蒙西至华中铁路某崩塌落石的稳定性及运动特征分析

张志民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 崩塌区的地质条件

崩塌所处区域地貌单元属低山丘陵区，主体山脉大致呈南北走向，支脉向东西方向展布，整体地势西北高东南低，最高海拔高程约750 m，最低海拔高程约400 m。地貌受构造及岩性控制明显，兼有剥蚀、侵蚀、溶蚀类型。地形起伏较大，自然坡度一般20°～30°，局部山高坡陡，沟谷深切，陡峻成崖，自然坡度达70°。

崩塌区域地层较为简单，上覆第四系全新统坡残积碎石土、细角砾土、黏土、粉质黏土，下伏石炭系中上统灰岩夹泥灰岩。

受断裂构造挤压影响，褶皱构造发育，石炭系中上统地层组成有代表性的向斜和背斜，在向斜和背斜之间又发育次级向斜、背斜。总的看这些向斜、背斜轴线走向方向呈NE分布，轴面产状较陡，有的近乎直立，两翼基本对称。本危岩落石体位于区域背斜的轴部附近，且受附近多条断层影响，岩层较破碎，坡体较陡。

2 崩塌落石的基本特征

崩塌位于河谷斜坡区， 崩塌体坡脚高程530 m，顶部高程约600 m，相对高差约70 m。发生崩塌落石的山体总体呈上陡下缓，上部基岩裸露形成较陡高的临空面，坡度约70°；下面坡体坡度约50°，大部分基岩裸露，可见少量植被和灌木丛，坡脚以下为洪积扇，扇体坡度约15°～20°。

灰岩夹泥灰岩呈层状产出，基岩松散破碎，呈碎块状，坡面基岩主要发育3组节理裂隙，将岩体切割呈块体状，受构造运动、风化作用的影响形成危岩，在自重及卸荷作用下产生落石，这些裂隙是发生危岩落石的主要结构面。危岩受构造影响及灰岩与泥灰岩的差异风化形成的结构特征，是崩塌落石形成的基本条件；崩塌山体坡度陡、相对高差大是崩塌落石形成的空间条件，也是该崩塌落石形成的必要条件之一。

崩塌坡角距蒙西至华中铁路约20 m，主崩方向正对拟建线路，在暴雨或地震诱发作用下陡坡上的岩体向下崩落，将直接危害拟建铁路的建设及运营安全。

3 崩塌落石稳定性分析评价

陡坡上分布的危岩块体的稳定性评价，采取以定性分析为基础，以定量计算为重要辅助手段进行综合分析评价[1，2]。

3.1 稳定性定性分析

通过野外实地勘察，坡面上的危岩块体经3组裂隙切割后各部分和稳定岩体间均有裂隙分开，部分岩体已经轻微外倾，野外判断其处于临界稳定状态。选取一处代表性危岩块体，通过室内赤平投影分析，其不利结构面组合交线的倾向与坡面倾向一致，但倾角小于坡面倾角，分析结论为不稳定状态(如图1所示)。

图1 危岩赤平投影分析

3.2 稳定性定量分析

在不利因素作用下，陡崖分布的危岩体相对稳定状态发生重心偏移，将以底面一点为转点发生转动失稳。取某危岩块体为例，其三组节理裂隙贯通，危岩块体下的泥灰岩风化内凹，继续风化将使岩体部分临空呈倾坠趋势。设X、Y表示危岩体各点的坐标，由图2中可知，XD-XC<0、XA-XB<0，其稳定系数按倾倒式崩塌稳定性公式[1，3]计算。

图2 危岩受力示意

根据公式可计算出危岩体加固前及加固后的稳定性系数及设计的锚固力、距倾倒转点的距离及锚固角度。分析的危岩体体积为3.7 m3，体积较小，所以不考虑对其进行锚固的治理方案，且危岩体裂隙贯通，不考虑抗拉应力作用，则稳定性计算公式简化为

(2)

其中：

(XD-XB)(YA-YC)]

(3)

(5)

式中，W为危岩块体重力/kN；a为倾倒转点至重力延长线的垂直距离/m；U为静水压力/kN；hu为静水压力的力臂/m；F为水平地震力/kN，由F=Wξ计算，ξ为水平地震影响系数；c为水平地震力相对倾倒转点的力臂/m。

荷载组合采取自重+孔隙水压力+地震力的最不利情况，灰岩重度为27 kN/m3，水平地震影响系数ξ取0.28，计算的稳定性系数K=0.91，处于不稳定状态。

4 落石的运动特征

落石在倾倒下坠过程中，遇到倾角较大且基岩裸露的坡面，就会发生碰撞弹跳，这种碰撞属于非弹性碰撞。计算模型[7]采用规范[4]中的方法及推荐的法向恢复系数与切向恢复系数来分析危岩失稳后的运动轨迹。建立模型时，参考已有现场试验研究成果[5]，采用粒径为1 m的块石进行计算(如图3所示)。

图3 落石弹跳碰撞分析模型

(6)

落石的速度在碰撞处存在如下坐标转换关系

(7)

当第i次与第i+1次碰撞的位置位于坡面的同一折线段时，根据抛物运动基本公式可求得两次碰撞的间隔时间

(8)

结合岩质边坡基岩裸露及植被的情况，分析时落石与边坡间法向接触系数取0.36，落石与边坡间的切向接触系数取0.84。

a=Bg(sinαLj-μcosαLj)

(9)

由能量守恒定律，滚滑运动的落石在斜坡折线段的任意处速度Vt可由如下公式计算

(10)

经分析计算，落石最终滚落的位置距边坡坡脚的水平距离S=42.2 m。

落石在坡面折线段L2与L3相交处的动能最大，其动能可用如下公式计算[9]：

(11)

式中，ET为落石平动动能(J)，Vi为防护结构设置位置落石运动速度(m/s)。落石最大动能为5 185.29 kJ。根据以上公式，可以计算出拟建防护结构位置处落石的动能，以指导防护结构的设计。

5 结束语

根据危岩体的实际情况，危岩治理可采取加固或防护的方案，通过对其稳定性及运动特征的分析，可以计算加固或防护的设计参数。由于影响危岩落石运动因素很多，运动形式复杂，建立的平面运动模型不能完全实际反映落石的运动轨迹，且危岩与碰撞点的碰撞系数选取的人为主观因素影响较大，经过计算的危岩落石动能和运动距离还需参照相似的试验进行修正，必要时要辅以一定范围内的现场试验，以确定更加合理的计算模型和参数选择，使设计人员可以进行经济、有效、合理的危岩加固和防护结构设计。

参考文献

[1] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2007

[2] 刘传正.地质灾害勘查指南[M].北京:地质出版社，2000

[3] 董捷，宋绪国，许再良，等.基于平面坐标系统的倾倒式危岩稳定性研究[J].铁道标准设计，2012(9)

[4] 铁道第四勘察设计院.铁路特殊路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2007

[5] 黄润秋，刘卫华，周江平，等.滚石运动特征试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(9)

[6] 叶四桥，唐红梅，祝辉.基于落石运动特性分析的拦石网设计理念[J].岩土工程学报，2007，29(4)

[7] 董捷，宋绪国，许再良.沈丹客运专线本溪隧道出口落石影响范围研究[J].铁道建筑，2012(9)

[8] 吕庆，孙红月，翟三扣，等.边坡滚石运动的计算模型[J].自然灾害学报，2003，12(2)

[9] 阳友奎，周迎庆，姜瑞琪，等.坡面地质灾害柔性防护的理论与实践[M].北京:科学出版社，2005