某邊坡崩塌落石運動特征分析

宋波
（四川省蜀通巖土工程公司，成都 610081）

【摘 要】G318線是通往西藏的咽喉要道，在天全縣內(nèi)全線為山嶺重丘區(qū)二級公路。2014年9月24日，G318線天全段兩路鄉(xiāng)K2714+800m處發(fā)生塌方。論文以該處崩塌為例，對其地質(zhì)條件進行了詳細分析，闡述了邊坡巖體特征、邊坡形態(tài)雨水、風(fēng)化、人類工程活動等內(nèi)外力的綜合影響是崩塌產(chǎn)生的原因；并運用Rockfall軟件對其運動速度和運動軌跡進行了模擬分析，在此基礎(chǔ)上提出了“主動防護”的防治措施。

【關(guān)鍵詞】危巖體；崩塌；Rockfall軟件；崩塌機制

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2017.03.043

1 引言

“4·20”蘆山強烈地震使得震中及周邊山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)受損十分嚴(yán)重，地質(zhì)環(huán)境變得更加脆弱，誘發(fā)新增了大量崩塌、滑坡、泥石流、不穩(wěn)定斜坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，原有地質(zhì)災(zāi)害隱患點絕大部分變形加劇、險情加重，對災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建和交通生命線的安全保暢構(gòu)成嚴(yán)重威脅。2014年9月24日，G318線天全段兩路鄉(xiāng)K 2714+80 0m處塌方，公路上土石堆積量約4000m3。因此，有必要通過實地地質(zhì)調(diào)查，研究該區(qū)域地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體及斜坡結(jié)構(gòu)類型等成災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件，查明該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律及其主控因素。

2 研究區(qū)概況

根據(jù)現(xiàn)場勘查，所處地貌為沖溝切割較深的中山地貌，崩塌災(zāi)害點位于山脊南側(cè)，最高點高程約1382m，山腳底部高程約1312m，相對最大高差約70m，區(qū)內(nèi)自然斜坡均呈陡崖狀，平均坡度大于50°，局部坡度可達75°以上。

勘查區(qū)主要分布第四系全新統(tǒng)（Q4）殘坡積層、崩積層以及遠古代侵入巖花崗巖(r2～ro2)。殘坡積層主要為含碎石粉質(zhì)黏土，主要分布在坡體后部坡度較緩地帶表層，厚度1～2m，多為粉質(zhì)黏土夾少量碎石。崩積層主要是碎塊石土，厚度2～6m；碎塊石多呈單獨塊石狀、棱角狀，母巖主要為花崗巖；粒徑為0.1～0.3m的塊體含量約占20%～30%；粒徑為0.6～1.0m塊體約占30%～50%，個別塊石粒徑可達1.5m～4.0m。下覆基巖主要為紫紅色薄至中層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。其中，以粉砂質(zhì)泥巖為主，泥巖和泥質(zhì)粉砂巖成薄層狀分布于泥質(zhì)粉砂巖中。巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，抗風(fēng)化能力差，完整度較低，物理力學(xué)性質(zhì)較差。

3 崩塌體特征

大柏牛橋頭崩塌平面形態(tài)呈矩形，大柏牛橋頭范圍寬度約53m，長度約98m，高差近70m，斜坡巖體中主要發(fā)育3組裂隙，表層巖體風(fēng)化強烈。前緣為G318公路，后緣至陡崖上部，斜長約50m，寬約45m，此次滑塌方量約4000m3(見圖1)。

圖1 危巖體塌方

斜坡巖體中主要發(fā)育3組控制面，產(chǎn)狀分別為137°～142°∠65°～79°；265°∠22°～25°；25°∠60°。

3.1 崩塌落石發(fā)生機制

影響區(qū)內(nèi)危巖體形成的因素主要是人為工程擾動和自然因素。自然因素包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨等。其中地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造是內(nèi)因，對危巖的形成和發(fā)展起控制性作用；降雨、地震是外因，對危巖的形成和發(fā)展起促進作用。

3.1.1 地形地貌

山腳下危巖地形坡度較大，表現(xiàn)為陡崖～陡坡地貌，其中陡崖坡度一般為50°～75°。陡崖段多處形成小巖腔，地形陡峻，是危巖形成的必要條件。陡峻的地形使得失穩(wěn)巖體巖斜坡快速往下運動（滾動），對坡腳處G318線國道造成嚴(yán)重威脅。

3.1.2 地層巖性

危巖處巖層陡傾，巖性為遠古代侵入巖花崗巖，該類巖石巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生風(fēng)化，為崩塌的形成提供了物質(zhì)及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造的作用表現(xiàn)為構(gòu)造運動致使巖體發(fā)育多組節(jié)理裂隙，完整性差，當(dāng)發(fā)育外傾節(jié)理面成為巖體的不利外傾結(jié)構(gòu)面，危巖塊體易于沿外傾節(jié)理面產(chǎn)巖塊崩落。

3.1.4 降雨

天全縣全年降雨量主要集中在雨季(5月～9月)，短時的強降雨表現(xiàn)較為頻繁，降雨量大。破壞巖體的穩(wěn)定性，加劇潤滑作用，促進危巖體失穩(wěn)。

3.2 危巖失穩(wěn)模式分析

由于結(jié)構(gòu)面與危巖體臨空面傾向一致，在自重應(yīng)力、地震力和水壓力作用下，沿外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生水平和垂直位移變形的滑移運動，巖體重心脫離母巖形成的崩塌破壞。危巖體發(fā)育1組陡傾坡外的卸荷裂隙和1組與坡傾向相同的緩傾裂隙，坡體表面破碎的巖體易沿著傾坡外的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體滑移，該處破壞模式以滑移式為主。

4 分析方法

4.1 計算參數(shù)及模型選取

4.1.1 運動速度

坡段終端速度為[1]：

式中,V琢(i)為石塊運動所考慮的坡段起點的初速度，可按下列不同情況考慮，若ai-1＞ai時，

則V琢(i)=Vi-1cos(琢i-1-琢i)；若ai-1＜ai時，則V琢i=Vi-1；ai為所考慮i坡段的坡度角；ai-1所考慮i-1坡段坡度角；Vi-1為石塊在i-1坡段終端的運動速度。系數(shù)Ki、ε可查表。

Hi為計算i坡段的垂直坡度；Ki為阻力特性系數(shù)；g為重力加速度；ε2=2g（1-Kicot琢i）。

模型參數(shù)中阻力特性系數(shù)Ki值[2]為Ki=0.543-0.0048琢i+ 0.000162琢i2，琢i取值為35°。

4.1.2 彈跳高度

崩塌落石在支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置處落地后會向外彈跳，因此必須進行彈跳計算，以便在坡腳設(shè)置防護結(jié)構(gòu)提供攔擋的高度和平距。

當(dāng)崩塌體撞擊地面之后，其運動軌跡的曲線方程根據(jù)運動學(xué)原理為：

式中，酌為反射角，其中瞬間摩擦系數(shù)λ取值為0.4和恢復(fù)系數(shù)籽取值為0.3。v0為反射速度為巖石撞擊地面的速度；y為彈跳后垂直方向高度；x為彈跳后水平方向距離；漬為山坡坡度入射角。

4.2 Rockfall軟件計算

根據(jù)上述公式及Rockfall軟件分析，選取危巖體崩落方向的主剖面，進行運動速度、彈跳高度和沖擊能計算（見圖2～圖4）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大柏牛橋頭崩塌落石最大粒徑為1.5m× 1.5m×1m，故計算中危巖體體積選2.25m3。經(jīng)過計算，危巖體在坡腳公路處的運動速度為11.62m/s。最大彈跳高度為2.28m，沖擊動能為462.47kJ。

圖2 落石彈跳軌跡圖

圖3 落石彈跳高度分析圖

5 防治方案建議

根據(jù)斜坡現(xiàn)狀變形特點及崩塌斜坡結(jié)構(gòu)特征，擬對大柏牛橋頭崩塌采取以下綜合措施：

圖4 落石運動速度分析圖

1)攔擋措施：針對各危巖區(qū)坡腳前緣有攔擋空間的情況，在坡腳前緣布設(shè)攔石墻。

2)噴漿錨固：斜坡頂部分布較多危巖，受結(jié)構(gòu)面控制，裂隙發(fā)育，建議對其進行錨桿錨固；由于花崗巖風(fēng)化等影響，有些危巖單體，方量小，數(shù)量多，清危難度大，可對其進行噴漿防護。

3)清方工程：崩塌體表面有大量的松散崩破積物，在暴雨或地震作用下，隨時都有可能出現(xiàn)崩落，危及G318公路的車輛和行人安全，需要進行清方處理。

6 結(jié)論

1）Rockfall軟件計算方法通過輸入不同參數(shù)和不同坡面特性，考慮的參數(shù)與實際工況較接近，模擬結(jié)果較合理。

2)災(zāi)害治理工程應(yīng)以保護環(huán)境、美化環(huán)境為原則，密切配合當(dāng)?shù)乜傮w發(fā)展規(guī)劃，精心布置，合理設(shè)計，力求工程技術(shù)措施可行，特別應(yīng)與當(dāng)?shù)貙嶋H地形結(jié)合起來。

【參考文獻】

【1】周維垣.巖石高邊坡的穩(wěn)定與治理——巖土工程的回顧與前瞻[M].人民交通出版社,2001.

【2】韋啟珍，雷秀麗.崩塌落石運動參數(shù)的數(shù)值模擬研究[J].中國水運,2008,8(3):165-166.

Analysis of a Slope Rockfall Movement Characteristics

SONGBo
(SichuanShutongGeotechnicalEngineeringCompany,Chengdu 610081,China)

【Abstract】TheG318lineisanimportantroadtoTibet,inTianquanCountyinlineformountainousareahighwaytwo.InSeptember 24,2014,the Road collapse occurred Tianquan line of two Xiang K2714+800m.In this paper,the landslide as an example,the geologicalconditionsareanalyzedindetail,describesthecomprehensiveinfluenceofrockslopecharacteristics,theslopeshaperain and weathering,human engineeringactivitiesand the external force is the reason ofcollapse.And the use of rockfall software on its movementspeedandtrajectoryofthesimulationanalysis,onthebasisofthe'activeprotection'ofthepreventionandcontrolmeasures.

【Keywords】rockmass;landslide;Rockfallsoftware;collapsemechanism

【中圖分類號】P642.21

【文獻標(biāo)志碼】A

【文章編號】1007-9467（2017）03-0136-03

【收稿日期】2016-10-14

【作者簡介】寧波（1984～），男，河南新安人，工程師，從事巖土與地質(zhì)災(zāi)害治理研究。