基于Rockfall的溝谷區高位危巖體危險性評估

摘 要：為了降低高位危巖體對溝谷區建設用地威脅，以溝谷區內某商住小區為例，探討高位危巖體危險性評估結果。通過資料收集和現場調查，采用Rockfall模型軟件計算溝谷區高位危巖體對小區現狀地質災害危險性，評估了防治措施情景下的地質災害危險性。用Rockfall模擬軟件計算出溝谷區內危巖體現狀和設計情景條件下的運動路徑和最遠威脅距離，確定建設用地紅線范圍內的地質災害危險性結果。結果表明，現狀條件下溝谷區建設用地紅線范圍內危險性中等區域面積112.15 m2，設計情景下建設用地紅線范圍均為危險性小的區域。

關鍵詞：溝谷區；Rockfall軟件；高位危巖體；危險性評估

Rockfall-based risk assessment of high-level dangerous rock mass in valley area

LIU Rengyang

（Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academy Co.， Ltd.，Guiyang 550081， Guizhou， China）

Abstract： In order to reduce the threat of high-level dangerous rock mass to the construction land in the valley area， this paper takes a commercial and residential community in the valley area as an example to discuss the risk assessment results of high-level dangerous rock mass. Through data collection and on-site investigation， the Rockfall model software was used to calculate the risk of high-level dangerous rock mass in the valley area upon the current geological safety of the community， and evaluate the risk of geological hazards so as to facilitate preventive measure application. Rockfall simulation software calculates the current situation of the dangerous rock in the valley area， the movement path and the farthest threat distance under the design scenario conditions， and determines the geological hazard risk level within the red line set for the construction land. The results show that under the current conditions， the medium-risk area within the construction red line in the valley area is about 112.15 m2. Under the design scenario， all areas within the construction red line are low-risk areas.

Keywords： valley district; rockfall software; high-level dangerous rock mass; risk assessment

為了營造和諧安全的社會環境，政府加大自然災害防治投入力度，致力于建立安全有效的自然災害防治體系，力圖從根本上保障國民財產安全（郜國明等，2023；左三勝等，2004）。凡是易發區內的基建項目，無論是工業民用建設用地，還是道路、水利、油氣管道建設用地必須明確地質災害綜合危險性，確定建設用地適宜性（馬保元，2021；王得楷，2002；劉軍強，2002；張文棟等，2023）。建設者提供相關評估資料方能獲取目標土地使用權，建設用地地質災害評估的適宜性結論直接影響到建設者能否獲得土地利用權。隨著房地產行業的發展，適宜項目建設的優質土地資源日趨減少，溝谷區逐漸成為房地產的開發對象。在溝谷區從事工程建設，開發商可能會面臨危巖體林立于建設用地兩側的問題，威脅建設工程安全生產和后期運營維護，需開展溝谷區內地質災害危險性評估，分析區內可能發育的地質災害的破壞能力和破壞強度，評價溝谷區工程建設適宜性（李樹鵬等，2022；李軍等，2011）。本文以溝谷區內某商住小區為例，采用Rockfall模型軟件構建情景模型，評估溝谷區地質災害危險性。

1 ?概況

研究區位于某縣域南部溝谷區，兩側基巖裸露，局部見危巖林立于溝谷區兩側，溝谷區中間有鄉村公路通往城區，距離北側國道約150 m，交通優越，滿足建設用地條件。建設用地總面積39 628 m2，其中建筑占地面積8 620 m2，其他均為附屬設施建設用地。建設用地由3塊地塊組成，詳細信息見表1。

該項目位于溝谷區，建設用地紅線范圍兩側山峰林立，自然坡度約25°，植被稀薄、基巖裸露，局部高位危巖發育。區內最高點海拔81.12 m，最低處海拔13.99 m（圖1），整體上呈中部低、兩側高，為典型的凹型溝谷區；水系呈樹枝狀分布，多發育季節性小溪，源短流急，匯水面積小，流程短；出露地層主要為燕山晚期花崗巖，上覆第四系殘坡積層、沖洪積層；水文地質條件簡單，工程地質條件中等，巖土工程地質層物理力學參數見表2；區域性斷裂有北東向的泰順-黃巖斷裂和北西向淳安-溫州斷裂，褶皺構造不發育。該區屬政和-海豐地震帶，位于地震動峰值加速度0.05 g分區，對應地震基本烈度VI度，地殼基本穩定。

2 ?研究方法

Rockfall軟件計算模型主要包括落石模型、邊坡模型和計算坐標系（秦世夕等，2019）。

2.1 ?彈跳算法

邊坡崩塌的影響范圍是指邊坡崩塌體通過滑動、墜落、滾動、跳躍所能達到的范圍。崩塌體主要來自坡頂和整個坡面（石碧波，2018）。崩塌體的運動速度和軌跡與以下因素有關：崩塌體規模、形狀和硬度；邊坡的高度、坡度和坡形；坡面物質的組成及其表面起伏程度、覆蓋層和植被等。

本次邊坡破壞影響范圍的劃定，主要通過采用崩塌掉塊運動模擬軟件Rockfall對邊坡的典型剖面塊體運動軌跡方程進行模擬計算，模擬計算塊體從坡面墜落后的可能運動特征。崩塌體或落石初始速度為0 ，坡面為基巖面，其軟硬程度不同，造成坡面處反彈恢復系數亦不同，因塊石運動能量和坡面反彈恢復系數不確定，崩塌體運動特征較復雜，如圖2所示。塊石在坡面上運動特征值（包括運動速度、運動軌跡）采用公式（1）至公式（17）計算（謝金等，2021）。

塊石從母巖脫落的物理機理是計算落石運動路徑與塊石撞擊界面的交點。利用撞擊界面反彈恢復系數計算撞擊后運動特征，通過比較撞擊坡段的起終點與撞擊界面交點的坐標，判斷交點的合理性（葉四橋等，2015）。落石撞擊反彈特征模型計算公式如下：

１）縱、橫向直線方程

L=X_1+μ（X_2-X_1） （1）

H=Y_1+μ（Y_2-Y_1） （2）

式中：L為橫向距離，m；H為縱向距離，m；（X1，Y1）、（X2，Y2）分別為坡面線段起點和終點坐標；μ為方程參函數。

２）落石運動特征方程

L=V_（X_0 ） t+X_0 （3）

H=1/2 gt^2+V_（Y_0 ） t+X_0 （4）

式中，（X0，Y0）為落石初始坐標，V_（X_0 ）、V_（Y_0 ）分別為落石的橫向、縱向初速度（m·s-1），g為重力加速度（取9.81 m·s-2），t為落石運動時間（s）。

３）落石速度方程

V_（X_B ）=V_（X_0 ） （5）

V_（Y_B ）=V_（Y_0 ）+gt （6）

式中，V_（X_B ）為落石撞擊前的橫向速度（m·s-1），V_（Y_B ）為落石撞擊前的縱向速度（m·s-1）。

４）落石撞擊界面的交點方程

1/2 gt^2+[V_（Y_0 ）-qV_（X_0 ）]t+[Y_0-Y_1+q（X_1-X_0）]=0 （7）

t=（-b±√（b^2-4ac））/2a （8）

式中，a=1/2 g，b=[V_（Y_0 ）-qV_（X_0 ）]，

c=Y_0-Y_1+q（X_1-X_0），q=（Y_2-Y_1）/（X_2-X_1 ）。

5）落石碰撞前速度在每次計算運動特征時，根據式（7）、式（8）落石撞擊界面的交點方程計算碰撞時間，將碰撞時間t值代入式（3）、式（4）可求出落石撞擊界面交點的坐標，與撞擊坡段的起終點比較判斷碰撞點合理后，將t值代入式（5）、式（6）計算落石碰撞前速度，并將其沿撞擊界面沿法向與切向進行拆分，拆分結果如下：

V_（N_B ）=V_（Y_B ） cosθ-V_（X_B ） sinθ （9）

V_（T_B ）=V_（Y_B ） sinθ+V_（X_B ） cosθ （10）

式中，θ為撞擊界面坡度（弧度），V_（N_B ）為落石碰撞前法向分速度（m·s-1），V_（T_B ）為落石碰撞前切向分速度（m·s-1）。

６）落石撞擊反彈速度

V_（N_A ）=R_N V_（N_B ） （11）

V_（T_A ）=R_T V_（T_B ） （12）

式中，RN為撞擊界面法向反彈恢復系數，RT為撞擊界面切向反彈恢復系數，V_（N_A ）為落石撞擊反彈法向分速度（m·s-1），V_（T_A ）為落石撞擊反彈切向分速度（m·s-1）。

將落石撞擊反彈法向分速度與落石撞擊反彈切向分速度分別作為橫向速度與縱向速度，可作為下一次落石運動特征的計算：

V_（X_A ）=V_（N_A ） sinθ+V_（T_A ） cosθ （13）

V_（Y_A ）=V_（T_A ） sinθ-V_（N_A ） cosθ （14）

式中，V_（X_A ）為落石撞擊后橫向速度（m·s-1），V_（Y_A ）為落石撞擊后縱向速度（m·s-1），迭代計算至運動停止。

2.2 ?落石滑動特征模型

該模型用于計算落石在撞擊界面處于滑動狀態，具體計算過程如下：

１）落石滑動的加速度計算公式

a=g（sinθ-cosθtanφ） （15）

式中，φ為撞擊界面摩擦角（°）。

２）落石滑動的速度、位移公式

V_F^2-V_0^2=2sg（sinθ-cosθtanφ） （16）

式中，V0為落石滑動初速度（m·s-1），VF為落石完成后終速度（m·s-1），ｓ為落石位移（ｍ）。

３）滑動時間計算公式

t=（V_F-V_0）/（g（sinθ-cosθtanφ）） （17）

本次邊坡崩塌計算，坡面巖土體的反彈恢復系數，分段采用表3所列數值。

為了深入分析，本次只針對研究區內B4#和B5#規劃樓房進行計算評估，采用Rockfall模擬軟件計算溝谷區危巖體運動特征。本文設計2種情景評價地質災害危險性：情景一，設計在現狀條件下，計算危巖體運動路徑和最遠威脅距離；情景二，設計在采取工程治理后，計算危巖體運動路徑及最遠威脅距離。

根椐GB/T 40112－2021《地質災害危險性評估規范》評估方法，溝谷區危巖體處于穩定—欠穩定狀態，周圍未發生崩塌落石地質災害，危巖周圍為灌木叢，植被發育，地質災害弱發育，威脅下方擬建建筑物，危害大，該處危巖體地質災害危險性中等。

3 ?模型構建

3.1 ?情景計算

1）自然現狀下模型構建及計算

模型設定：根據野外實際調查結果，危巖體位于B5#規劃建設后方，其中危巖體至邊坡坡頂處均為灌木叢，植被茂密，植被覆蓋率85%，邊坡至紅線范圍處均為混凝土護坡，坡面光滑。

參數設定：設計垂直邊坡剖面線并經過評估范圍處內危巖體，危巖體至邊坡坡頂處，剖面材料屬性選擇“植被覆蓋的土質邊坡”和“多數為基巖和無植被覆蓋的斜坡”，具體參數取值見表4。

危巖體設定：危巖體位于溝谷區建設用地北側，危巖體與坡頂紅線高差約54 m，與坡腳橫向距離約56 m，危巖體體積約1.5 m3，質量約3.75 t，危巖體初始狀態設置為靜止，橫、縱向速度均為0，初始速度角度設置0。

本次根據實際情況設置攔擋措施，在坡頂上方約3.5 m處設置SNS柔性防護網，防護網高度3 m，模型其他設定（模型設定、參數設定及危巖體設定）均與自然現狀下模型一致。

3.2 ?溝谷區建設用地危險性評估

根椐GB/T 40112－2021《地質災害危險性評估規范》評估方法，綜合溝谷區地質發育程度及危害程度判定地質災害危險性評估結果，結合兩種情景下Rockfall模型的計算結果，確定危巖體發生崩滑后的運動軌跡及最遠、最高崩落距離，以危巖體的初始位置為圓心、以最遠崩落距離為半徑繪制扇形區域，與紅線范圍相交區域即為地質災害危險性中等范圍，紅線區域其余范圍為地質災害危險性小。

4 ?結果與討論

4.1 ?自然現狀下模型計算結果及危險性評估結果

自然現狀下模型計算結果見圖3。自然現狀下Rockfall模擬計算結果顯示，危巖體發生滾落后，其運動軌跡基本沿著坡面，滾動過程中主要受到坡面植被及軟泥對它的緩沖阻擋作用。危巖體在坡面上不存在彈跳，但滾落至坡腳處發生了反彈，最高反彈高度0.635 m，最遠運動距離與坡腳相距4.273 m，以危巖體的初始位置為圓心、以最遠崩落距離為半徑繪制扇形區域，與溝谷區建設紅線范圍相交，即圈定為危巖體地質災害危險性中等，其余為地質災害危險性小，評估結果見圖4。

溝谷區建設用地紅線范圍內危險性中等主要分布在B5#樓房西北側區域，面積約112.15 m2，B4#樓房及紅線其余區域地質災害危險性小。

4.2 ?工程治理后模型計算結果及危險性評估結果

從圖5可看出，采取工程治理后，危巖體發生滾落后，其運動軌跡基本沿著坡面，滾動過程中主要受到坡面植被及軟泥對它的緩沖阻擋作用，最后在坡腳附近被SNS柔性防護網攔擋，建設用地紅線范圍擬建樓房危險性評估小，如圖6所示。

綜合自然現狀下和工程治理后的溝谷區危巖體，結合危巖體現場調查情況，采用rockfall軟件計算溝谷區危巖體最大威脅距離及彈跳高度，以危巖體的初始位置為圓心，以最遠崩落距離為半徑繪制扇形區域，與建設用地紅線范圍相交，即圈定為危巖體地質災害危險性評估結果，確定溝谷區危巖體地質災害危險性評估等級，直觀準確地反映溝谷區內危險性高的危巖體，為后期工程治理提供依據，同時也可定量分析治理后危巖體危險性評估等級，評定治理效果。

5 ?結論

1）綜合評估規范方法評價溝谷區危巖體地質災害發育情況和危害程度，確定地質災害危險性評估結果，再采用Rockfall軟件模擬危巖體運動軌跡和運動距離，計算危巖體發生崩落時最危險運動軌跡、運動距離和彈跳高度，確定地質災害危險性使溝谷區建設用地危險性評估結果具有客觀性和科學性。

2）構建兩種情景模型，分別評估溝谷區地質災害危險性，圈定地質災害危險區。自然現狀下，Rockfall模擬計算的危巖體運動軌跡，最高反彈高度0.635 m，最遠運動距離與坡腳相距4.273 m，溝谷區危巖體地質災害危險性中等區域主要分布在B5#樓房西北側區域，面積112.15 m2；采取工程治理后，危巖體被攔擋，紅線范圍內地質災害危險性小。

3）溝谷區建設用地危險性評估，其影響因素比較復雜，不僅要考慮區域環境地質條件，還要考慮人類工程活動的影響，其危險性評估仍需進一步研究。

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收稿日期：2023-04-22；修回日期：2023-08-10

作者簡介：劉仍陽（1992- ），男，碩士，助理工程師，主要從事水工環地質工作。E-mail：534160329@qq.com

引用格式：劉仍陽，2024.基于Rockfall的溝谷區高位危巖體危險性評估［J］.城市地質，19（1）：36-42