0.   引言

崩塌落石是一种严重的地质灾害，具有突发、难以预测、冲击能量大等特点^{[1 − 3]}，使得该类灾害的防治工作较为困难。随着全球气候变暖、人类工程活动的加剧，崩塌落石发生概率大幅上升^[4]。中国西南山区因其地质构造复杂，雨量充沛、地震活动频发^[5]等原因使得地质灾害防治任务艰巨，因此如何科学有效地对崩塌落石进行防治成了亟待解决的问题。

定性与定量分析是危岩稳定性分析的主要手段，定性分析方面：Maerz^[6]提出了MRFHRS评价系统，Budetta^[7]提出了ROMA评价方法。中国主要采用赤平投影法及一些稳定性计算公式^{[8 − 12]}，随着新技术新方法的产生，危岩体稳定性评价得到了进一步发展。陈宙翔等^[13]便在上述方法的基础上，结合无人机倾斜摄影对强震区危岩体进行了稳定性评价。马显东等^[14]对点云数据聚类分析，提取了危岩体的结构特征信息，对危岩区进行了稳定性评价，最后通过赤平投影法分析了其失稳模式。刘宝臣等^[15]运用离散元软件3DEC做了危岩体稳定性评价分析。可见基于极限平衡法并辅以定量分析手段已成为危岩稳定性评价的主流方法，稳定性评价工作完毕后，便应开展相应防治措施设计，而研究崩塌运动学特征则是防护结构设计的理论依据。

崩塌落石的运动学特征可服务于致灾范围的圈定及防治措施的选取，是治理过程中至关重要的一部分^{[16 − 18]}。王栋等^[19]利用Rockfall Analyst软件研究了不同尺寸危高位危岩体的运动轨迹特征，认为落石质量与冲击能成正比。李源亮等^[20]基于数值模拟方法分析了某高位山体落石的运动规律，并提供了防治建议。柳万里等^[21]采用Rockfall软件对落石运动特征的影响因素进行了分析，并与现场试验进行对比，得到了一定成果。黎尤等^[22]通过RocPro3D得到了岩土体表面特征参数，并对危岩区破坏范围及能量进行了预测。可以看出目前运用数值模拟研究落石运动特征已较为广泛，然而崩塌发生后其间复杂的能量转化、冲击破碎等复杂因素使前人的研究成果不能完全适用，需要具体分析。

张家沟危岩体位于雅安市宝兴县顺江村居民安置点后方山坡，隐蔽性高，稳定性差，结构破碎，受“6 • 1”芦山地震影响稳定性进一步下降，威胁下方居民457人。所在山体坡脚距居民区仅约15 m，缓冲距离短，科学布置防护措施至关重要。综上，在现场勘察、资料收集的基础上，结合前人研究成果，对危岩体进行稳定性评价分析后，结合离散元数值模拟方法开展危岩体运动学特征研究，最后基于研究结论设计了相应防护措施并进行验证。成果可为类似灾害防治提供参考。

1.   张家沟危岩体概况

2022年6月1日雅安芦山县发生6.1级地震，受地震影响，四川省宝兴县穆坪镇顺江村大河坝组张家沟发生崩塌，导致下方聚居区部分村民房屋受损，局部既有工程损毁，崩滑体沿坡面刮铲损毁林地约4×10⁴ m²，造成经济损失约200万元。目前该隐患点威胁坡脚聚居区109户457人，潜在经济损失3450万元。经现场踏勘发现，崩源区现有1处较大规模危岩体（图1），需立刻开展相关治理工程。

图  1  张家沟危岩体全貌图

Figure  1.  Overview map of the Zhangjiagou dangerous rock mass

下载: 全尺寸图片 幻灯片

张家沟危岩体距地面高度约165 m，体积约2328 m³（长30.1 m×宽8.6 m×厚9.2 m）。岩体破碎，顶部有宽约19 cm的拉张裂缝，出露岩性为新元古代南华纪二长花岗岩（$\text{Pt}_3^2\text{γ}$），主要受3组结构面控制：L1（311°∠50°）顺坡向发育，为控制性结构面，张开度0.6～0.8 m，宽度2～3 cm，节理面可见光滑擦痕；L2（98°∠74°）沿崩源区侧向发育，较为密集，张开度0.2～0.6 m，与坡体走向平行，受竖向地震力影响发生开裂，切割岩体。崩源区附近部分岩体沿着L2发育较大裂缝，切割深度达3 m以上；L3（214°∠86°）陡倾坡外发育，少量泥质填充或无填充。危岩体受节理切割完整性较差，后缘裂缝两侧岩体有明显错动，坡表受落石铲刮影响植被稀疏，崩塌碎石堆积。剖面图见图2。

图  2  张家沟危岩体剖面图

Figure  2.  Cross-sectional diagram of the Zhangjiagou dangerous rock mass

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   危岩稳定性影响因素分析及危岩失稳模式

2.1   影响因素分析

宝兴县地处四川盆地与青藏高东南缘的过渡地带，山峦纵横交错为地质灾害的发生提供了基础。通过资料收集和现场勘察将影响危岩体稳定性的主要因素分为主要因素（气象、水文、地震、植物根劈、人类活动）和控制因素（岩体结构）。

（1）岩体结构

张家沟危岩体主要受结构面L1控制，该节理贯通性较好，易形成滑移软弱面，有利于岩体滑出。L2陡倾坡内发育，在长期降雨及重力作用下不断向深部发展，和L1组合下将危岩体切割利于危岩体形成。L3与L1近似正交，使3组节理围限下使危岩体完整性进一步下降。

（2）气象条件

据宝兴气象站资料可知，多年平均降水量1101.5 mm，最大年降水量为1279.0 mm，最大日降水量达123.5 mm，最大3 h降水量80.0 mm以上；由此可见，丰富集中的降水、较多的局地大雨和暴雨、较大的暴雨强度为山洪泥石流、滑坡、崩塌等地质灾害形成提供了充足的水源条件。

（3）水文条件

研究区内水系属岷江支流青衣江水系，宝兴河是区内最主要的河流（图3），由发源于县境北部夹金山的东、西两河汇合而成，最大年径流量达3.4×10¹⁰ m³/s，最大洪峰流量1 490 m³/s，相应水位996.67 m。东河为宝兴河一支流，主流及其支流沟床比降大，流量随季节变化显著，对地表进行了强烈的切割，形成大量的稳定性较差的河岸边坡，西河、东河及支流的凹岸河段多为滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害强烈发育的地段。

图  3  斜坡前部东河

Figure  3.  Aerial view of the East River area at the front of the slope

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（4）地震作用

近年来，连续遭受2008年“5 • 12”汶川特大地震、2013年“4 • 20”大地震和2022年“6 • 1”芦山地震等的叠加影响，山体疏松，坡体稳定性差，崩塌灾害活跃；同时，地震动作用荷载对崩塌的诱发作用十分明显。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）国家标准，调查区地震动峰值加速度为0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震设防基本烈度为Ⅷ度。

（5）植物根劈作用

现场勘察可以发现坡表植被覆盖茂密，以灌木为主，根系沿着裂隙生长将进一步降低岩体稳定性，岩体完整性下降，在外部扰动条件下极易失稳。

（6）人类活动作用

斜坡坡脚为居民区及耕地，人类工程对坡脚施加的荷载会降低斜坡稳定性，进而影响到危岩体稳定性。

2.2   危岩失稳模式分析及稳定性评价

（1）失稳模式分析

危岩体所在斜坡高约165 m，总体坡度40°～60°。岩性为花岗岩，裂隙发育有311°∠50°（L1）、98°∠74°（L2）和214°∠86°（L3）3组，结构面间距0.5～6.0 m不等；坡面产状为299°∠50°，取平均坡度。根据图4可知，L1顺坡向发育且二者倾角相近，利于岩体滑出，L2倾向与坡向相反并使岩体沿其开裂，L3与坡向近似正交进一步降低其稳定性，故推测其主要破坏模式为滑移式。据现场调查，曾于2008年5月、2013年4月、2022年6月地震后发生崩塌落石，停于坡脚缓坡处。危岩带受高倾角节理裂隙切割，临空条件较好，加之暴雨、地震及根劈作用加速裂隙扩张，是形成危岩体的主要原因。

图  4  危岩体赤平投影

Figure  4.  Stereographic projection of the Zhangjiagou dangerous rock mass

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）稳定性评价

考虑到研究区工程地质概况，设置天然、暴雨、地震3种计算工况。由于该危岩体破坏模式为滑移式，后缘有拉张裂隙，故根据《地质灾害防治工程勘察规范》（DB50/T 143—2018）采用式（1）计算稳定性：

式中：$ W $——危岩体自重/（kN·m⁻³）；

$ \theta $——软弱结构面倾角/（°），外倾取正，内倾取负；

$ Q $——地震力/（kN·m⁻¹）；

$ V $——裂隙水压/（kN·m⁻¹）；

$\varphi$——后缘裂隙内摩擦角标准值/（°），当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权和加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍；

$ c $——后缘裂隙黏聚力标准值/kPa；

$ l $——滑面长度/m。

岩体力学参数通过室内试验及类比同类型地区相关规范获得，为稳定性计算及后续数值模拟研究提供参数依据^[23]，岩体力学参数见表1。在稳定性计算中：地震力按公式$ Q={\xi }_{{\rm{e}}}\cdot W $确定，式中地震水平作用系数八级烈度地区$ {\xi }_{{\rm{e}}} $取0.16（参照《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010），稳定性计算参数选取见表2。

表  1  岩体力学基本参数取值（天然）

Table  1.  Fundamental mechanical parameters of rock mass (natural)

岩性	密度/（kg·m−3）	节理刚度/MPa	内摩擦角/（°）	黏聚力/MPa
花岗岩	2750		47.5	11.2
基岩	2960		58.2	15.7
L1		2.2	30.5	0.8
L2		2.2	24.9	0.6
L3		2.2	25.3	0.7

下载: 导出CSV 

| 显示表格

表  2  稳定性计算参数选取

Table  2.  Selection of calculation parameters for stability analysis

计算 工况	重度/ （kN·m−3）	后缘陡倾裂隙 深度/m	裂隙或滑面充水 高度/m	滑面长度/ m	裂隙水压力/ （kN·m−1）	软弱结构面 倾角/ （°）	地震水平 系数	结构面综合 黏聚力/MPa	结构面综合 内摩擦角/（°）
天然	26.95	6.68	1.96	25.32	19.2	45	0	0.65	31
暴雨	27.45	6.68	2.25	25.32	25.3	45	0	0.61	27
地震	26.95	6.68	1.96	25.32	19.2	45	0.16	0.65	31

下载: 导出CSV 

| 显示表格

将表2数据代入式（1）中计算得到结果见表3，计算结果按照《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864—2016）中危岩体稳定程度等级划分表进行划分。计算结果表明3种工况下该危岩体均欠稳定，急需治理。

表  3  稳定性计算结果

Table  3.  Stability analysis calculation results

计算工况	破坏模式	稳定性系数	稳定状态
天然	滑移式	1.18	欠稳定
暴雨	滑移式	1.00	欠稳定
地震	滑移式	0.93	欠稳定

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.   危岩体运动特征数值模拟分析

3.1   模型建立

该危岩体受3组结构面控制，位于高陡山坡之上，发生破坏后将发生解体，因此研究在不同工况下的运动特征可为防治措施提供理论依据。采用UDEC软件建立数值计算模型（图5），该软件遵循牛顿第二定理，允许块体沿着结构面产生滑移翻滚，可模拟落石碰撞后的速度及能量损失，适合做落石碰撞运动分析。

图  5  张家沟危岩体数值计算模型

Figure  5.  Numerical calculation model of the Zhangjiagou dangerous rock mass

下载: 全尺寸图片 幻灯片

数值模型X方向长375.18 m，Y方向左侧高198.43 m，右侧高6.85 m。计算单元为三角形网格，数量为3568个，网格尺寸设置满足地震波传播精度要求。天然工况：采用速度约束边界条件，岩体本构模型选取Mohr-Coulomb，节理滑动采用库伦滑移准则，计算参数选取见表1。暴雨工况：边界条件及相关本构模型同天然工况，岩土力学参数选取饱和状态下，计算参数有不同程度的降低。地震工况：为满足地震波输入模型底部设为黏滞边界以减少地震波能量损失，两侧设为自由场边界模拟地震波向四周发散。输入波选取正弦波，参照《中国地震动动反应谱特征周期区划图》将振幅调整为0.2 g。最后，在危岩体内布置系列监测点，以此定量分析其运动特征，至此数值模拟准备工作完毕。

3.2   运动特征分析

危岩体分别在3种工况下进行模拟，分析其运动变化特征，为防治措施提供参考。由图6可知，3种工况下危岩体均失稳产生滑移。天然工况下，落石最大位移约64.13 m，并最终停积在坡体中部，在后续降雨或地震条件下将继续下滑，需及时清理坡表落石；暴雨工况下，落石最大位移264.67 m，已超过既有拦石墙处，坡表仍残留部分块石；地震工况下落石位移最大距离达283.46 m，已超过居民区。地震工况下危岩体破坏特征与现场观测到的崩塌特征一致，危害程度最高，故选取地震工况具体研究。

图  6  3种工况下危岩体总位移云图

Figure  6.  Total displacement nephogram of the dangerous rock mass under three working conditions

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（1）地震工况危岩体运动特征分析

由图7可知，地震工况下危岩体首先在纵波作用下产生拉裂破坏，随后横波到达剪切岩体，当潜在滑移面贯通后崩塌发生，并迅速向坡脚运移。崩塌发生后，岩块脱离坡表不再受地震力的影响^[24]，下滑过程中，速度差异使得岩体相互挤压碰撞，铲刮坡表。受到坡表形态的影响，岩块运移特征受到一定影响（坡表中部起伏），部分落石弹起。落石到达坡脚仍继续向前翻滚，可以看出无拦石墙情况下落石可运动至居民区，因此需要针对该种情况进行防治。此外地震工况下危岩体运动以滑移为主，破坏模式为震裂-滑移式崩塌。危岩体下滑过程中跳高较小（图8），天然及暴雨工况下亦是如此，这也接近现场实际观测，进一步说明了本次数值模拟的合理性，也为防治措施设置提供了依据。

图  7  地震工况下张家沟危岩体运动特征

Figure  7.  Movement characteristics of the Zhangjiagou dangerous rock mass under seismic working condition

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  8  监测点水平与竖直位移曲线

Figure  8.  Horizontal and vertical displacement curves of the monitoring points

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）监测数据分析

为定量分析崩塌块体的运动特征，绘制了监测点速度与水平向位移关系曲线（图9）。对于该类震裂滑移式崩塌而言，水平位移量：监测点1（241 m）>监测点5（195 m）>监测点4（189 m）>监测点2（131 m）>监测点3（0.8 m），表明崩塌体中前部的岩块水平向位移量最大，可依此指标选取防护措施位置。崩塌体底部及后部的岩块位移距离未达坡脚，表明此处岩块是坡表堆积物的主要来源。

图  9  监测点速度与水平位移曲线图

Figure  9.  Monitoring point velocity and horizontal displacement curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

除3号监测点外，块体在黏滞阶段的速度曲线均呈非线性增加趋势，崩塌前缘至坡面凸起部位，块体速度平稳增加。1号监测点下滑过程中受到了后续块体的碰撞，重力势能及碰撞能转换成动能，故速度迅速增加。块石运移至坡面凸起部位后，崩塌体表面中前部块体速度迅速增加，表明坡面形态对落石运动特征有显著影响^[25]，应在类似灾害风险评价指标中予以考虑。2号监测点由于在底部滑移时消耗了大量能量，故到达坡面凸起部位时速度逐渐降低。由1号监测点可以看出，前缘块体停积后受到后续落石冲击仍会产生一定位移。

4.   防治措施建议

现场调查可知坡脚处堆积最大块石（121472 kg）体积约41.6 m³，故在模拟中选取典型的相同岩块分析其运动过程中的动能变化，同时通过动力学原理得解析解^[26]进行对比（图10）。结合上文可知，崩塌体下滑过程中不断解体成大小不一的岩块，运动过程中重力势能及相互碰撞产生的能量转换成冲击动能，当岩块逐渐下滑至坡脚后其动能便逐渐转化为内能。数值解与解析解结果趋势相似，数值解得落石最大冲击动能（20152 kJ）>解析解（18679 kJ），这是由于解析解所运用经验公式未考虑到岩块间相互挤压碰撞，仅考虑单个块体。岩体运动至既有拦石墙处时动能有数值解（3276 kJ）>解析解（2546 kJ），可见后续到达落石对停积块石有较大冲击作用，在一定程度上可增加其致灾范围，这在相应防治工作中需注意^{[27 − 28]}。

图  10  落石冲击动能与水平位移关系曲线

Figure  10.  Relationship curve between the kinetic energy of rockfall impact and horizontal displacement

下载: 全尺寸图片 幻灯片

危岩体下方为顺江村居民安置点，聚集区人数457人，且坡脚距居民区仅约15 m，缓冲距离短，威胁程度高，故本文在其运动特征的基础上针对性防治。该处既有设置的被动防护网及拦石墙在“6 • 1”芦山地震后受到不同程度破坏，需要进行修复，部分区域未设防护措施（图11）。

图  11  既有拦石墙被摧毁

Figure  11.  Site photo of destroyed existing barricade wall

下载: 全尺寸图片 幻灯片

结合全文可知，该危岩体在3种工况下均欠稳定，其中在地震工况下稳定性最差。危岩体裂隙发育且位处陡崖之上，故不建议采取主动加固，但需布置监测预警措施。坡面残留块石需及时清理，防止坡面泥石流等灾害发生。通过运动特征分析发现，危岩体运动以滑移为主，跳高较少，且坡面植被较为茂密，坡面可不采取限制跳高措施。落石冲击动能较大，且后续落石作用可能扩大致灾范围，故对既有拦石墙进行修复并进行加高处理，在空缺处修筑拦石墙，最后在墙后设置等高缓冲层。该崩塌防治工程等级为Ⅱ级，需考虑4.0 m的安全防护高度，既有拦石墙净高为3.0 m，需对既有拦石墙加高1.0 m。墙体加高后顶宽1.0 m，底宽1.0 m，高1.0 m，C20混凝土浇筑，植筋$\phi$16长1.0 m，间距1.0 m×0.5 m与既有拦石墙连接。墙后背面设置等高1.0 m顶宽的缓冲层，充填袋装碎石土，坡面采用厚30 cm的M10砂浆片石护面。

最后利用UDEC软件模拟修复加高后拦石墙的拦挡作用，可见拦截效果良好（图12），后续工程需对墙体位移变形进行监测并及时清理墙内堆积落石。

图  12  拦石墙拦挡效果模拟

Figure  12.  Simulation of the blocking effect of the rockfall protection retaining wall

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.   结论

（1）张家沟危岩体受3组结构面围限结构较为破碎，顺坡向控制性结构面发育，其破坏模式为滑移式。

（2）稳定性计算与数值模拟结果吻合，表明张家沟危岩体在天然、暴雨、地震工况下均会失稳，其中以地震工况威胁程度最高。

（3）危岩体在地震工况下破坏模式为震裂-滑移式崩塌，崩解下滑过程中受到坡面起伏影响较大，运动过程以滑移为主，跳高较少。

（4）危岩体裂隙发育，不建议采取主动加固措施，但需注意监测预警。结合运动学分析及冲击动能计算结果，可在空缺处按要求修筑拦石墙，并对既有拦石墙进行修复及加高处理。