高陡边坡滚石危险性评价与防治

2013-07-10王春山巴仁基刘宇杰聂德新

四川地质学报 2013年2期

王春山，巴仁基，刘宇杰，聂德新

（1.成都地质矿产研究所，成都 610081；2.成都理工大学，成都 610059)

滚石灾害非常严重，在国内外均有所报道。在意大利，滚石已经成为主要灾害之一。1939年5月10日在高速公路上的一次滚石造成了6人死亡。1982年12月13日的扎马尔地震造成了也门西南部塔伊兹城市周边70多处滚石的发生。1961～1981年位于宝～成铁路段大滩至军师庙1.6km 范围内发生了46 次滚石灾害，炸坏了铁轨和车辆，造成了多次停车事故。2008年5月12日的汶川地震造成的滚石灾害更是相当严重，其中在映秀镇，一重约300t 的滚石，从都汶公路内侧坡体陡壁顶部，直接临空抛射到公路外侧，其水平抛射距离61.9m，竖直下落高度64.4m[14]。本文所要研究的康定县炉城镇郭达山危岩曾发生过多次垮塌，2005年12月发生崩塌，但由于规模较小，崩落距离不大，未造成危害；2007年4月28日，危岩再次发生崩塌，菜市场后部鱼市多处雨蓬顶受损，墙体洞穿，并造成3人受伤，目前危岩体仍威胁着山下公安局交警支队、稽查征费处、州种子管理站、康定县国土局宿舍楼和东关菜市场等10 家单位以及约8000人生命安全。因此研究滚石的运动机制、影响因素、力学特征以及防止治理是非常必要的。

1 滚石的形成因素

滚石的形成因素可分为内因和外因。内应包括地质运动作用及产生的各种构造和岩土体的物理力学特征；外因包括河流侵蚀、风化作用、地震、植物根劈和生物扰动以及人文活动等。

地壳的造山运动和造陆运动使得各地质体受到了强大的构造应力的作用，形成了各种地质构造特征。例如褶皱核部、断层通过地段和节理发育处岩体破碎，已形成规模不等的滚石。

岩性对边坡滚石的影响是明显的。通常情况下软弱岩石易受风化，边坡较缓，且形成的滚石的颗粒易碎，因此形成的几率相对较低，即便是形成滚石，也会在碰撞中形成碎屑流。而块状和后层状的坚硬岩由于抗风化能力较高，往往形成陡峭的悬崖峭壁，岩体在多组节理的切割下可形成大小不等滚石。

暴雨、地震、生物活动以及人类活动等是激发滚石的主要因素。暴雨降水一方面降低了结构面的力学长度，另一方面在裂隙中产生的超孔隙水压力促使了结构面的扩展。地震形成的地震波是岩土体的结构松散，力学性质急剧下降，造成岩体破碎失稳。植物的根劈、动物的挖洞活动可使岩土体稳定性下降，造成向临空面变形。水利开发、矿产勘探开采和铁路公路的修建等一系列人类活动都需要对自然边坡岩土体进行改造，使得滚石的发生愈加频繁。

2 滚石运动的形式及影响因素

一些学者将滚石的运动形式分为滚动、自由飞落（自由落体）、碰撞弹跳（弹跳）和滚动四类[7]。在无特殊的前提条件下，如爆破等，滚石的初始运动特征一般为滑动，受到较大摩擦力的作用，速度较缓慢且能量损失大。之后受主要从边坡条件(边坡几何形状、坡面粗糙程度、边坡的物理力学性质)、滚石特性(几何性质、物理力学性质)和边坡与滚石的相互作用等影响，将会形成自由飞落（自由落体）、碰撞弹跳（弹跳）和滚动的其他三种运动形式，且各种运动形式又会相互转换。由于控制滚石运动的因素具有不确定性以及滚石运动形式相互变换的复杂性，使得对滚石的运动轨迹的估算变的十分复杂。通过对各控制因素的合理简化，对不同运动形式提出了相应的计算公式，并应用于实际的工程[9][10]。

3 滚石的数值模拟

实际中边坡的几何形态、坡体的力学特征、滚石的大小等的细微改变，将会对滚石的运动特征具有明显的影响，因此对滚石轨迹的精确计算变得愈发困难。在分析滚石的过程中采用的多为经验公式，必然会产生较大的误差。在很多情况下受人力、物力以及现场条件的限制，不可能进行现场抛石试验。因此，数值模拟成为了对滚石运动研究的一个有力的工具。目前，国外进行滚石轨迹模拟的软件有十余种，而Rockfall 是其中一个应用广泛的商业软件，通过输入控制性参数，该软件就可以对特定区域的滚石数量、速度、高度以及冲击力进行统计。国内外的学者利用该软件对实际工程进行模拟，并取得了较好的成果[11][12]。

4 滚石防治治理

为了减少滚石产生的危害，在分析了滚石的运动特性以及冲击作用的研究基础上，应对危险地区进行合理的防护治理。按照防护措施的作用原理可分为主动防护和被动防护。主动防护是在对危岩体进行较为精细调查的基础上进行支撑、锚固、封填、灌浆、排水、清除和护坡等手段增强岩体的稳定性。而被动防护并不改变危岩体的稳定性，而是对岩体失稳后的运动特征加以约束，如修建落石槽、挡石墙、挡石栅栏和棚洞等。目前，具有较高技术经济优势的柔性防护技术被提出。所谓的柔性防护就是采用高强度的柔性网为主要部分，以主动覆盖和被动拦截来防治崩塌落石的防护结构。该技术在浅表层地质灾害领域中得到了广泛的应用[13][14][15][16][17]。

5 工程实例

图1 郭达山地形地貌

5.1 康定县郭达山危岩体总体特征

康定县郭达山危岩体位于康定县炉城镇境内，位于瓦斯河左岸，地理坐标101°58′06.87″；30°03′28.00″。东起康定县国土资源局宿舍楼上部山脊，西至雅拉河与瓦斯河交汇处，长400m。危岩体位于郭达山中部，高程范围约2 764～2 884m，河底高程2 448m，相对高差约400m(图1)。危岩体所处斜坡为缓～陡～缓，坡度在47°～62°之间。危岩区岩性主要由震旦系上统灯影组大理岩组成，岩层平均产状为260°∠60°。岩层内裂隙发育，主要由一组共轭的组成，其中一组产状为165°∠65°，迹长0.1～3m，间距0.3～1.5m，局部张开，最大拉张8cm，该组裂隙较发育，与坡向近于平行；另一组产状为271°∠75°，迹长1.0～3.1m，间距0.5～1.5m，局部张开约2～8cm，面起伏粗糙，有钙华及泥质填充。受这两组节理的切割，在郭达山上形成了多个直径在数米以上的危岩体。在暴雨的条件下，雨水渗入各危岩体内，一方面增加了滚石的重量，另一方面降低了滚石底部的摩擦强度，极易形成灾害。危岩体下部为堆积区，主要由危岩体的崩坡积物组成，堆积区宽约300m，厚度约5～10m，坡度为30°～35°。物质成分主要为黄褐色土夹岩块、岩屑，岩块粒径在15～30cm，棱角状（图2）。

图2 郭达山危岩体特征

5.2 岩土体物理力学参数

滚石启动及运动过程中接触到的地质体为大理岩以及堆积区的崩坡积物，而这些物质的物理力学特征对滚石的运动方式起到了重要的作用，因此在野外对岩土体进行样本采集，然后在室内进行了物理力学性质指标的测量。对大理岩采集了6个样本，通过测试获得了其含水率、天然密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及软化系数等7个参数指标（表1）。在堆积区内深度1～2m范围内采集了4组样本，获得了容重、抗剪强度和承载力等指标（表2）。

5.3 危岩体危险性评价

在滚石掉落较为集中的地段做一剖面（图3），对其进行数值计算模拟，为治理防护提供可靠的数据资料。经现场调查，堆积区内崩塌粒径多为5～20cm，个别粒径在1m 以上。另因为康定县城处于鲜水河、龙门山及安宁河地震带交汇部位，地震活动频繁，因此堆积区的块石可代表在地震和暴雨的作用下滚石的粒径。

对于滚石的运动路径和冲击力将采用Rockfall 软件进行数字模拟，进而对滚石下落范围及可能造成的破坏程度进行统计。该软件考虑到了岩块的大小和密度、坡面几何形态、坡面滑动和滚动摩擦系数等，还要考虑法向阻尼系数（Rn）和切向阻尼系数（Rt）。滚石运移过程中在2 780m 高程以上为裸露的基岩，2 780m 至河谷为崩坡积无组成的土质边坡，为此对于岩质边坡地段，Rn=0.35，Rt=0.85；而土质边坡Rn=0.28，Rt=0.78[12]。本次数值模拟落石的原始数量设为50个，滚石的重量按野外调查的20cm 块石计算为11.3kg。其他参数按所得参数表中的数据选取（表1、表2）。

图3 郭达山危岩体剖面图

图4 滚石的运动过程模拟结果

表1 大理岩物理力学性质统计表

图4为数值模拟的滚石运动过程成果，可以看出滚石开始在坡面滚动，至坡度便陡出发生了跳跃和碰撞。滚石最后落在255～258m、268～275m和280～290m 三个水平位置，其中大部分的滚石分布在268～275m 区间内，有少数的滚石会撞击到建筑物上（图5）。在建筑物附近滚石冲击的最大能量为400J，弹跳高度在1m 范围内。在建筑物前面修建高2m 的柔性防护网便可抵抗滚石灾害。

5.4 监测预警及防治措施

为了保证郭达山下10 各单位近8000人的安全，县政府已经对郭达山上的危岩体进行了工程治理，采用主、被动相结合的防护措施，对具有严重威胁的地段采取对坡体表面进行适当整平，清除坡体表面松散的岩体后挂主动防御网进行治理，对岩腔部位采取支撑和灌浆固结，同时在堆积区中部修建了一级被动防护网。由于危岩体分布范围广，现有的资金投入很难对其进行全面的治理。较为有效的措施是群专结合，对郭达山危岩体进行预警预报监测。为此中国地质调查局成都地质调查中心在郭达山顶部架设了自动雨量仪，并对坡面上规模较大的岩体安装了位移报警器，为山下居民提供了较好的安全保障。

表2 块石土土力学性质指标

图5 滚石最终水平位置统计

图6 建筑物前部滚石的冲击能量统计

图7 建筑物前部滚石的弹跳高度统计

6 结论

由于滚石的发生具有突发性，冲击力大等特点，特别是高陡边坡的滚石更是有着惊人的破坏力，因此对其的研究具有重要的意义。本文讨论了滚石的形成因素、运动形式和影响因素，认为数值模拟是评价滚石灾害的有力工具，对滚石灾害的治理可采用柔性防护技术。并且以康定县郭达山危岩体为例进行评价，通过深入研究滚石的成因、岩土体的物理力学性质，分析了滚石下落的范围、冲击能量和弹跳高度等，结果显示滚石下落后有部分块石会击中建筑物，最大冲击力为400J。通过对斜坡上的危岩体进行治理和建立监测预警系统，可以保障当地人民的生命财产安全。

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