现其破坏后大部分落石将停留在坡面上，少部分落石碰撞回弹后到达下方公路，对公路造成威胁；结合现场地形，建议采取被动防护网拦截落石，以达到防治目的。参考文献：王旭鄂西三叠系灰岩岩体的 及强度参数研究武汉：中国地质大学，占建琴，唐辉明，熊承仁，等鄂西恩施地区岩石物理力 学 参 数 的 相 关 性 煤 田 地 质 与 勘 探，（）：，吕庆，孙红月，翟三扣，等边坡滚石运动的计算模型自然灾害学报，（）：刘福臻，李旭德，王军朝，等 基于无人机和 的 崩 塌 落 石 特 征 分 析 与 运 动 学 模拟 以察雅县崩塌落石为例自然灾害学报，（）：（下转第 页）的射流区范围大；远场区内的断面平均流速沿流程在管道平均流速上下浮动，变化剧烈程度 ；随着下游远场区距离的增加，断面平均流速的波动幅值渐渐减小，流场逐渐趋于稳定。管道车下游流场的空间涡结构具有类似涡环特征，但一方面由于管道车料筒端面支脚的影响，另一方面由于流场的高程度湍动，其空间涡环结构高度破碎；且涡结构在靠近环形缝隙一侧较多，靠近管轴线一侧涡结构较少。参考文献：乔永亮，桂洪斌，刘祥鑫三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择水利水电工程学报，（）：杨彩虹，康庄，张橙 基于改进 方法的圆柱绕流尾迹特性研究 华中科技大学学报（自然科学版），（）：，王智慧，翟红岩，李庆领，等椭圆柱绕流尾迹的 测量及 分析 青岛科技大学学报（自然科学版），（）：刘娟，董启明 大涡模拟方法下的四圆柱绕流数值模拟低温建筑技术，（）：，：，（）：，（，）：，：；（上接第 页），（，；，；（），；，）：，：；水电能源科学 年