危岩稳定性评价与治理思考——以桂林市叠彩山危岩为例

本文是一篇工程硕士论文，本论文通过 Rocfall 数值模拟建模，验证 Rocfall 数值模拟落石冲击力、弹跳高度、落石运动轨迹、影响因素等是否于现场试验结果一致，以桂林市叠彩区叠彩山危岩为研究对象，对其稳定性评价计算并提出治理方案。

第 1 章 绪论

1.1 选题依据背景及研究意义
1.1.1 选题依据和背景
危岩崩塌过程的随机性和偶然性极强，影响因素也十分繁杂，在运动过程中会出现一些非常偶然性的因素，这些都很有可能会造成落石地质运动学特点的急骤改变[1]。
危岩崩塌地质灾害突发性和随机性极强，崩塌落石速度相对较快，所具有的能量极大，能在短时间内产生巨大经济损失，影响地区经济发展和社会的稳定。近年来随着气候变化带来极端天气的变化频率加快，气温变化引起雨雪冰冻天气增多，雨水渗透和人类作用引发的地质灾害危岩崩塌也愈加严重[2]。
在我国中西部地区，由于高速公路高陡边坡、景区内陡崖峭壁普遍发育，崩塌堆积物广泛分布，体积较小的崩积物在重力和水流的作用下可能发生移动[3]，高速公路高陡边坡和景区危岩区时常发生危岩崩落灾害事件造成严重经济损失和惨痛的人员伤亡，落石资料图见 1.1。 ..............................

1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1 危岩形成条件及诱发因素
危岩落石灾害的形成机理和诱发因素是研究落石运动的的基础，形成机制决定了危岩的发育和生成，诱发因素直接促使危岩的发生。研究危岩体的形成机理和诱发因素，可以有效地确定危岩体的发育规律和分布特征，从而确定危岩体落石易发区和敏感区。
国外学者对危岩的形成条件和诱发因素进行了研究:ArefMo等对也门A1-Huwayshah地区的危岩进行了研究，认为危岩的诱发因素包括陡坡、岩体裂隙、岩体节理裂隙和重力、降雨、地震、温度、植被和人类活动；Dorren对目前关于危岩研究的大部分文献进行了回顾和总结，发现崩塌源岩体结构面组合控制着崩塌体数量；Paolo Paronuzzi[7] 通过试验验证指出落石落石恢复系数应小于0.8；C．Thornton[8]通过试验结果推导出计算恢复系数公式，阐述落石运动与各项影响因素的关系；Spang R．Mt[9]讨论落石运动轨迹中各影响因素的规律，推到出符合实际的落石运动计算方程；Penna[10]等探讨了阿根廷Potrero de Leyes崩塌源区的宏观破坏问题，发现破坏区域受控于三组岩体结构面，关键因素是区域性构造变形；Hoek认为外力状态的变化气候或生物事件是导致危岩落石运动发生的主要原因，人类工程活动的诱导效应远远高于上述主要因素。
国内学者叶四桥、唐红梅、石金旭等从地质构造与新构造运动、地形地貌、地层岩性、气象水文、卸荷风化、人类工程活动等方面研究了落石的发育机理和影响条件；邝镇国将崩塌分为古崩塌和现代崩塌，认为现代崩塌与岩崩的发生密切相关；孙云志等分析了奉节李子崖危岩的成因机理和稳定性，研究了危岩底部采空区对危岩稳定性影响。
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第 2 章 室外落石试验及数值模拟

2.1 室外落石试验场地及环境条件
危岩落石产生的轨迹运动通常受起始运动状态、植被生长情况、坡表形态、自身特性等复杂影响因素，运动过程一般为块体—坡面—结构物系统的相互配合作用。落石历史事件调查、落石试验和 Rocfall 数值模拟是目前研究危岩落石的三种方法。研究区域落石历史事件调查一般是指对已发生的落石运动事件遗留的痕迹进行逆推理，可得到较为真实落石运动轨迹和途径，其随机性较强，难以反应整个危岩带落石运动全貌。落石试验一般可分为现场落石试验和室内比例模型试验。现场落石试验可真实再现落石运动情形，可通过观察和录影录像提取运动参数，重复落石运动特性。室内比例模型试验通过比例还原试验现场落石状况，控制如落石形状、质量、坡面粗糙度、植被覆盖度等参数，通过反复试验，对比室外落石情况参数，有助于分析和处理试验数据。
本文通过室外落石试验和室内落石模拟试验结合，研究落石质量、形状、坡度角、阻尼系数等参数对落石运动轨迹的影响，寻找落石运动规律，验证 Rocfall 数值模拟结果与室外落石试验和室内模拟试验的可取性和差异性。
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2.2 试验岩块特征
为使试验更具有普遍性，试验所用落石石块均为试验场块石，岩石重度为 28.5kN/m³。试验试块特征如下表 2.2，试验试块如图 2.3 所示。 .............................

第 3 章 危岩落石室内试验及数值模拟.................................... 27
3.1 模型试验设计............................................... 27
3.2 模型试验条件............................................ 28
第 4 章 桂林市叠彩山地质环境、危岩体基本特征及稳定性评价............................. 38
4.1 研究区地理位置........................................... 38
4.2 工程地质条件........................................ 38
第 5 章 防治设计.............................................. 59
5.1 Rocfall 数值模拟................................................59
5.1.1 参数选取..................................................... 59
5.1.2 模拟结果分析................................. 60

第 5 章 防治设计

5.1 Rocfall 数值模拟
5.1.1 参数选取
根据研究区危岩体体积大部分在 0.5～3m³之间，本次危岩路径的模拟选取体积为3m³，模拟两块落石 A-A 和 A-B 从不同坡度面山顶最高处向下崩落，从而得到危岩落石运动轨迹及发生落石运动后产生的最大威胁范围，研究区危岩物理力学取值范围为可见表 5.1。 通过 Rocfall 数值模拟建模对两处危岩坡面进行建模后，模拟落石 A-A 和 A-B 从坡顶自由失稳运动，落石主要沿着进行斜面滚动、弹跳、空中飞行、碰撞等运动形式间断性进行，落石的动能逐渐增大，且随着不同坡角的增大，落石发生碰撞时法向运动速度也变大，运动形式加剧；在落石抵达地面后，主要以弹跳和坠落两种方式继续进行运动。在坡面较缓处，落石均沿坡面进行滚动为主，在与坡面发生碰撞时进入飞行模式，而后再次发生碰撞，交替进行，直至运动至水平坡面。
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第 6 章 结论与建议

6.1 主要结论
本论文以落石室外试验、1:10 比例模拟室内落石试验为基础，通过观察和摄像反算和提取试验中落石的运动轨迹、冲击动能、运动速度、弹跳高程等运动参数，研究落石质量、形状、坡度坡角、阻尼系数等基本参数对落石运动轨迹的影响，对其运动轨迹及位移和速度进行分析，通过 Rocfall 数值模拟建模，验证 Rocfall 数值模拟落石冲击力、弹跳高度、落石运动轨迹、影响因素等是否于现场试验结果一致，以桂林市叠彩区叠彩山危岩为研究对象，对其稳定性评价计算并提出治理方案，得出以下结论：
1．在落石室外与室内试验中，落石运动模式均以滚动、弹跳及飞落为主，滑动模式极少；落石质量对落石偏移量有影响，但对落石偏移比影响较小；落石运动模式中，弹跳和滚动两种模式交替混合运动偏移量均比单项弹跳或滚动模式影响更大；大质量的落石对地表波动阻尼等影响因素的“抗地形干扰”能力越强；相对于室外落石试验中，落石在运动过程中产生的总能量随着落石质量的增加而增大，当落石质量高出某个值时，落石所具有的总能量会骤剧增大的结论在室内落石试验体现不明显。
2. 就室外落石试验、室内落石模拟试验与 Rocfall 数值模拟对比分析，不论是在室外落石试验、室内落石试验还是 Rocfall 数值模拟中，近球体落石所具能量均大于长柱体、长棱体、扁平体等其他形状落石；Rocfall 数值模拟最高弹跳高度均大于落石室内试验、落石室外试验值；Rocfall 数值模拟落石平均弹跳两次，室外落石试验落石平均弹跳三次；就最终停留位置而言，Rocfall 数值模拟落石也明显大于试验落石运动。
3．在 Rocfall 数值模拟中，模拟落石运动达到最远距离、弹跳次数均大于试验结果，弹跳高度大于试验结果的 15~25%，落石冲击力产生的能量高于落石试验结果的25%~35%。这与 Rocfall 设定的落石形状均为质点，在相同的条件下忽略形状和其他因素影响，说明在过去数值模拟中取值一般偏大于实际落石取值。
4．综合来看，通过对比室外落石试验和室内模拟落石试验与 Rocfall 软件数值模拟的落石运动路径比较，试验各项结果虽小于数值模拟，但对于实际工程而言，较为吻合和合理，因此采用 Rocfall 软件数值模拟对实际工程案例设立拦挡高度位置、设置工程拦石墙、拦石网有实践意义。
参考文献（略）