DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36769-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41565920
تاريخ النشر: 2026-01-21
المؤلف: Xingxing Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الانهيارات الأرضية والمخاطر المرتبطة بها
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة الخطر الجيولوجي الكبير المتمثل في سقوط الصخور في منطقة الصخور الخطرة جياوهوا، الواقعة في منطقة كايتشو، تشونغتشينغ، الصين. من خلال دمج بيانات متعددة المصادر من التحقيقات الميدانية، والتصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار، والمحاكاة العددية ثلاثية الأبعاد باستخدام RAMMS: ROCKFALL، تحدد الدراسة زاوية انحدار حرجة تبلغ 57° لبدء سقوط الصخور. تسهل هذه النتيجة تصنيف منطقتين رئيسيتين من حيث القابلية للخطر، مما يعزز الفهم للمخاطر المحتملة على المجتمعات والبنية التحتية القريبة.
كشفت المحاكاة عن آليتين متميزتين لسقوط الصخور: المجموعة الأولى من كتل الصخور (#WY1-#WY3) تولد تأثيرات عالية الطاقة مع طاقات حركية تصل إلى $1.88 \times 10^{4}$ كيلوجول على مدى فترات زمنية قصيرة (10-15 ثانية)، مما يشكل تهديدات فورية للمناطق السكنية. في المقابل، المجموعة الثانية (#WY4-#WY6) تشهد مسارات سفر أطول مع تراجع في الطاقة، لكنها تحتفظ بقدر كافٍ من الطاقة الحركية للتسبب في الأضرار. تترجم الدراسة هذه الطاقات الحركية إلى تقديرات كمية لقوة التأثير، مما يؤدي إلى استراتيجيات تخفيف متميزة مصممة خصيصًا لخصائص كل سيناريو سقوط صخور. لا توفر هذه المقاربة المتكاملة إطارًا قويًا للوقاية من المخاطر فحسب، بل تعمل أيضًا كمرجع قيم لإدارة مخاطر سقوط الصخور في سياقات جيولوجية مماثلة، لا سيما في منطقة خزان السدود الثلاثة.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التهديد الكبير الذي تشكله سقوط الصخور في المناطق الجبلية، التي تتميز بظهورها المفاجئ وأنماط حركتها المعقدة، بما في ذلك السقوط الحر، والارتداد، والدحرجة. لا تشكل هذه المخاطر تهديدًا للبنية التحتية وسلامة الإنسان فحسب، بل تتفاقم بسبب زيادة الأحداث المناخية المتطرفة والأنشطة البشرية التي تسهم في عدم استقرار المنحدرات. يبرز هذا السياق الحاجة الملحة لتحسين نماذج التنبؤ والتدابير الوقائية لتخفيف المخاطر المرتبطة بسقوط الصخور.
ركزت الدراسات الحديثة على فهم عملية سقوط الصخور بالكامل، من البداية إلى الإيداع، لتعزيز دقة توقعات المسار وطاقة التأثير اللازمة لتصميم هياكل وقائية فعالة. تشمل منهجيات البحث الدراسات التجريبية، العددية، والميدانية. من الجدير بالذكر أن ناجندران وآخرين قاموا بمعايرة معامل الاسترداد من خلال اختبارات مختبرية ومحاكاة، مما كشف أن الصخور الصغيرة تظهر ارتدادًا أعلى وأن عوامل مثل حجم الصخور، وشكلها، ومواد المنحدر تؤثر بشكل كبير على مسافة السفر. بالإضافة إلى ذلك، أسس بشارات وآخرون علاقة بين مسافة السفر والميزات الطبوغرافية، محددين علاقة قوية مع ارتفاع السقوط، بينما وُجد أن العلاقة مع حجم الصخور وكتلتها كانت أضعف.
الطرق
توضح قسم الطرق تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث قاموا بإجراء تحليلات إحصائية لتقييم البيانات التي تم جمعها من تجارب مختلفة. تضمنت المنهجيات المحددة تطبيق نماذج الانحدار لتقييم العلاقات بين المتغيرات، بالإضافة إلى استخدام ANOVA لتحديد الفروق المهمة بين متوسطات المجموعات.
شمل جمع البيانات عملية أخذ عينات منهجية، مما يضمن عينة تمثيلية من السكان قيد الدراسة. تم التحقق من موثوقية ودقة الأدوات المستخدمة في القياس، وتم تنفيذ ضوابط مناسبة للتخفيف من التحيزات المحتملة. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات برمجية سهلت حساب المقاييس الإحصائية ذات الصلة، مما مكن الباحثين من استخلاص استنتاجات قوية من نتائجهم.
النتائج
تشير نتائج المحاكاة إلى أن ستة كتل صخرية خطرة ضمن مناطق سقوط الصخور #1 و#2 تشكل تهديدًا كبيرًا للمجتمعات المحلية، مما يعرض 48 أسرة تضم 214 ساكنًا، و120 منزلًا، وحوالي 1,400 متر من الطرق على مستوى القرية. يُقدّر الخسارة الاقتصادية المحتملة بسبب سقوط الصخور بحوالي 6.8 مليون يوان صيني. في حالة بدء سقوط الصخور بسرعة، من المتوقع أن تكون هذه المناطق السكنية الأكثر تأثرًا.
لتحليل المخاطر بشكل أكبر، توقعت الدراسة عمليات حركة سقوط الصخور وأجرت تحليلًا إحصائيًا للمعلمات الديناميكية عند الواجهات بين سقوط الصخور والمناطق السكنية. تكشف النتائج، الموضحة في الشكل 9، أن عملية سقوط الصخور الديناميكية يمكن تصنيفها إلى ثلاث مراحل متميزة، تستمر بين 35 إلى 60 ثانية. تم تقييم المعلمات الرئيسية مثل ارتفاع الحركة، والسرعة، وقوة التأثير في فترات زمنية مختلفة، مما يوفر رؤى حاسمة حول المخاطر المحتملة المرتبطة بأحداث سقوط الصخور.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المهمة المتعلقة بديناميات سقوط الصخور وتقييم المخاطر في منطقة الصخور الخطرة جياوهوا، الواقعة في منطقة كايتشو، تشونغتشينغ. تجمع الدراسة بين منهجيات متنوعة، بما في ذلك التحليلات الإحصائية، والاستطلاعات الميدانية، وأدوات المحاكاة المتقدمة، لتوضيح العوامل التي تؤثر على أحداث سقوط الصخور. تشير النتائج الرئيسية إلى أن معامل الاسترداد المماس، ومعامل الاسترداد العمودي، وخشونة المنحدر، وارتفاع السقوط، وخصائص كتلة الصخور هي عوامل حاسمة في تحديد سلوك سقوط الصخور. من الجدير بالذكر أن تغير المناخ، لا سيما الاحترار وتدهور التربة المتجمدة، قد ارتبط بزيادة نشاط سقوط الصخور، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات إدارة تكيفية في المناطق المعرضة للخطر مثل جبال الألب السويسرية.
تحدد الدراسة أيضًا وضعين متميزين من الأضرار الناتجة عن سقوط الصخور المتجمعة: تأثيرات “طاقة حركية عالية – مدة قصيرة” و”تأثيرات طويلة المدة – منطقة”. من خلال دمج التصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار والمحاكاة العددية ثلاثية الأبعاد، تقدم الدراسة تحليلًا شاملاً للميزات الهيكلية وقابلية الخطر لمناطق الصخور الخطرة. يكشف التحليل الحركي أن زاوية الانحدار الحرجة لبدء سقوط الصخور المحتمل هي 57°، مما يسمح بتحديد المناطق المعرضة لسقوط الصخور. يُعتبر هذا التمايز المكاني حاسمًا لاستراتيجيات الوقاية من الكوارث المستهدفة، لا سيما بالنسبة لـ 48 أسرة معرضة للخطر في قرية باوان. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية دمج البيانات متعددة المصادر وتقنيات النمذجة المتقدمة في تعزيز تقييمات مخاطر سقوط الصخور وإبلاغ تدابير التخفيف.
القيود
تقدم الدراسة تقييمًا ديناميكيًا للمخاطر لمنطقة الصخور الخطرة جياوهوا باستخدام بيانات متعددة المصادر ومحاكاة ثلاثية الأبعاد؛ ومع ذلك، لديها قيود ملحوظة تشير إلى مجالات للبحث المستقبلي. بشكل أساسي، تعتمد المحاكاة الحتمية على معلمات تقديرية تم معايرتها، مع تحليل الحساسية الذي يبرز المعامل السائد، وهو معامل الاحتكاك الأقصى ($\mu_{max}$). بينما يدعم هذا التحليل قوة تحديد المناطق السكنية ضمن منطقة الخطر، إلا أنه لا يعالج بالكامل التباين المكاني وعدم اليقين في المعلمات الجيوتقنية الحرجة الأخرى، مثل معاملات التخميد والاسترداد.
بالإضافة إلى ذلك، فإن تقييم المخاطر ثابت، حيث يفشل في دمج التأثيرات الديناميكية لعوامل التحفيز المتغيرة مع الزمن، بما في ذلك الأمطار الغزيرة وأنشطة الهندسة البشرية، على احتمالات الخطر. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية: (1) تطوير خرائط مخاطر احتمالية من خلال محاكاة مونت كارلو لتعزيز التحليل الكمي للمخاطر؛ (2) إجراء تحليل حساسية شامل يشمل مجموعة أوسع من المعلمات؛ (3) تنفيذ توقعات المخاطر المعتمدة على الزمن من خلال دمج بيانات السلاسل الزمنية لعوامل التحفيز مع نماذج احتمالية بدء سقوط الصخور؛ و(4) تحسين المحاكاة لأخذ تأثيرات تفتت الصخور في الاعتبار، مما يحسن من واقعية محاكاة تدفقات الحطام وآثارها المرتبطة بالمخاطر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36769-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41565920
Publication Date: 2026-01-21
Author(s): Xingxing Zhao et al.
Primary Topic: Landslides and related hazards
Overview
This study addresses the significant geological hazard of rockfall in the Jiaohua perilous rock zone, located in Kaizhou District, Chongqing, China. By integrating multi-source data from field investigations, UAV photogrammetry, and 3D numerical simulations using RAMMS: ROCKFALL, the research identifies a critical slope angle of 57° for rockfall initiation. This finding facilitates the classification of two primary susceptibility zones, enhancing the understanding of potential risks to nearby communities and infrastructure.
The simulations revealed two distinct rockfall mechanisms: the first group of rock masses (#WY1-#WY3) generates high-energy impacts with kinetic energies reaching up to $1.88 \times 10^{4}$ kJ over short durations (10-15 seconds), posing immediate threats to residential areas. In contrast, the second group (#WY4-#WY6) experiences longer travel paths with energy attenuation, yet retains sufficient kinetic energy to cause damage. The study translates these kinetic energies into quantitative impact force estimates, leading to differentiated mitigation strategies tailored to the specific characteristics of each rockfall scenario. This integrated approach not only provides a robust framework for hazard prevention but also serves as a valuable reference for rockfall risk management in similar geological contexts, particularly in the Three Gorges Reservoir area.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the significant threat posed by rockfalls in mountainous regions, which are characterized by their sudden onset and complex movement patterns, including free fall, bouncing, and rolling. These hazards not only endanger infrastructure and human safety but are exacerbated by increasing extreme weather events and human activities that contribute to slope instability. This context emphasizes the urgent need for improved prediction models and protective measures to mitigate risks associated with rockfalls.
Recent studies have focused on understanding the entire rockfall process, from initiation to deposition, to enhance the accuracy of trajectory and impact energy predictions necessary for designing effective protective structures. Research methodologies encompass experimental, numerical, and field studies. Notably, Nagendran et al. calibrated the coefficient of restitution through laboratory tests and simulations, revealing that smaller rocks exhibit higher bounce and that factors such as rock volume, shape, and slope material significantly affect travel distance. Additionally, Basharat et al. established a correlation between travel distance and topographic features, identifying a strong relationship with fall height, while the correlation with rock volume and mass was found to be weaker.
Methods
The Methods section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, employing statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included the application of regression models to assess relationships between variables, as well as the use of ANOVA to determine significant differences among group means.
Data collection involved a systematic sampling process, ensuring a representative sample of the population under study. The instruments used for measurement were validated for reliability and accuracy, and appropriate controls were implemented to mitigate potential biases. The analysis was conducted using software tools that facilitated the computation of relevant statistical metrics, enabling the researchers to draw robust conclusions from their findings.
Results
The simulation results indicate that six hazardous rock masses within Rockfall-Prone Areas #1 and #2 pose a significant threat to local communities, endangering 48 households with a total of 214 residents, 120 houses, and approximately 1,400 meters of village-level road. The estimated potential economic loss due to rockfalls is around 6.8 million Chinese Yuan. In the event of a rapid rockfall initiation, these residential areas are predicted to be the most severely impacted.
To analyze the hazards further, the study predicted the rockfall motion processes and performed a statistical analysis of dynamic parameters at the interfaces between the rockfalls and residential zones. The findings, illustrated in Figure 9, reveal that the rockfall dynamic process can be categorized into three distinct stages, lasting between 35 to 60 seconds. Key parameters such as motion height, velocity, and impact force were assessed at various time intervals, providing critical insights into the potential risks associated with rockfall events.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant findings regarding rockfall dynamics and hazard assessment in the Jiaohua perilous rock zone, located in Kaizhou District, Chongqing. The study synthesizes various methodologies, including statistical analyses, field surveys, and advanced simulation tools, to elucidate the factors influencing rockfall events. Key findings indicate that the tangential coefficient of restitution, normal coefficient of restitution, slope roughness, fall height, and rock mass properties are critical in determining rockfall behavior. Notably, climate change, particularly warming and permafrost degradation, has been linked to increased rockfall activity, emphasizing the need for adaptive management strategies in vulnerable regions like the Swiss Alps.
The research further identifies two distinct damage modes resulting from clustered rockfalls: “high kinetic energy-short duration” impacts and “long duration-zonal impacts.” By integrating UAV photogrammetry and 3D numerical simulations, the study provides a comprehensive analysis of the structural features and susceptibility of the hazardous rock zones. The kinematic analysis reveals that the critical slope angle for potential rockfall initiation is 57°, allowing for the identification of rockfall-prone areas. This spatial differentiation is crucial for targeted disaster prevention strategies, particularly for the 48 households at risk in Bao’an Village. Overall, the findings underscore the importance of multi-source data integration and advanced modeling techniques in enhancing rockfall hazard assessments and informing mitigation measures.
Limitations
The study presents a dynamic risk assessment for the Jiaohua perilous rock zone using multi-source data and 3D simulations; however, it has notable limitations that suggest avenues for future research. Primarily, the deterministic simulations rely on calibrated best-estimate parameters, with sensitivity analysis highlighting the dominant parameter, the maximum coefficient of friction ($\mu_{max}$). While this analysis supports the robustness of identifying residential areas within the hazard zone, it does not fully address the spatial variability and uncertainty of other critical geotechnical parameters, such as damping and restitution coefficients.
Additionally, the risk assessment is static, failing to incorporate the dynamic effects of time-varying triggering factors, including heavy rainfall and human engineering activities, on hazard probabilities. Future research directions include: (1) developing probabilistic risk mapping through Monte Carlo simulations to enhance quantitative risk analysis; (2) conducting a comprehensive sensitivity analysis that encompasses a wider range of parameters; (3) implementing time-dependent hazard forecasting by integrating time series data of triggering factors with rockfall initiation probability models; and (4) refining simulations to account for rock fragmentation effects, thereby improving the realism of debris flow simulations and their associated hazard footprints.