納雍縣寨子組危巖體崩塌影響范圍預測

王家琳

(1.貴州地質工程勘察設計研究院，貴州 貴陽 550008；2.貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質大隊，貴州 貴陽 550008)

崩塌是貴州常見的三大地質災害之一[1]，崩塌地質災害防治工程勘查中一項重要內(nèi)容為危巖體崩落后運動軌跡的預測，故合理模擬崩塌體運動軌跡對防治工程設計具有重要的意義。

國內(nèi)外對崩塌體運動軌跡的研究方法有現(xiàn)場試驗、模型試驗和數(shù)值模擬，現(xiàn)階段，崩塌體運動軌跡的模擬軟件主要有10余種，而在實際工程中RocllFall[2]及ANSYS/LS-DYNA兩種軟件運用較為廣泛。ANSYS/LS-DYNA軟件集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性的分析方式，可以求解剛性體與剛性體、柔性體與柔性體、剛性體與柔性體的接觸問題，能夠模擬工程中復雜的高速碰撞等問題，且后期隨著加入了建模和后處理功能，使ANSYS/LS-DYNA軟件的通用性得到了極大加強。本文以納雍縣居仁街道辦事處寨子組東側陡崖帶上分布的3處危巖體為研究對象[3]，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對危巖體崩落后的運動軌跡進行模擬并預測崩塌影響范圍。

1 危巖體發(fā)育特征

1.1 地理位置

本次研究的災害點位于納雍縣城的東南方向，隸屬于納雍縣居仁街道辦事處路嘴社區(qū)。研究區(qū)有鄉(xiāng)村公路可達，交通較便利，但道路崎嶇，多為盤山公路(見圖1)。

1.2 危巖體空間分布特征

本次研究的3處危巖體分布于陡崖帶上，陡崖地形坡度80°～90°，陡崖局部外傾，陡崖帶以西為村寨，村寨距離陡崖的平面距離為315～330 m，村寨分布高程大致為1 400～1 420 m，陡崖至村寨之間的微地貌為中坡，地形坡度15°～50°。危巖體沿陡崖帶在平面上呈南西至北東方向展布，編號WYT1、WYT2及WYT3(見圖2)，危巖體分布高程在1 605～1 687 m之間。

1.3 危巖體形態(tài)及變形特征

1.3.1 危巖體WYT1

危巖體WYT1幾何形態(tài)為楔狀，上大下小，頂部與母巖分離，底部凹陷，塊體大小為21 m×26 m×10.8 m，體積5 351 m3，規(guī)模小型。

危巖體WYT1受控于兩組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀為335°∠79°與252°∠81°兩組節(jié)理，沿產(chǎn)狀為335°∠79°的節(jié)理方向發(fā)育有地裂縫(LF1)，裂縫LF1最大寬度為0.5 m，長度12.1 m，可視深度為6.0 m；沿產(chǎn)狀為252°∠81°的節(jié)理方向雁列式發(fā)育有2條地裂縫(LF2、LF3)，裂縫LF2最大寬度為1.1 m，長度8.3 m，可視深度為7.0 m，LF3最大寬度為0.85 m，長度10.3 m，可視深度為8.5 m。

近30 a以來，危巖體頂部裂縫呈逐步增大趨勢，其中LF1裂縫寬度由30 cm增大至1.1 m。危巖體WYT1分布的陡崖坡向300°，危巖體可能崩塌方向為302°。

1-縣級界；2-鄉(xiāng)級界；3-鐵路及車站；4-在建(規(guī)劃)鐵路；5-高速公路、里程及編碼；6-在建(規(guī)劃)高速公路；7-國道、里程及編碼；8-省道、里程及編碼；9-縣道；10-縣級行政中心；11-鄉(xiāng)、鎮(zhèn)及行政中心；12-研究區(qū)位置

1.3.2 危巖體WYT2

WYT2分布于陡崖的頂部至中部，為一凸出陡崖巖面的不規(guī)則塊體，危巖體底部臨空，塊體大小32 m×16.5 m×3.0 m，體積1 584 m3，規(guī)模小型。

危巖體WYT2主要受控于產(chǎn)狀為222°∠70°的節(jié)理裂隙，節(jié)理已基本貫通危巖體。節(jié)理面平直光滑，局部略有起伏變化，張開度≤3 mm，巖屑夾泥充填，與母巖結合程度差，為分離型結構面。

危巖體WYT2分布的陡崖坡向290°，危巖體可能崩塌方向為225°。

1.3.3 危巖體WYT3

WYT3為一從陡崖腳延伸至崖頂?shù)腻洜顗K體，塊體大小24.5 m×64 m×7.0 m，體積約10 976 m3，規(guī)模中型。

危巖體WYT3主要受控于產(chǎn)狀為324°∠75°的節(jié)理裂隙，節(jié)理面從陡崖腳延伸至陡崖頂，節(jié)理在陡崖頂發(fā)育為卸荷裂縫，裂縫可視寬度1～5 mm，裂縫中充填巖屑以及腐殖土。

危巖體WYT3分布的陡崖坡向290°，危巖體可能崩塌方向為294°。

1.4 危巖體巖性及物理力學指標

本次研究的3處危巖體布于陡崖帶上，出露地層為石炭系下統(tǒng)擺佐組(C1b)地層，巖性為灰白色塊狀白云質灰?guī)r，巖石密度為2.62 g/cm3，飽和單軸抗壓強度標準值為36.36 MPa，抗拉強度σt為1.683 MPa，工程巖體類別為較硬巖[4]。

1-石炭系下統(tǒng)擺佐組地層代號；2-寒武系下統(tǒng)明心寺組地層代號；3-寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組地層代號；4-推測地層分界線；5-地層產(chǎn)狀；6-節(jié)理測量點及產(chǎn)狀；7-危巖體及編號；8-村民住房區(qū)

1.5 危巖體失穩(wěn)模式劃分

從工程防治角度出發(fā)，陳洪凱將危巖體崩塌破壞模式劃分為傾倒式、墜落式及滑移式[5]三種，本文研究的危巖體WYT1和WYT3破壞模式為傾倒式破壞，危巖體WYT2破壞模式為滑移式破壞。

1.6 危巖體穩(wěn)定性分析

據(jù)《工程地質手冊》計算模型及公式[6]，本文研究的危巖體穩(wěn)定性結果見表1，危巖體在自重工況下處于穩(wěn)定至基本穩(wěn)定狀態(tài)，在自重+暴雨工況下，危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，考慮極端氣候條件，危巖體在根劈作用、風化作用、風荷載、震動作用及時間效應的不利條件綜合作用下，危巖體可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表1 危巖體穩(wěn)定性評價結果表

2 危巖體崩塌運動軌跡ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬

2.1 危巖體運動軌跡三維模型建立

2.1.1 模型尺寸

本次數(shù)值模擬規(guī)定豎直向上為Z方向，陡崖傾向為X軸方向，陡崖走向為Y軸方向，模型X方向總長600 m，Y方向總長600 m，Z方向地面高程為0 m，最高點為420 m，建立的模型劃分網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算模型網(wǎng)格圖

2.1.2 材料模型

危巖體運動軌跡的模擬共涉及2種材料，即危巖體、土體，兩種材料的物理力學參數(shù)取值見表2所示。

表2 計算參數(shù)表

模擬過程假設危巖體僅在自重作用下運動，不施加外荷載，即危巖體的初速度為0，重力加速度方向為Z的負方向。危巖體為剛性體，坡面為彈塑性體，采用雙線性各向同性模型，使用兩個斜率(彈性和塑性)來表示坡面巖土體的應力應變特性。坡面巖土體彈性變形采用彈性模量和泊松比表示，塑性變形通過屈服應力和切線模量表示，危巖體與坡面的碰撞定義為自動面面接觸，接觸的靜摩擦系數(shù)F=0.8，動摩擦系數(shù)f=0.8。危巖體和坡表巖土材料均采用solid164單元，該單元為8節(jié)點四邊形單元，每個節(jié)點有多個自由度，為了提高計算速度，LS-DYNA程序默認為單點積分算法，容易產(chǎn)生沙漏能，本文選擇剛性沙漏控制來對整個有限元模型進行沙漏，沙漏控制系數(shù)取0.1%，控制邊界條件設定為底部固定、四側法向位移約束。

2.2 危巖體運動軌跡模擬

選取危巖體WYT1為研究對象，設置WYT1初始位移為0，讓危巖體在自重作用下開始啟動，危巖體運動歷程見圖4所示，(a)圖表示危巖體處于起點位置，(b)圖表示危巖體經(jīng)過陡崖坡腳，(c)圖中危巖體運動到居民村寨處，(d)圖表示危巖體最終停留點。模擬過程表明，危巖體從起點開始運動，經(jīng)過(a)→(b)→(c)→(d)四個歷程，最終停留在距離陡崖較遠的溝谷處。

圖4 危巖體WYT1運動歷程圖

危巖體運動過程中的位移時程曲線見圖5所示，其中藍色曲線表示X方向的位移，紅色曲線表示Y方向的位移，綠色曲線表示Z方向的位移。由圖知，X方向的位移不斷增大，最大水平運動距離達462.3 m；Y方向的位移逐漸增大，最大位移為176.0 m；Z方向的位移曲線是一條近坡面線，最大位移為263.5 m。

圖5 危巖體WYT1運動位移時程曲線圖

本次研究將監(jiān)測數(shù)據(jù)導入到matlab中形成危巖體三維、二維運動軌跡如圖6、圖7所示。由圖6比較明顯的可以看出，受地形因素影響，危巖體在Y方向發(fā)生了較大的偏轉；由圖7知，危巖體與坡表碰撞多次后最終停留在距離陡崖462.3 m左右處。

2.3 危巖體影響范圍預測

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA結合matlab程序對危巖體WYT2和WYT3進行數(shù)值模擬，通過對危巖體運動軌跡數(shù)值模擬結果進行統(tǒng)計，危巖體WYT1、WYT2和WYT3的運動軌跡數(shù)值模擬結果見表3。

圖6 危巖體WYT1三維運動軌跡圖 圖7危巖體WYT1二維運動 軌跡圖

表3 危巖體運動軌跡ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬結果表

據(jù)表3知，危巖體WYT1、WYT2和WYT3從陡崖崩落后的水平運動距離分別為462.3 m、417.0 m和322.5 m，而村寨與陡崖的水平距離為315～330 m，村寨位于危巖體崩塌影響范圍內(nèi)。

3 危巖體運動軌跡編程預測

3.1 危巖體崩塌運動狀態(tài)理論分析

危巖體崩落后運動過程可以描述為自由落體、碰撞回彈、滑動和滾動四個階段[7]，滑動與滾動主要發(fā)生在崩塌體速度比較小的情況下，這時危巖體剛開始運動或者即將停止，回彈發(fā)生在崩塌體與斜坡表面的碰撞過程中。以崩塌體一次碰撞運動為例，將前一次碰撞結束視為下一次碰撞運動的開始，崩塌體先在空中發(fā)生一段斜拋運動，后與坡面發(fā)生碰撞回彈，入射速度轉變?yōu)槌錾渌俣?，兩者之間的關系滿足碰撞恢復系數(shù)公式，隨后崩塌體再進行自由落體運動，不斷重復直到運動結束。

基于上述危巖體崩塌運動軌跡的本質，危巖體崩塌后第i次運動的軌跡方程為式(1)：

(1)

圖8 危巖體WYT1工程地質剖面圖 圖9 危巖體WYT1運動軌跡編程結果圖

3.2 危巖體運動軌跡編程預測

選取危巖體WYT1作為編程預測對象，以沿危巖體崩塌方向的坡面作為二維計算剖面(如圖8所示)，危巖體WYT1運動軌跡編程計算結果見圖9，計算結果顯示：崩塌體在坡面高程1 600 m處發(fā)生一次碰撞后沿著坡表滾動，在水平距離200 m處發(fā)生碰撞跳躍；多數(shù)軌跡顯示，崩塌體可能停留在水平距離200～300 m之間；少部分軌跡顯示崩塌體可能跳躍翻滾至居民房屋處，危巖體WYT1最大水平距離達到458.6 m。

同理，采用Excel編程軟件對危巖體WYT2、WYT3的運動軌跡進行編程計算，計算結果見表4。由計算結果知，危巖體WYT2、WYT3最大水平距離達到389.2 m和396.0 m。

表4 Excel編程軟件計算各危巖體運動距離結果表

3.3 危巖體運動軌跡ANSYS/LS-DYNA模擬與編程結果分析

本文通過ANSYS/LS-DYNA軟件及Excel程序對危巖體崩落后運動軌跡結果的對比分析，得出以下結論：

(1)ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬的運動軌跡與Excel編程計算的軌跡基本一致，誤差率0.8%～11%，3處危巖體水平運動距離在322.5～462.3 m之間。

(2)Excel編程計算的軌跡只能粗略的得到崩塌體最終在落地位置，無法得到準確位置， ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬可以明確崩塌體停留的中間位置以及可能的影響范圍，模擬過程較為全面。

(3)危巖體一旦從陡崖上啟動，會在自重作用向下滾落，其軌跡受坡形、危巖體尺寸等因素影響，在較為陡峻的斜坡上，崩塌體滾落速度快，運動距離遠，危巖體崩塌影響范圍大。

4 結語

(1)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA能模擬危巖體從崩落、碰撞回彈至運動停止的整個運動過程，模擬過程較為全面，模擬結果實用性強。

(2)危巖體崩塌后水平運動距離322.5～462.3 m，而村寨與危巖體崩塌起始點的為315～330 m，村寨位于危巖體崩塌影響范圍，需要對危巖體進行治理。