基于Rockyfor3D的滾石模擬

鐘焰梨,向喜瓊

(貴州大學(xué) 國(guó)土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 花溪 550025)

1 概 述

滾石在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，具有速度快、沖擊力大以及很高的不確定性等特點(diǎn)，所產(chǎn)生的影響也是不可估量的。因此，對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬是必要的，以此作為確定崩塌危險(xiǎn)影響范圍的一個(gè)方法，以減輕所帶來(lái)的危害。目前，大多數(shù)研究是在二維的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的。二維上的分析對(duì)滾石橫向范圍影響無(wú)法表達(dá)，所以進(jìn)行三維上的模擬是很有必要的。當(dāng)前，對(duì)滾石進(jìn)行三維上的模擬分析甚少，三維滾石模擬能夠更真實(shí)地模擬滾石的運(yùn)動(dòng)，因此進(jìn)行三維滾石模擬具有十分重要的意義。

對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)軌跡的研究方法有3種，分別是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬，這3種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)[1]。其中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度、可信度比較高、針對(duì)性強(qiáng)，但投入的勞動(dòng)力比較大，消費(fèi)比較高，過(guò)程時(shí)間也比較長(zhǎng)。模型試驗(yàn)的針對(duì)性比較強(qiáng)，結(jié)果也比較直觀，但精確度受人為影響很大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。數(shù)值模擬是在總結(jié)前兩種方法經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，選取合理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，總體來(lái)說(shuō)這種模擬方法花費(fèi)較低，模擬消耗的時(shí)間短，越來(lái)越被重視。國(guó)外學(xué)者Descoudres and Zimmermann等[2]研究了滾石在邊坡上的三維模擬；Guzzetti F, Crosta G等[3]開發(fā)出了一個(gè)滾石三維模擬程序STONE；R.I. Leine等[4]考慮滾石形狀對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行三維上的模擬；H. Masuya等[5]考慮植被和保護(hù)措施對(duì)滾石進(jìn)行三維上的模擬；N. Hataf等[6]考慮滾石間的相互碰撞對(duì)滾石進(jìn)行三維上的模擬。國(guó)內(nèi)學(xué)者亞南等[7]首次引用國(guó)外二維Rockyfor3D軟件模擬崩塌落石在斜坡上的運(yùn)動(dòng)軌跡；李小強(qiáng)等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和試驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)測(cè)出滾石在地面上的滾動(dòng)距離。總體上，國(guó)內(nèi)在滾石模擬三維上的運(yùn)用較少，大多數(shù)的模擬基于二維。本文以某崩塌點(diǎn)為例，引用國(guó)外三維滾石模擬軟件Rockyfor3D模擬滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析滾石運(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)可以此為基礎(chǔ)，將該方法推廣運(yùn)用于滾石的危險(xiǎn)影響范圍預(yù)測(cè)，為滾石災(zāi)害防治提供一定的參考。

2 Rockyfor3D程序介紹

2.1 程序簡(jiǎn)介

Rockyfor3D[9]從1998年以來(lái)至今,程序代碼是用C語(yǔ)言編寫。Rockyfor3D模擬落石軌跡的三維矢量數(shù)據(jù)可分析自由落體、拋物線運(yùn)動(dòng)、斜坡表面反彈這3個(gè)過(guò)程,程序流程圖見圖1。

圖1 程序流程圖

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

程序所需數(shù)據(jù)由一組ASCII柵格以及一套參數(shù)組成，以定義斜坡地表特性與滾石源特征。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備需結(jié)合ArcGIS來(lái)生成。數(shù)據(jù)組成包括DEM、滾石密度、滾石大小(長(zhǎng)、寬、高3個(gè)ASCII柵格數(shù)據(jù)組成)、滾石形狀、地表屬性(由3個(gè)ASCII柵格組成)、斜坡土壤類型等10個(gè)數(shù)據(jù)；DEM是通過(guò)ArcGIS單獨(dú)生成，其余9個(gè)值是在ArcGIS屬性值中賦予相應(yīng)的參數(shù)值。

DEM可以由等高線、高程點(diǎn)生成，或者以其他方式得到，它的取值范圍是在0～8 850 m或者空值；滾石密度的取值范圍是零或者2 000～3 000 kg·m-3，當(dāng)這個(gè)值為零時(shí)，該區(qū)域不作為滾石源；滾石的形狀由長(zhǎng)、寬、高組成，它的取值范圍是0～20 m，當(dāng)值取零時(shí)，該區(qū)域?qū)⒉槐豢闯蓾L石源；地表的粗糙程度由3個(gè)值組成，取值范圍在0～100(表1)，程序?qū)υ撝档娜≈得舾行暂^高，也決定了運(yùn)算過(guò)程中切向摩察系數(shù)的大??；土壤類型取值范圍是0～7，每一種取值代表不同的類型(表2)，取值的大小決定了法向系數(shù)的取值。

模擬過(guò)程中，參數(shù)的設(shè)置是通過(guò)shapefile面文件進(jìn)行參數(shù)輸入。在這個(gè)面文件中，參數(shù)的輸入有滾石密度、滾石大小、地表粗糙度、地表土壤類型。DEM與shapefile面文件，將通過(guò)PimpMyRockyfor程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成Rockyfor3D運(yùn)行所需要的ASCII數(shù)據(jù)。

表1 地表粗糙程度的參數(shù)取值

表2 土壤類型取值

3 實(shí)例運(yùn)用

3.1 地質(zhì)概況

崩塌區(qū)[10]屬剝蝕中山臺(tái)地地貌，海拔1 000～1 125 m，受洋水背斜及NNE向平移斷層的影響，地形切割強(qiáng)烈，起伏較大，地形坡度為15°～45°。崩塌下方緩坡地帶經(jīng)過(guò)一條簡(jiǎn)易公路。斜坡上部為燈影組(Zbdn)巨厚層狀白云巖，產(chǎn)狀115°∠45°，層間結(jié)合緊密。發(fā)育兩組節(jié)理：J1：225°∠80°，J2：350°∠68°；向下依次為陡山沱組(Zbd)磷礦層及石英砂巖、南沱組(Zann)頁(yè)巖和板溪群清水江組(Ptbnq)粉砂質(zhì)頁(yè)巖。危巖壁受兩組結(jié)構(gòu)面的切割影響，裂縫縱橫，呈鋸齒狀延伸。受洋水背斜和NNE走向斷裂的影響，區(qū)內(nèi)陡崖呈帶狀分布。崩塌發(fā)生部位是燈影組白云巖構(gòu)成的陡崖。地下水的分布特征受地層巖性和構(gòu)造活動(dòng)的控制，區(qū)內(nèi)地下水類型豐富，按含水性質(zhì)分為松散堆積層孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水。該區(qū)地震活動(dòng)性相對(duì)較弱，歷史地震記錄中未發(fā)生過(guò)Ms>4.0級(jí)地震，也無(wú)發(fā)生中強(qiáng)震的地質(zhì)構(gòu)造背景。

3.2 滾石模擬

3.2.1 建立DEM地表模型及地表分區(qū)

生成DEM的方法有很多種，本文運(yùn)用地形數(shù)據(jù)等高線，通過(guò)ArcGIS軟件創(chuàng)建TIN，再由TIN轉(zhuǎn)柵格生成DEM，見圖2。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地表類型將斜坡地表分為7個(gè)區(qū)，見圖3。

3.2.2 模擬結(jié)果

由于該區(qū)域崩塌是向山脊兩邊運(yùn)動(dòng)，本文對(duì)模擬結(jié)果只針對(duì)邊坡的一側(cè)進(jìn)行分析。滾石的模擬軌跡見圖4，其中選取標(biāo)注的剖面1、剖面2進(jìn)行模擬結(jié)果分析，通過(guò)操作，獲得相關(guān)剖面的模擬結(jié)果圖，見圖5、圖6。

圖2 DEM

圖3 地表分區(qū)圖

圖4 崩塌模擬軌跡

圖5 剖面1模擬結(jié)果

圖6 剖面2模擬結(jié)果

3.2.3 結(jié)果分析

該模擬結(jié)果是一個(gè)靜態(tài)的三維模擬結(jié)果，可根據(jù)模擬軌跡確定崩塌橫向與縱向的危險(xiǎn)影響范圍，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的滾石距離大約相近。通過(guò)對(duì)剖面1與剖面2分析，在剖面1中，滾石大多數(shù)處于滾動(dòng)狀態(tài)，在距滾石源大約95 m的時(shí)候滾石運(yùn)動(dòng)停止，中間彈跳過(guò)一次，大約在滾石源40 m處；在剖面2中，滾石有多次彈跳，有發(fā)生在10 m范圍附近和20 m范圍附近的彈跳，滾石在大約離滾石源190 m附近停止。對(duì)于能量的分布，根據(jù)能量的分布可以得到剖面上經(jīng)過(guò)滾石的數(shù)量多少。在剖面1上經(jīng)過(guò)的落石比較多，在剖面2上落石較少。綜合分析，該模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的崩塌落石軌跡相近。