中国西南部悬垂斜坡危险岩体质量不稳定的轨迹分析与风险评价

抽象的

对高坡危险岩体崩溃的运动轨迹和风险评估分析对于预防和控制崩溃的地质灾害具有重要意义。This study firstly takes the dangerous rock mass of the high slope in Pu’erdu Town, Yanjin County, Zhaotong City, Yunnan Province, as the research object, calculates and analyzes the trajectory of collapse movement of several groups of dangerous rock mass with great threat, and RocFall are used to carry out numerical simulation analysis and verification. Secondly, the risk and vulnerability of the dangerous rock mass in the study area are analyzed, and the risk evaluation is carried out through the risk evaluation matrix to clearly define the risk level. Results show that if the dangerous rock mass collapses, the horizontal movement distance was approximately 53–88 m, and the maximum bounce height of the platform was approximately 3–18 m, which will seriously threaten the life and property safety of residents. There is little difference between the simulation of the collapse of dangerous rock mass by RocFall software and the calculation result of the formula. Although RocFall software is more intuitive and can be directly compared with charts, software cannot completely simulate the actual situation, and it is only suggested as a reference from design rather than a basis of design. The result of risk evaluation shows that there are 2 high-risk dangerous rocks, 3 medium-risk dangerous rocks, and 1 low-risk dangerous rock in this area. It is suggested that a reasonable and scientific engineering treatment scheme should be put forward as soon as possible in combination with the collapse trajectory of the collapsing movement.

1.介绍

Pu’er Town, Yanjin County, Zhaotong City, Yunnan Province, is an area where the geological hazards are most developed in Yunnan Province, especially with landslides, collapses, debris flow, etc. For instance, on July 18, 2005, a landslide occurred in the residential area of the Pu’er branch of Yanjin Vocational Middle School. The crack was more than 30 meters long and the crack width was about 30 cm. The overall downward trend involved an area of more than 0.7 acres, which directly threatened 22 residents, two government agencies, 10 people in the family planning station, and a middle school, totally about 35 million yuan in property threatened. On August 29, 2007, a collapse occurred above Shijie Community of Tiaoqiao, Pu’er Town, and a house was smashed, the stone weighing about 2 tons, endangering 21 people in 8 households and causing a direct economic loss of 800,000 yuan. On August 10, 2008, hit by heavy rain, a collapse occurred on the left side of Guanyinyan (Bench Rock) in Tiaoqiao Community, Pu’er Town, accompanied by debris flow, resulting in varying degrees of damage to 13 households; one person was injured, and 15 pigs washed away. The direct economic loss is more than 2 million yuan. The frequent occurrence of geological hazards threatens the life and property safety of the people in Pu’er Town, causing huge losses to the national economy and severely restricting the development of the local economy. Therefore, it is very urgent and necessary to analyze the trajectory of the collapse of the dangerous rock mass in the disaster area and evaluate the risk to prevent the geological disaster from further causing casualties and property losses.

目前，危险岩石质量下降路径轨迹的分析方法主要包括现场测试，经验鉴别和理论计算。例如，Bobbert等人提出的下降岩运动轨迹的预测公式。[1]和多伦[2]提出了角度和暗角模型的DOA模型（达角模型）（浅角模型）。Cui等人。[3.]，通过现场试验，得到了整体平面、角度局部变化公式，计算出滚动速度的直线斜率，进而估计出滚石的运动速度和冲击能量。顾鹤和王[4研究了岩崩轨迹预测分析方法、室内岩崩试验和现场试验。杨及周[5]考虑了岩石形状的岩石轨迹的影响，近似岩石到椭圆形;根据岩石运动的常见形式，提出了一种岩石轨迹的计算与预测的理论方法。基于岩石运动整个过程的三个阶段，Fu等人。[6]，利用分段循环算法得到各阶段速度计算公式，建立模型，并将理论公式应用于岩崩运动轨迹预测。郑及苏[7]通过统计分析研究了汶川地震中近400条崩塌岩石剖面，获得了岩石的运动特征和损伤范围参数。RocFall软件是随着计算机技术的发展而出现的，它可以通过二维统计分析来评估岩崩的风险[8］．叶等。[9提出了一种岩石轨迹的三维预测方法，结合了岩土材料的特征。Qin等人。[10]提出了一种具有岩土坡度任意形状的岩石轨迹的三维分析方法;该方法建立了具有任意形状的岩石和斜坡模型，根据接触搜索算法建立的岩石运动方程和岩石和斜率之间的接触碰撞模型，并模拟了沿斜坡的岩石的三维运动轨迹;预测结果与实际情况之间的间隙变窄。目前，尽管新方法的出现，甚至最广泛使用的罗木软件。基于罗木软件，许多学者研究了岩石斜坡上岩石的动能，速度和反弹高度包络，岩石滚动终点的位置，沿着斜坡线的动能，速度，弹跳高度分配等，为实际工程提供参考[11- - - - - -21］．

许多机构和学者提出了各种地质危害风险的定义[22］．例如，张[23[基于总结发达国家和中国香港风险评估经验，提出了地质灾害区域风险评估的基本概念。仁钦[24]建议使用“产品功能”的危害、脆弱性和暴露程度来计算风险。元与方[25]提出了评价风险和危害风险矩阵，并以陕西省延安市宝塔区为例进行了地质灾害风险评价研究和探索。

本文在对处置区危险岩体稳定性分析的基础上，通过RocFall进行了危险岩体坍塌轨迹预测的研究，并通过数值模拟进行了验证。通过判断危险岩体的危险性和易损性，利用风险评价矩阵进行风险评价，明确风险等级。

2.项目描述

Pu'erdu Town位于云南省Zhaotong City Zhaotong City Zhaotong City西北部，距离延京县约有20公里，距离昭通市有140公里。该镇占地面积234公里²人口约60,000人。治疗区域的地形和地貌条件非常复杂，这主要表现为由地质结构控制的流动性地貌，基本地貌单元是山水和山谷，并且还有温和的坡地与沉积岩层开发的坡地地貌。在4公里内的最低海拔²以普洱镇为中心，位于川四河与官河汇合处，海拔355米，最高海拔699米，位于普洱镇西北约1公里处。区内河谷较深，以v型河谷为主，河谷坡度较陡，一般在30°以上。普洱都镇长期受河流侵蚀，地势险峻，沟壑纵横，是典型的山地地形。研究区地理位置如图所示1．

在本文中，我们在控制区域中选择了六个危险的岩体W1，W2，W3，W4，W5和W6进行研究。每个危险岩体的平面分布如图所示2，现场照片如图所示3.并且在危险岩体中产生的关节如表所示1．危险岩点特征及描述见表2．

3.危险岩体坍塌破坏的轨迹分析

３.１.理论

危险岩石下降路径的分析方法基本上分为四类：现场测试，经验鉴别，理论计算和数值模拟。下降岩石被简化为球体或颗粒，这里下降岩石被简化为理论计算中的球体[26］．结果表明，只有当斜率小于一定的临界值（约12°）随着斜率的增加时，它也可以显示为滑动，滚动，跳跃和自由洞穴，并且可以累积一部分或全部累积在斜坡或山谷脚下[27］．当雪崩的坡度在12°~ 45°之间时，发生滚动;坡度在45°~ 76°之间时，发生滚动跳跃;如果坡度大于76°，雪崩就会做自由落体运动。跌落角度如图所示4(一)．

不同类型的危险岩石块是不稳定的，其崩溃运动特性是不同的。倒装危险岩体在悬崖脚下崩解，随着接触点，沿着25°〜40°的较低斜率向下滚动，初始滚动速度很小。下降危险岩石的不稳定性均开始从悬崖的上部或顶部落下大约80°，主要是由于大规模危险岩石质量，卷的旋转下降，并且在高初始速度下跳上下斜率直到它停止了。通过对折叠块的调查，勘探区域中危险岩石的崩溃距离受到地形的限制，并且块的形状类似于悬崖区中的危险岩石块。

危险岩体移动距离预测与分析:如图所示4（b）当落岩在第一次落在斜坡表面上时，由于碰撞导致的能量变化，并且在碰撞过程中消耗了部分能量。

根据动能守恒定律， 在哪里是重力的加速度，h为物体到参考平面的高度，m是物体的质量，还有V是物体的速度。

根据上面的方程，速度V才能计算出落石的碰撞量。V_N（正常速度）和V_T.（切向速度）通过以下公式计算碰撞后： 在哪里V_T.亚速度是V垂直于斜坡（m / s），V_N亚速度是V平行于斜坡（M / s），β（°）是角度之间的角度V_T.和V，其值可根据地形等高线得到。

3.2。危险岩体运动轨迹分析

调查区的地形有一个陡峭的斜坡和硬岩。在危险岩体崩溃后，除了沿着关节表面和床上用品平面之外，大多数岩石块保持良好，形成不同尺寸的岩石块，当它们不稳定时，岩石块将跳跃并滚动山坡，这具有强烈的影响损伤能力，具有危险岩体崩溃损伤运动的原理图（图4（b）），可以看出，在危险岩石质量的崩溃后，岩石质量的运动方式主要是滚动和跳下来。以危险岩体W1为例，如图所示5，下降岩石之间的正常碰撞和W1危险落岩路径的4和3段之间的斜坡之间的坡度可以视为芯塑裂，所以VN. = 0. In the tangential collision, the loss rate is 10%.

落岩在斜坡上的第一次冲击的动能及其连续运动是 ．斜坡上落下岩石的连续运动是一种综合形式的轧制和滑动，并且为了便于计算，可以简化沿着坡度的综合摩擦运动。根据功能原理，下降岩的潜在能量变化等于动能变化和克服摩擦的工作： 在哪里VI.是斜坡表面（m / s）上的任何位置下降岩石的速度，人工智能是否为各直线段的平均斜率(°)Δh_我是每个直线段（m），φ的斜率的垂直高度_R.是下落岩石和斜坡（°）之间的综合摩擦角，l_我是每个斜率的长度（m）。

３．3.移动距离计算

由于危险岩体所在的悬崖斜率大于76°，因此可以认为危险岩石在秋季期间处于自由落下的运动。根据动能的保护规律，危险岩体的所有潜在能量在与下一个斜坡部分碰撞之前立即转换成动能（不考虑空气阻力）。与危险岩体质量的最大水平移动距离可以通过上述公式计算。计算结果如表所示3.．

3．4．跳跃的计算

在本文中，我们只计算了W1、W2、W3、W4的反弹高度，使用的公式如下:

撞击平台后反射速度:

岩石第一次反弹的最大高度h_最大限度：

跳岩总高度: 在哪里λ.为撞击平台时的摩擦系数，V_R是击中平台后的速度，γ.是击中平台后的反射角，h_S.是跳跃高度的安全值（一般为0.5〜1.0）。计算结果如表所示4．

4.基于rocfall的数值模拟验证

4.1。罗木软件介绍

RocFall是一种统计分析软件，用于评估陡坡上岩石掉落的风险。通过输入与边坡和落石有关的基本参数，来模拟边坡落石的运动路径、能量分布和反弹高度变化。该软件将落石视为刚性质点，坡面视为各向同性塑性体，不考虑空气阻力。主要参数包括法向恢复系数、切向恢复系数、动摩擦系数和落岩重量[28，29］．在数值模拟中使用的斜率恢复系数范围显示在表中5．

位于高斜坡上的危险岩体质量有很多潜在的能量;根据潜在能量的定律，较重的危险岩体，潜在的能量越大。如果由于外力这样的原因，或由于风化，地震，这些危险的岩石群众将失去稳定性和山区，如果他们无法保持稳定性，或者由于风化。30.］．

在危险岩体落下的过程中，根据动能的保守规律，危险岩体本身的巨大潜在能量将转化为危险岩体运动的动能[31］．由于不同边坡的法向恢复系数、切向恢复系数、倾斜角不同，落岩会与坡体发生碰撞，消耗部分动能[32］．

当岩石掉到悬崖底部时，它与缓坡碰撞。在几次跳跃之后，大部分动能被消耗掉了，岩石开始滚动并滑向缓坡。最后，随着动能在缓坡摩擦力作用下，岩石的动能被消耗，岩石最终停止运动。由于坡面、摩擦系数和落石重量的不同，落石的运动轨迹也不同，但在这个过程中，仍然遵循动能守恒定律[33］．

数值模拟软件罗奇可以直接分析落岩的轨迹，将落岩的轨迹分成两种过程：抛物线运动在空气中，落岩和地面之间的冲击运动[34］．

抛物线运动的等式： 在哪里X₁，Y₁表示直线段的起始点坐标（m），重力加速度是m/s吗²),V_X0，V_Y0为岩石下落速度(m/s)，一般取0。

影响时间方程： 在哪里 ， ， ．

4．2.落石运动轨迹的数值模拟

在使用RocFall软件时，首先要明确下落岩石的位置、初始速度和质量。其次，根据一定的比例绘制边坡的二维模型。

4.2.1。确定落岩的初始状态

在这种模拟中，在不考虑随机因子的影响，认为当岩体留下地面时，它是一种自由落体运动，其初始速度为零。无论岩石的形状和大小如何，将其视为质量点。

4.2.2。确定斜率的机械参数

岩石在下落过程中会受到坡面摩擦力的影响。在这个过程中，速度衰减取决于参数，如R_N(正常恢复系数)和R_T.（切向恢复系数）。桌子6列出参考值R_N和R_T.对于不同的地质斜坡。

4．3．落岩轨迹的模拟计算

在危险岩石不稳定的斜坡部分上，假设危险岩石质量的近球形下落岩石开始移动，并且它在滚动，碰撞，反弹和空气飞行中移动。

通常，下降岩石首先自由地落下，倾倒和跌落，然后碰撞并沿着斜坡卷起或滚动，滚动到悬崖的边缘，进入下一个水平的悬崖，并继续滚动直到它停止或射击运动或飞行中的苍蝇，可以弹出弹丸，然后再次碰撞。重复一遍直到它停止。

随机进行60组单轧岩的独立运动模拟，结果在统计上分析，以确定最危险的滚动岩石停滞区域和最大弹跳高度。通过该数值模拟，我们要获得的结果是以下项目：危险岩体的运动轨迹图在图中显示6．危险岩体的弹跳高度包络图如图所示7．岩石端点的水平位置如图所示8．

图中列出了每个斜率的参数X坐标表示落石与失稳点B之间的相对水平距离。

W1从B点自由落下，大部分落岩击中D-e，他们开始滚动并落入F-G部分并继续反弹。最终，他们停止了X = 53.93 m. W2 falls freely from point B, it begins to roll at section C-E, then falls into section F-G, and continues to bounce. Eventually, it stops atX = 65.33 m. W3 falls freely from point B, after the jumping movement of section C-D, it will fall into section D-F and begins to roll, and then it falls into section G-H. Finally, it stops atX = 57.03 m. W4 falls freely from point B, rolls along section C-E, then falls into section F-G, and finally stops atX = 86.27 m.

可以看出，坡度的形状是影响落岩轨迹的重要因素。当斜坡保持相同并且高度增加时，岩石的势能更大。在转化为动能之后，速度也增加。它的水平运动距离将更远。此外，由于平台的存在，具有一定速度的下降岩石产生更大的弹跳高度。

如图所示7，W1的最大反弹高度为9.68米，此时的水平移动距离为19.13μm，位于F-G部分。W2的最大反弹高度为3.71μm，此时的水平移动距离为20.59米，位于F-G部分。W3的最大反弹高度为8.13μm，此时的水平运动距离为34.22米，位于G-H部分。W4的最大反弹高度为18.86米，此时的水平运动距离为62.18米，位于F-G部分中。

如图所示8，来自W1危险岩体的最远水平运动距离为53.93米，下降岩石主要分布在坐标37.5〜48米处。W2危险岩体的最远水平运动距离为65.33米，下降岩石主要分布在坐标41.3〜63.8米处。W3危险岩体的最远水平距离为57.84米，落下的岩石主要分布在坐标44.8〜58.8米处。W4危险岩体的最远水平距离为86.27米，下降岩石主要分布在坐标70.1〜81.3米处。

4.4。计算结果分析

将计算结果与RocFall软件模拟结果进行比较，发现两者比较接近。从表中可以看出7结果表明，两种方法计算危险岩体轨迹的结果相差不大，说明RocFall模拟可作为危险岩体轨迹预测的参考。

5.危险岩体的风险评价

Pu'erdu镇靠近山区。危险岩石的不稳定是对人或财产的安全的巨大威胁。根据地质调查数据，研究区倒塌和危险悬崖总量为893,300米^3.．威胁主要是居民，街道，桥梁等等。一旦危险的岩石变得崩溃，他们将严重威胁到低于2,685人的生活并导致经济损失。损失高达1.2亿元人民币。目前，悬崖岩石基本上处于不稳定状态。因此，有必要评估危险岩石质量的不稳定风险，并为研究区域提供防灾和缓解的数据支持。在本文中，从风险和脆弱性的两个方面进行了高坡危险岩石质量的风险评估。

5.1。危险岩体风险评估

根据危险岩体的规模和稳定性，风险水平分类，这是半定量方法。危险岩体质量的风险根据建筑用地地质灾害评估的技术要求进行分类，如表所示8．

在对危险岩体进行风险分类时，需要根据其规模、稳定性、失稳破坏类型、地形等因素进行综合判断。对研究区危岩体进行了危险等级划分，结果如下:I级危岩体:W3、W6;II级危险岩体:W1、W4、W5;III级危险岩体:W2。

5.2。危险岩体脆弱性评估

岩石崩溃后危险造成危险体损伤程度是危险岩体脆弱性评价，这是研究危险岩体稳定风险的不可或缺的因素。漏洞评估主要是计算危险岩体突破威胁范围内的危险体系的类型，数量和损失值。不稳定的危险岩体可能会产生许多不同的灾难轴承体，特别是在市场城附近。在本文中，将不同的危险体分为以下四个类别的统计数据，如表所示9．

本文将上述四类承灾体遭受损失的严重程度划分为轻度、中度和重度三个级别。人们所受伤害的程度表示为轻伤、重伤和死亡。结合危险岩体倒塌造成的历史破坏和研究区承灾体的抗灾能力，将脆弱性划分为3个等级。为了定量分析研究区承灾体的脆弱性，对各层次进行了无量纲赋值。结果如表所示10．

根据研究领域的计划，进行了研究区危险岩体灾难灾害的脆弱性评估，结果如下：i级漏洞：W1，W2，W3;II级别漏洞：W4;III级别漏洞：W5，W6。

5.3。危险岩体的不稳定风险估算

作为联合国的地质危害风险评估的定义和公式[37]为了评估危险岩体的风险，公式如下： 在哪里R是危险岩石质量的风险指数，H是危险岩体的危险性评分，和V是危险岩石质量的脆弱性评分。在确定危险岩体危害和脆弱性的两个主要因素之后，形成了矩阵，以评估危险岩体与灾害的风险，作为列和漏洞。其中，矩阵的每个价值是危险岩石群众灾害的风险指数。桌子11是危险岩石质量不稳定风险的评价水平。

根据计算结果，按表对危岩体失稳风险进行分类12．

根据研究区危险岩体的风险分类和脆弱性分类，对岩石进行风险等级分类，结果如表所示13．

六，结论

基于治疗区域危险岩体稳定性的研究，本文预测了坍塌后岩石的运动轨迹。基于罗克仿真验证，进行了危险岩体的风险评估，并绘制了以下结论：（1）通过比较公式计算和数值模拟分析，可以确定最远的水平运动距离，反弹高度和落岩的主要分配范围，罗克软件对落岩轨迹的预测具有良好的影响。(2）通过无量纲分配和风险评估矩阵，W1和W3可以确定为高风险的危险岩体，W2，W4和W6是中等风险岩石，W5是低风险的岩体。建议应与危险岩石质量的崩溃轨迹和风险评估结果相结合，以消除治疗区域高坡度的危险岩体隐患隐藏危险危险可能的。（3）计算公式计算出的弹道更准确，计算结果更可靠。但计算过程较为复杂，需要为前期准备更多的工艺地质参数，耗费大量的人力物力，成本较高。同时，采用Rockfall软件进行模拟，所需参数少，计算方便。

通过目前的研究，危险岩体质量和风险评估理论的塌陷运动轨迹计算方法对地质灾害的预防和控制并不完美。本文中使用的计算方法只是一种尝试。在未来的工程例子中，几代工程师和技术人员仍然需要验证和改进效果。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项研究是由中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司有限公司(风险评估方法的危险的岩石高边坡在云南东北基于工程地质演化)和昆明大学的人才发展项目(没有科学和技术。KKSY201767034)。

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