新疆溫宿縣天山大峽谷景區崩塌危巖體破壞機制及運動學特征分析

摘" "要：新疆溫宿縣天山大峽谷景區峽谷兩側崩塌災害較發育，滾石崩落至峽谷內將威脅過往車輛和游客。崩塌災害受多種因素影響，具極大的隨機性，故探究崩塌危巖體運動學特征參數的強弱對當地崩塌災害防治至關重要。本文選取1號峽谷入口西側典型崩塌危巖體為研究對象，在現場調查基礎上分析崩塌災害的形成機制，結合監測數據對現狀危巖體穩定性進行分析，利用Rockfall軟件對危巖體的崩落運動特征進行預測。結果表明：現狀危巖體基本處于穩定狀態，預測危巖體發生崩落后會與坡腳堆積體坡面或峽谷地表發生劇烈碰撞并產生強烈反彈，在碰撞瞬間落石的動能和速度均達到峰值，發生碰撞后因能量損耗導致動能和運動速度逐漸降低。預測發生崩塌破壞后落石最大反彈高度為2.44 m，最大平移速度15.51 m/s，最大動能1 365.16 J，最大影響范圍11.68 m。研究結果對該區域危巖體影響范圍的確定及崩塌災害的防治提供重要參考，對峽谷內其他崩塌危巖體研究具指導意義。

關鍵詞：崩塌危巖體；形成機制；運動特征；Rockfall；天山大峽谷

巖質崩塌是指通過滑動、翻轉或墜落而脫落的巖石碎片沿垂直或次垂直斜坡崩落，沿軌跡彈跳或飛行，或在巖屑或巖屑斜坡上滾動，是山區最主要的地質災害之一[1-2]。崩塌災害主要受地質構造、地層巖性等內在因素影響，且受地形地貌、風化、侵蝕、降雨、凍融循環、地震、人類工程活動等外在因素影響[3]，具隨機性高、速度快、發生突然的特點[4]。崩塌是山區最主要的地質災害之一，也是最常見的地貌演化產物之一，嚴重威脅著人類的生存環境，造成人類生命和財產損失[5-7]，為防止人類居住環境受崩塌災害侵擾，首要關注崩塌災害形成機制，其次是評估崩塌危巖體的穩定性并分析危巖體運動學特征。

關于崩塌災害形成機制與模式的總結，胡厚田將崩塌破壞模式分為5類[8]：傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌和錯斷式崩塌，目前國內的崩塌研究大多采用該分類標準。國外對巖質危巖體的失穩破壞進行了不同分類，分為3種類型：落石、巖崩和巖質滑坡，這些分類標準在國外的崩塌研究和工程實踐中得到廣泛應用[9]。

目前，崩塌穩定性分析評價方法有地質分析、數理分析、概率分析、模型試驗和模擬實驗及利用動態監測資料分析判斷等，地質分析是穩定性評價的基本方法，具有決策意義。國內諸多學者應用灰色系統理論提出了一種危巖塊體穩定性的灰色聚類評價方法，該方法結合了可靠性理論和時序分析方法，可對危巖塊體穩定性進行綜合評價，通過對危巖塊體相關參數進行采集和分析，利用灰色關聯度計算出塊體穩定性指標值，進行聚類分析，此方法能夠較好地評估危巖塊體穩定性，并為相關工程提供科學依據[10-12]。經過詳細推導，也有研究學者基于極限平衡理論提出了滑塌式危巖、傾倒式危巖和墜落式危巖在不同荷載組合下穩定系數計算方法，結合穩定性評價標準，建立系統的危巖穩定性分析方法[13-14]。近年來，地質災害監測預警技術得到全面推廣，特別是普適型監測設備的普及，能夠實時獲取災害體的監測數據，并根據設定的閾值精準預警，為地質災害防治及后續減災工作奠定了良好基礎[15]。馮振和張曉勇等學者以三峽庫區山區城鎮重大地質災害監測預警示范區為研究區[16-17]，利用常規地面監測設備如伸縮位移計和應力計，對地表裂縫的相對位移和危巖體基座的應力進行監測；此外，結合CR-InSAR技術進行調查與監測，以實現對典型山區城鎮地質災害變形的高精度、動態立體化監測，該研究為山區城鎮地質災害的監測和預警提供了重要支持，提升對地質災害的監測和預警能力，動態監測資料分析成為地質災害穩定性分析評價的重要手段和方法。

目前關于崩塌危巖體影響范圍及運動特征的研究，國內外常采用野外調查（落石試驗）、理論分析和數值分析3種方法，且大多依賴Hertz彈性碰撞理論和碰撞恢復系數[18]。謝金等基于Rocfall數值模擬軟件[19]，以貴州省赤水市葫市鎮唐家屋基高陡邊坡危巖體為研究對象，得出落石對坡腳學校和公路等建筑物的影響概率。國外學者B.Pichler等總結了一種沖擊力計算公式[20]，應用于落石模擬中，可較為準確得描述落石對砂礫土質墊層的沖擊力。楊龍偉等利用DAN-W動力學軟件和F-F-V模型模擬計算[21]，對新疆烏恰縣康蘇紅層崩塌運動學特征進行了研究，分析崩塌碎屑流運動學特征及形態變化、堆積體厚度變化，為紅層地區類似潛在崩塌碎屑流災害的形成特征和運動效應分析提供借鑒。

新疆山地面積廣、河流溝谷眾多、氣候干旱少雨，山地切割強烈，造就了眾多峽谷景觀資源[22]。峽谷氣勢恢宏，無論從自然景觀還是人文景觀來看，峽谷景觀資源均是極其重要的旅游資源，充滿著神秘的誘惑力，峽谷旅游也伴隨著國內觀光旅游鼎盛而發展起來[23]。峽谷內外地質作用活動強烈，具有獨特的地形地貌特征，切割強烈，兩側多為基巖高陡邊坡，構造活動性大、巖體穩定性差，區域地質災害較發育，主要包括崩塌、滑坡、泥石流災害，其中，崩塌是峽谷地區普遍發育的地質災害之一，在地質環境漸變過程中，裸露的巖體易被多組結構面切割，形成臨空，在重力、風化、地震、降雨等作用下失穩，具有隨機性、突發性、危害性較大等特點[24]。

隨著峽谷旅游資源的開發，峽谷地質災害問題也日益突出，地質災害嚴重威脅峽谷景區內人民的生命財產安全。本文選取溫宿縣天山大峽谷1號峽谷入口西側典型崩塌危巖體進行研究，在總結前人對危巖體崩塌災害研究基礎上，根據野外地質調查和研究區工程地質條件，結合無人機航拍影像和地質災害監測預警數據，分析危巖體的特征、破壞機制及現狀穩定性。通過運用Rocfall軟件對典型危巖體運動特征進行模擬，分析崩塌滾（落）石能量、速度、運動高度及停積點。同時預測崩塌運動軌跡和影響范圍，在崩塌地質災害防治方面提供科學依據，為促進當地旅游及經濟發展提供支撐[25]。

1" 崩塌孕災環境分析

溫宿縣天山大峽谷位于天山中段南麓新疆阿克蘇地區溫宿縣（圖1），為淺切割低山丘陵地貌，微地貌為深切割峽谷陡崖，峽谷崖壁相對高差40～60 m，坡面坡度達75°～85°，局部直立，坡腳溝谷寬15～30 m，兩側分布崩塌堆積體；地層巖性為新近系中新統上部紅色巖組砂巖、礫巖、泥巖互層，厚層-塊狀構造，地層產狀60°∠12°，屬緩傾斜地層，峽谷兩側邊坡屬反傾邊坡，地層巖性分布界線清晰。工程地質巖組為層狀、互層狀較軟弱-軟弱碎屑巖巖組，易形成剪切、拉張裂縫。地質構造位于塔里木地臺-北部凹陷-庫車凹陷，總體近EW向延伸，北與巴什蘇洪復背斜相鄰，南與柯坪斷隆、阿瓦提斷陷相鄰，中、新生代經歷多次構造變動，主要表現為褶皺運動，因強烈地質構造運動形成了一系列規模不等、軸向大致平行的褶曲。新構造運動隸屬天山南緣構造運動，主要表現為升降運動，區域上位于南天山地震帶，屬地震多發區。地下水類型為碎屑巖類裂隙孔隙水，水量極貧乏，水位埋深大于5 m。人類工程活動主要為旅游開發建設、牧業活動。該地氣候屬典型的大陸性溫帶干旱氣候，四季分明，晝夜溫差較大，巖體遭受強烈的熱脹和凍融作用。

2" 崩塌危巖體特征及破壞機制分析

2.1" 發育特征

1號峽谷入口西側崩塌危巖帶長約100 m，高60 m，寬度約40 m，邊坡坡向135°∠85°，巖層產狀約60°∠12°，邊坡為反傾邊坡，危巖體總體積約13 000 m3，崩塌規模為中型。崩塌單體塊度0.6 m×2.0 m×0.4 m為主，單體體積多為0.2～1 m3。坡體垂向節理裂隙發育，主要發育兩組貫通節理裂隙，傾角70°～85°，產狀分別為314°∠80°，240°∠75°，將巖體切割形成不規則塊狀危巖體，可能失穩因素包括降雨、地震、坡腳侵蝕、凍脹、工程擾動等。本次研究典型危巖體為一坡度近直立的危巖體，高約15 m，寬約2 m，體積約9 m3。由新近系中新統紅色巖組砂巖、礫巖、泥巖互層組成，危巖體邊界為張開的裂隙，裂隙從上部貫穿至基座，走向224°，坡度85°，裂隙寬度約0.5～10 cm，局部充填風化碎石及砂土。現狀崩塌危巖帶堆積體堆積于坡腳，沿溝谷帶狀分布，部分塊體散落于溝谷，崩塌危巖帶堆積體體積約800 m3，坡度約32°～60°，最大崩落塊體尺寸2.0 m×1.2 m×0.6 m，體積1.5 m3。

2.2" 形成機制

危巖體位于1號峽谷入口西側，現已安裝監測預警設備（圖2-a），受峽谷切割作用，邊坡總體較陡，局部近于直立，坡腳堆積崩落碎塊石（圖2-b）。崩塌體地層巖性主要為砂巖、礫巖、泥巖互層，砂巖、礫巖天然單軸抗壓強度均值為3.02 MPa，天然抗剪強度均值為1.31 Mpa，力學強度相對較低，易風化，在地質應力作用下破碎巖體易產生剪切和拉張裂隙（圖2-c），這類裂隙通常呈現穿越和切割巖層特征，并可能延伸至較深地層。

崩塌危巖體巖性為砂巖、礫巖、泥巖互層，具差異風化特征，坡體易形成臨空面。巖體發育兩組節理裂隙，產狀分別為314°∠80°、240°∠75°，兩組節理裂隙相互穿叉，對巖體具切割和破碎作用，這些裂面結合性較差，充填物較少，特別是臨近臨空面的位置，由于剪切和拉張作用影響，裂隙張開度較大，該結構條件為崩塌的發生提供了有利條件[21]。

所處地貌為切割低山丘陵，年均降水量高達220 mm。每年的5～9月是相對集中的降水期，約占全年降水量的70%。冬季，巖體裂隙中積聚的水會結冰形成凍結滯水，由于凍脹作用，裂隙逐漸擴大。隨著春季氣溫的上升，裂隙中的凍結滯水會融化，此外，地表上的融雪水也會沿裂隙滲入，導致裂隙內部水壓增加，這也會降低裂隙面摩擦阻力，進一步擴大巖體裂隙，該水文地質條件為崩塌的發生提供了良好條件[21]。

2.3" 破壞機制

通過野外地質調查，結合研究區崩塌形成因素，運用崩塌演化運動全過程方法分析1號峽谷入口西側崩塌失穩破壞機制，并將崩塌體發生過程分為差異風化剝蝕-裂隙發育、巖體結構變形破壞、危巖體失穩破壞-崩塌落下3個階段（圖3）。

差異風化剝蝕、裂隙發育階段" 在降雨和風力等外部地質力作用下，由于抗風化能力不同（砂巖、礫巖較強，泥巖較弱），砂巖、礫巖和泥巖的互層結構出現明顯的差異風化剝蝕現象，巖體的節理裂隙開始形成（圖3-a）。

巖體結構變形破壞階段" 主要為受降雨、融雪影響，雨水、融雪水滲入節理裂隙，交替發生凍脹作用，裂隙進一步延伸發育，降低裂縫力學性能，臨空面周圍巖體發生卸荷回彈，出現應力重新分布、分異現象，由于外部地質力作用，導致臨空面附近形成拉應力集中帶，危巖體底部出現剪應力增高帶，在危巖體內部朝向臨空方向，出現卸荷回彈現象，而坡體上部則進一步沿節理裂隙發展形成卸荷裂隙帶（圖3-b）[21]。

危巖體失穩破壞-崩塌落下階段" 隨著卸荷裂隙帶繼續擴張，當下滑力大于結構面摩擦阻力時，危巖體出現拉裂破壞，在降雨、融雪、地震、工程擾動等外部作用下，危巖體失穩墜落發生崩塌災害，崩積物堆積于坡腳（圖3-c）。

綜上所述，溫宿縣天山大峽谷景區1號峽谷入口西側斜坡在峽谷切割、侵蝕和風化等作用下坡腳形成凹腔，由于斜坡的主控結構面順坡向近乎直立，其余兩組結構面與主控結構面共同切割巖體呈塊狀，且具有砂巖-礫巖-泥巖的互層結構、節理裂隙控制面，斜坡巖體在自重、凍融循環和降雨等因素誘發下，形成墜落式崩塌。

3" 危巖體穩定性評價

3.1" 赤平投影分析法

危巖體基巖為砂巖、礫巖、泥巖不等厚互層，地層產狀約60°∠12°，危巖體邊坡傾向135°，坡角約85°。據調查統計分析，危巖體受兩組結構面控制，產狀314°∠80°、240°∠75°。據赤平投影圖分析（圖4），危巖體兩組結構面的交線位于邊坡外側，傾向與坡向大致相同，傾角相對較小，屬欠穩定結構，危巖體處于欠穩定狀態。

3.2" 監測預警數據分析

現狀條件下危巖體臨空面已于2021年5月安裝普適型監測設備（圖2-a），監測設備采用深圳市北斗云信息技術有限公司設備，設備類型為傾角加速度計，雨量計與西北方向約1 km處監測預警點共用。監測預警內容包括雨量、瞬間沖擊加速度、X（X軸與水平面的夾角絕對值）、Y（Y軸與水平面的夾角絕對值）、Z（Z軸與水平面的夾角絕對值）、AZI（方位角：X軸在水平面的投影與磁北夾角）、angle（XY軸所形成的平面與水平面的夾角）。監測設備數據與中國地質環境監測院研發的監測預警實時管理平臺銜接，設備運行狀態良好，監測儀器能夠實現自動實時采集、存儲和發送監測數據。

據監測統計數據，自2022年10月1日—2023年10月1日該崩塌危巖體瞬間沖擊加速度最大值均為0，X、Y、AZI、angle數值均為0°，Z為90°（圖5）；單日（2023年5月20日）最大降雨量為12.2 mm，累計降雨量為23.8 mm（圖6），降雨主要集中在4—10月。據監測預警數據分析，反映危巖體穩定狀態的瞬間沖擊加速度、傾角（X、Y、Z、AZI、angle）無變化，現狀危巖體處于基本穩定狀態。

雖然現狀危巖體無監測預警數據變化，但據該崩塌形成破壞機制，結合現場調查及赤平投影分析，隨著風化剝蝕加劇，節理裂隙將進一步延伸發展，危巖體穩定性降低，在地震、降雨、工程擾動等外力作用下易發生崩塌破壞。

4" 危巖體運動學特征分析

溫宿縣天山大峽谷景區1號峽谷入口西側崩塌失穩破壞模式為滑移式。Rockfall模型是由蘇黎世聯邦理工學院力學中心和WSL雪地和雪崩研究所SLF的RAMMS程序團隊開發，用于研究下落巖石的剛體運動，模擬巖石運動軌跡及特征。通過Rockfall軟件，輸入相關參數，如巖坡形狀、巖體特性、地面摩擦系數等，再輸入崩塌事件的起始條件，如初始速度和方向等。軟件可通過數值模擬的方式，預測崩塌滾石在巖坡上的運動軌跡、速度和能量等。分析對于崩塌地質災害的防治工作非常有幫助，可為相關工程和防災措施提供科學依據[19]。

4.1" 危巖體及所在坡面參數

危巖體距離坡腳峽谷高差約60 m，峽谷寬15～30 m，危巖體節理裂隙較發育，一旦發生崩塌破壞，可能沿所在剖面向下滾落，對坡腳溝谷過往車輛、行人構成威脅。通過模型分析可知，崩塌危巖體邊坡自上而下可分為4段，1坡段、2坡段（基巖露頭），3坡段（少量植被的崩塌堆積體），4坡段（植被土壤）。根據上述各段坡面特征選擇坡面的法向恢復系數（Rn）和切向恢復系數（Rt），據巖石特性，選擇相應的基本系數（表1）。

4.2" 運動特征模擬

本次使用Rockfall軟件模擬危巖體崩塌后落石的運動軌跡，共設置50個落石進行模擬，據野外調查，落石直徑設置為0～2.5 m。據現場實際情況，崩塌體初始位置設計位于1、2坡段交界處，初始運動速度、轉動速度均設為0。據模擬結果，落石脫離母巖后，沿2坡段做垂直運動，碰到坡腳堆積體后做拋物線運動，部分落入堆積體坡面后滾落至峽谷，部分直接落入峽谷后二次回彈，最終停止于峽谷，崩塌危巖體均落入峽谷，距離崩塌塊石、碎石堆積體坡腳5.75～11.68 m，最大影響范圍為11.68 m（圖7）。據模擬結果統計，危巖體停積位置分布見表2。

從危巖體彈跳高度、總動能和運動速度分布曲線圖可看出（圖8），危巖體最大反彈高度2.44 m，危巖體在崩塌塊石、碎石堆積體坡腳向峽谷方向1.06 m處運動速度和動能達峰值，最大平移速度為15.51 m/s，最大動能1 365.16 J。據模擬結果，落石彈跳高度曲線與總運動能量、運動速度曲線形態整體相似，說明危巖體發生崩塌后落石與坡腳堆積體坡面或峽谷地表發生劇烈碰撞并產生強烈反彈，在碰撞瞬間，落石的動能和速度均達到峰值，同時碰撞后因能量損耗導致動能和運動速度開始逐漸降低。危巖體在距離崩塌塊石、碎石堆積體坡腳11.68m處運動速度、彈跳高度和動能均減至0，此時落石運動至最遠距離，即危巖體最大影響范圍。景區游客通行道路寬度約25 m，危巖體最大影響范圍位于該范圍內。

研究結果表明，危巖體發生崩塌破壞后均能到達坡腳峽谷，到達峽谷時具最大的動能和運動速度，對峽谷過往車輛、人員等構成威脅。因此，在加強危巖體監測預警的同時，應在坡腳設置攔石壩、攔石網等工程措施，同時要充分考慮攔石墻、攔石網的最大沖擊力，以起到對滾石阻擋攔截的作用。

5" 結論

（1） 切割峽谷陡崖地貌、層狀互層狀較軟弱-軟弱碎屑巖巖組、碎屑巖類裂隙孔隙地下水及溫帶大陸性干旱氣候，決定了溫宿縣天山大峽谷景區峽谷兩側崩塌災害發育，崩塌類型主要為滑移式崩塌，主要威脅坡腳峽谷過往車輛、游客生命財產安全。

（2） 危巖體巖性組合和坡體結構面的組合是控制崩塌災害的主要因素。砂巖-礫巖-泥巖互層結構、兩組節理裂隙控制面、降雨和融雪的入滲及地震等因素，均在危巖體失穩和破壞過程中起重要作用。崩塌失穩破壞可劃分為3個階段：差異風化剝蝕-裂隙發育階段、巖體結構變形破壞階段及危巖體失穩破壞-崩塌落下階段。

（3） 應用赤平投影法對典型危巖體進行定性分析，結果顯示該危巖體處于不穩定狀態。通過地質災害監測預警數據分析，危巖體無瞬間沖擊加速度、傾角（X、Y、Z、AZI、angle）變化，現狀危巖體處于基本穩定狀態。但隨著風化剝蝕的加劇及節理裂隙的進一步延伸發展，危巖體穩定性將減弱。在地震、降雨、工程擾動等外部力作用下，易發生崩塌災害。

（4） 利用Rocfall軟件對危巖體崩落運動特征進行模擬分析后，顯示危巖體最大反彈高度2.44 m，最大平移速度為15.51 m/s，最大動能1 365.16 J，最大影響范圍11.68 m，危巖體發生崩塌破壞后，落石均可到達坡腳峽谷，對峽谷過往車輛、人員等構成威脅。

參" 考" 文" 獻

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The Destroy Mechanism and Kinematic Characteristics of Collapse Dangerous Rock

Mass in Tianshan Grand Canyon Scenic Area， Wensu County， Xinjiang

Liang Shichuan1，2， Wang Zhanhe1， Wei Xiancheng1， He Qiang1， Lv Dong1， Huang Shiyu1， Zeng Cexun2

（1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Institute of Geological Environment Monitoring，Urumqi，Xinjiang，830000，China;

2.School of Geology and Mining Engineering， Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang，830046，China）

Abstract： Affected by the special geological environment such as geological structure， canyon landform and stratigraphic lithology， the collapse disasters on both sides of the canyon in Tianshan Grand Canyon Scenic Spot in Wensu County， Xinjiang are relatively developed. Rolling stones falling into the canyon will threaten passing vehicles and tourists. The collapse disaster is affected by many factors and has great randomness. Therefore， it is very important to explore the strength of the kinematic characteristic parameters of the collapse dangerous rock mass for the prevention and control of the local collapse disaster. In this paper， the typical collapse dangerous rock mass on the west side of No.1 canyon entrance is selected as the research object. On the basis of field investigation， the formation mechanism of collapse disaster is analyzed. Combined with the monitoring data， the stability of the current dangerous rock mass is analyzed， and the collapse movement characteristics of the dangerous rock mass are predicted by Rockfall software. The results show that the current dangerous rock mass is basically in a stable state. It is predicted that after the collapse of the dangerous rock mass， it will collide sharply with the slope surface or the canyon surface and produce a strong rebound. At the moment of collision， the kinetic energy and velocity of the rock fall reach the peak. After the collision， the kinetic energy and velocity gradually decrease due to energy loss. It is predicted that the maximum rebound height of rockfall after collapse is 2.44 m， the maximum translation speed is 15.51 m/s， the maximum kinetic energy is 1365.16 J， and the maximum influence range is 11.68 m. The research results provide an important reference for the determination of the influence range of the dangerous rock mass in this area and the prevention and control of the collapse disaster， and have guiding significance for the study of other collapse dangerous rock masses in the canyon.

Key words： Collapse of dangerous rock mass; Formation mechanism; Movement characteristics; Rockfall; The tianshan grand canyon