某采气场进场道路崩塌落石运动特征及防护措施

吴 刚，冯文凯，廖 军，黄家华

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059)

某采气场进场道路崩塌落石运动特征及防护措施

吴 刚，冯文凯，廖 军，黄家华

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059)

崩塌落石是西南山区常见的地质灾害,为合理地治理崩塌落石灾害,基于对某采气场进场道路崩塌边坡的详细野外调查,评价了该边坡的稳定性,同时采用运动学原理计算了崩塌落石的运动特征量,并利用Rockfall软件进行数值模拟验证,模拟结果与运动学原理计算结果相符合,最后针对该边坡所带来的安全隐患,提出了“清除危岩+拦石墙+落石槽”的防护措施。

崩塌落石；运动特征量；模拟验证；防护措施

崩塌落石作为斜坡灾害中常见的灾害模式,是西南山区常见的地质灾害之一。崩塌落石的危害性主要体现于灾害发生时,落石具有较大的运动速度、冲击能量以及弹跳高度,对处于其下方的居民及基础设施安全构成极大的潜在危害。因此,开展对崩塌落石运动特征的研究,合理确定与其危害性紧密相关的运动速度、冲击能量以及弹跳高度,对后期提出合理的防治建议,保证人民生命财产安全具有重要的意义。

目前对崩塌落石运动特征已取得了不少研究成果。如罗田[1]采用运动学公式,计算了岩石边坡落石运动特征量,并设计正交试验研究了影响边坡运动特征的因素,指出边坡坡度是影响落石运动特征的最主要因素。赵艳华[2]对宝成铁路K400+000—K400+170段的崩塌体落石进行飞行弹跳计算,并采用数值模拟的方法进行验证。赵丽娜[3]基于随机概率统计理论,对岩石边坡滚石运动轨迹进行了预测,取得良好的效果。

本文结合详细的野外调查, 利用运动学理论公式对某采气井场进场道路崩塌落石的运动速度、冲击能量以及弹跳高度等运动特征量进行计算, 并利用Rockfall软件进行验证, 最终给出相应的防治对策, 以期为类似的工程提供一定的参考和借鉴意义。

1 崩塌区地质条件及稳定性评价

1.1 地质条件

所研究的崩塌区位于某采气井场进场道路K0+000—K0+115段内,属低山丘陵地貌,平均海拔450 m。该区为人工开挖形成的裸露岩质斜坡(图1),坡度为53°～58°，高约17 m,岩性主要为白垩系下统苍溪组(K1c)砂岩,强-中风化,岩层产状为150°∠9°,整体发育有两组主卸荷裂隙,同时局部还发育有两组次卸荷裂隙(表1、图2～图5)。岩质斜坡以下为修筑进场道路时人工堆积的碎石土进场道路以及碎石土堆积的路堤(图3),其中,碎石土进场道路压实度较好,而进场道路路堤均为松散堆积。

表1 裂隙发育表

图1 崩塌区工程地质平面图

图2 崩塌区全貌图(镜头方向SW102°)

图3 崩塌区K0+051.40剖面

图4 崩塌区主控节理裂隙图

图5 崩塌区局部节理图

1.2 崩塌斜坡稳定性评价

根据表1对崩塌斜坡上发育的节理裂隙的表述,采用赤平投影方法(图6)进行斜坡稳定性分析：岩层倾向、节理①、②均与边坡大角度相交,夹角大于45°。交线倾角小于坡角，岩质边坡整体稳定性较好。但由于局部卸荷裂隙③、④将岩体切割成块状-次块状,极易在自身重力作用下发生崩塌破坏,对处于其下的道路路基与过往行人车辆造成严重的伤害。

图6 崩塌区节理裂隙赤平投影图

2 落石飞行弹跳运动特征量计算

崩塌落石运动的基本形式主要有4种：滑动、飞落、碰撞以及滚动。在崩塌落石的实际运动中,以上4种运动方式复合存在,鉴于实际运动过程较为复杂,为方便研究分析,常对落石的运动进行以下简化[4-7]：

(1) 将落石考虑为质量分布均匀的刚性体,不考虑落石实际运动中相互碰撞所引发的能量转换及落石的破碎情况;

(2) 不考虑实际运动过程中空气阻力的影响;

(3) 不考虑落石冲击对边坡坡形的影响。

前人的研究成果表明:边坡坡度是影响落石运动特征量的最主要因素,即坡度越大,其运动特征量也越大,失稳破坏时所带来的危害就越大。因此,本文选取岩质边坡坡度最大的剖面,即K0+051.40剖面进行计算,其坡度为58°,计算剖面见图3。为防止落石强大的冲击能量对道路以及过往行人安全的威胁,根据实际地形,拟在岩质边坡与碎石土边坡之间的岩质平台上修筑拦石墙,因此,此次关于崩塌落石运动特征量的计算主要关注于岩质边坡以及平台处落石的运动速度、冲击能量以及弹跳高度的计算。

分析该剖面可知,落石的初始运动主要为沿坡面滑动或滚动,运动到坡脚后冲击平台处基岩,之后做弹跳运动。

(1) 落石速度计算

落石脱离母岩作初始运动时,主要受自重力与坡面阻力的影响,其运动速度公式为：

(1)

式中：k为落石沿坡体运动所受的综合阻力特性系数,可按表2计算得到；H为石块坠落高度,m；g为重力加速度,m/s2；α为山坡坡度角,(°)。

计算结果见表3。

表2 阻力特性系数K值计算公式表

表3 崩塌落石速度计算结果

(2) 落石弹跳高度计算

崩塌落石冲击到基岩平台时,由于速度和冲击角度较大,落石将发生弹跳运动,其运动轨迹的曲线方程可根据运动学原理进行计算。计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：φ为速度入射角；γ为速度反射角；λ为碰撞时瞬间摩擦系数；ρ为碰撞时瞬间恢复系数；VR为入射速度；V0为反射速度；Hmax为落石弹跳的最大速度。其中，λ与ρ取值可根据工程经验确定，崩塌落石弹跳计算结果见表4。

表4 崩塌落石弹跳计算结果表

(3) 落石冲击能量计算

根据运动学公式中动能公式为

(5)

计算可得崩塌落石的冲击能量为163.42kJ(根据现场调查,崩塌落石的直径一般小于1.0m,冲击能量按最危险情况计算,落石直径取1.0m,落石密度根据工程经验取2 670kg/m3)。

3 Rockfall数值模拟验证

Rockfall是模拟崩塌落石运动特征的二维软件[8],通过输入地形坡度、法向与切向的阻尼系数、坡面摩擦角以及落石的位置和初始运动特征,计算得出落石的运动速度、弹跳高度以及冲击能量等运动特征量。其中,Rockfall软件在进行计算时,将落石考虑为质量分布均匀的刚性体,且不考虑落石运动过程中落石之间的碰撞以及空气的阻力[6],与采用运动学理论计算时对模型简化的思路一致,并且Rockfall软件可设定落石的数量,最终以概率统计的形式将落石的运动特征量进行统计,这样就大大降低了仅做一次分析所带来的偶然性错误[9]。

选取剖面K0+051.40进行模拟计算,从坡顶到坡脚,斜坡岩土体依次表现为第四系覆盖层-裸露岩质边坡-裸露岩质平台-碎石土路堤-碎石土路基-碎石土路堤,分别采用A、B、C、D、E、F和G进行分段编号。结合斜坡各坡段特征,根据工程经验值表5[10]确定斜坡各段法向阻尼系数、切向阻尼系数以及坡面摩擦角,对斜坡进行设置,各段参数见表6，所建立的模型见图7。

选取落石质量与前述计算落石冲击能量的重量一致,均为2 095.95kg,落石初始速度以及角速度均为零,进行计算。

表5 斜坡恢复系数工程经验取值表

表6 边坡各坡段基本参数

图7 模型计算图

由图8落石的运动轨迹图得知,在整个运动过程中,落石共经历6次弹跳运动,最终运动至FG段下部,即落石最终运动至碎石土路基边坡,表明崩塌区一旦发生灾害,落石脱离母岩体之后将会对进场道路路基及过往行人的安全带来威胁。落石所发生的运动方式见表7。

图8 边坡各段落石运动轨迹图

表7 边坡各段落石运动方式

斜坡分段运动方式BC滚动或滑动CD弹跳运动DE先弹跳,后滚动滑动EF先弹跳,后滚动滑动FG先弹跳,后滚动滑动

由于现场调查时根据实际的地形地貌以及防治目标,拟定在岩质平台上即CD段设置拦石墙拦截落石,因此,进行落石运动特征量的分析时主要考虑BC段与CD段的运动特征量。

由图9～图11可知,落石在BC与CD段的运动特征量分别为:落石最大的弹跳高度为0.46m,落石最大的冲击能量为170.82kJ,落石最大的运动速度为13.23m/s。对比采用运动学原理计算所得的结果显示(表8)，两者计算结果较接近,且冲击能量以及运动速度的相对误差均较小(小于5%)。弹跳高度的绝对误差为0.07m,相对误差为15.22%的原因在于落石在BC段的运动方式为滚动或滑动,其滚动至坡脚时具有较高的角速度,而采用运动学原理计算时并未考虑角速度的影响。因此Rockfall模拟结果可客观反映研究区崩塌落石的运动特征。

图9 边坡各段落石弹跳高度图

图10 边坡各段落石冲击能量图

图11 边坡各段落石运动速度图

综合以上分析可知,Rockfall所模拟的落石的运动轨迹以及落石的运动特征量均与实际运动学公式较为接近,因此,Rockfall所模拟的结果可以客观反映崩塌区落石的运动规律,也间接证明了运动学原理计算结果的合理性,可为该区域进一步灾害治理提供相应有效的基本参数。

表8 计算结果对比表

4 防治方案建议

基于以上对该区崩塌落石运动路径及运动特征量的分析和计算,结合现场实际的调查情况,采用“危岩清除+拦石墙+落石槽”的综合工程治理方案。

(1) 危岩清除:危岩清除不仅将坡顶覆盖层上散落的孤石以及坡面上破碎的岩块清理掉,并且需要清除卸荷裂隙深度内的岩块,清除深度以裂隙扩展的深度为准。

(2) 拦石墙:拦石墙的设置主要考虑设定的位置、高度以及宽度。拦石墙的位置主要考虑实际地形以及落石的运动路径,从运动学公式计算以及Rockfall对落石运动的模拟可知,落石在岩石平台最外侧时所受到的冲击能量最小,且在该处设置拦石墙将有效的防止落石直接运动至路基处,因此,拟将拦石墙设置于裸露岩质平台外侧。拦石墙的高度设置主要考虑崩塌落石的最大弹跳高度,根据相关规范[11]规定,拟设拦石墙的高度为2.4m(拦石墙应至少嵌入基岩0.5m[12])。拦石墙宽度的设定主要考虑其所受的冲击力,根据《公路路基设计规范》[11](JTGD30-2004)中对落石冲击力的计算以及冲击力在缓冲层中的扩散的原理[13-15],确定最终作用于拦石墙上的冲击力为24.41kPa,可设定拦石墙顶宽为0.8m,拦石墙内侧需设置缓冲层,缓冲层顶宽为1.0m。

(3) 落石槽:落石槽主要的作用在于减缓落石冲击力以及拦蓄落石的作用,为减缓落石的冲击力,在落石槽内铺设0.5m厚的碎石土。

此外,还需在崩塌区外设置截排水沟,以防止水的长期侵蚀作用对崩塌区边坡稳定性的影响。

5 结 论

本文结合详细的野外调查与对崩塌落石运动特征以及防止方案的分析,得出以下几点主要认识和结论:

(1) 该研究区崩塌岩质边坡整体稳定性较好,局部稳定性较差,易发生崩塌落石的灾害,需进行治理；。

(2) 采用运动学公式计算得落石在岩石平台以上最大弹跳高度为0.39m,最大冲击能量为163.42kJ,最大运动速度为12.94m/s,与Rockfall软件的模拟结果极为相近,表明计算所得的结果可客观地反映崩塌落石的运动特征；

(3) 根据计算和模拟所得的结果,采用“危岩清除+拦石墙+落石槽”的综合工程治理方案对该崩塌区进行治理设计,其中拦石墙的高度为2.4m,顶宽为0.8m,拦石墙设置于裸露岩石平台的外侧。

[1] 罗 田.岩质边坡危岩运动特征和防护研究[D].成都：西南交通大学,2013.

[2] 赵艳华.宝成铁路K400+000～170崩塌稳定性分析及防治措施研究[D].成都：西南交通大学,2013.

[3] 赵丽娜,周科平,高 峰，等.露天矿边坡滚石运动特征及控制[J].灾害学,2008,23(3):76-79.

[4] 于怀昌,余宏明,刘汉东.边坡滚石运动学参数敏感性[J].山地学报，2010,28(2):154-160.

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[6] 高云河,雷建海,田景富，等.流杯池小区危岩落石运动特征分析及其防治建议[J].地球与环境，2005,33(3):150-154.

[7] 胡厚田.崩塌与落石[M].北京:中国铁道出版社,1989.

[8] 王 爽,周晓军,郭 瑞，等.隧道洞口落石运动特性数值模拟[J].铁道建筑，2013(12):43-44.

[9]SongShuzhi,KongJiming.Analysisofrockfallanditsimpactonthecut-and-covertunnelindynamics[J].WuhanUniversityJournalofNaturalSciences, 2006,11(4):905-909.

[10] 贾振华，张 勇，傅静雯.危岩崩塌运动轨迹特征的Rockfall数值模拟研究[J].科技广场，2011(8):228-230.

[11] 中华人民共和国交通部.JTGD30-2004公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[12] 中华人民共和国建设部.GB50330-2013建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

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[14] 叶四桥,陈洪凯,唐冬梅.落石冲击力计算方法[J].中国铁道科学，2010,31(6):56-62.

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Motion Characteristics of Rock Falls and Control Measures of Collapse Hazards for the Access Road of A Gas Field

WU Gang, FENG Wenkai, LIAO Jun, HUANG Jiahua

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Collapses and rockfalls are common geological disasters in southwest mountainous areas. In order to effectively control and manage the disasters, a detailed survey on a collapsed slope of the access road to a gas field was carried out, followed by the evaluation of the slope stability. Meanwhile, the motion characteristic quantity of the rock fall was calculated using kinematics and then verified with the simulation software Rockfall. The simulation results showed consistency with the kinematics. Finally, regarding to the collapse hazards of this slope, the control measure of “clear dangerous rocks, install stonewall bars and rock fall collection channels” was proposed.

collapse and rock fall; motion characteristic quantity; simulation and verification; control measures

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.006

2015-05-01

2015-06-04

国家自然科学基金(41172278)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自由探索课题(SKLGP2011Z004)

吴 刚(1989—)，男，河南原阳人，硕士研究生，研究方向为水工环及地灾勘查设计。E-mail:wg7518187@163.com

P642.21

A

1672—1144(2015)05—0025—06