落石轨迹模拟分析在废弃矿山生态治理中的应用

2015-04-11罗晓娟余勇利

地质学刊 2015年1期

罗晓娟，余勇利

0 引言

随着对环境的日益重视，废弃矿山的治理工作愈来愈得到强化，在治理过程中不仅需要消除地质灾害隐患，同时需要进行生态环境治理，使其与周边环境融合，消除视觉污染。废弃露天矿山的高陡边坡地质环境问题中，滚石以突发性、不确定性、高频率等特点(吴顺川等，2006)，使得其成为高陡边坡最易发生的地质灾害类型之一(苏胜忠，2011)，在废弃矿山生态环境治理中需要高度重视。

国内外学者对滚石的运动特征和治理进行过大量研究和实践(吕庆等2003;张路青等，2004;韩俊艳等，2010)，其治理手段归纳起来主要有2种思路：一种是主动防护;另一种是被动防护。被动防护中较为重要的一种形式是防护墙，在实际工程应用中，防护墙的设计一般都由经验决定，事实上，防护墙的位置、高度、强度等设计条件都必须充分考虑滚石的弹跳高度和落点分布范围(张新光等，2009)。

考虑到废弃露天矿山的治理要求越来越全面，不仅要求消灾，还要求复绿，因此在治理设计过程中必须充分考虑复绿工程对下垫层的改变等因素，使废弃矿山的治理工作更加经济、合理、有效。以温州市平阳县鳌江镇荆溪山废弃矿山高陡边坡为例，通过对落石运动轨迹的模拟分析，结合景观设计原则(柯林等，2010)，提出综合生态治理方案，以期为相关边坡生态治理提供参考。

1 落石轨迹模拟计算基础

国内外对滚石运动轨迹进行模拟分析的相关软件有10余种(黄雨等，2010)，Rockfall软件通过输入斜坡和落石的相关基本参数，模拟落石在边坡上的运动轨迹、能量和弹跳高度变化，在实际工程中得到了广泛使用，具有较好的模拟效果(王春山等，2013)。利用该软件，可以模拟运动轨迹，合理设计缓冲带宽度，将挡墙布置在滚石崩落最低点;轨迹模拟的同时，利用能量分布图，为被动防护网的强度设计提供有力证据。

通过采用Rockfall对边坡上的块体跳跃轨迹方程进行试算，落石初始速度定为0，坡面为硬性的基岩面，坡脚为块石堆积体、土体、水泥地面等，分别采用不同的反弹恢复系数，得到各段边坡典型剖面的崩塌体运动轨迹图。块石在坡面上的弹跳运动轨迹及运动速度采用下列计算公式。

(1)运动轨迹。落石的抛物线路径与坡面的交点，即下次弹跳的起始坐标为：

式(1)中，A=(－vy0/vx0+tg θ)v2x0/g。

(2)运动速度。落石抛物线轨迹与地面相交触地前的瞬间速度分量为：

由于坡面上法向和切向阻尼系数Rn和Rt的减速作用，触地后再次弹跳起的初始速度分量为：

式(3)中，A1=Rt(vx'cos θ+vy'sin θ)，A2=Rn(－vx'sin θ+vy'cos θ)，落石滚动弹跳的计算示意图见图1。图1中，θ为边坡坡角;H为计算参考起始坡面高度;h为弹跳模式中的落石起始位置距离坡面的高度。计算中落石速度与坐标轴方向一致为正，反之为负。

图1 落石弹跳滚动示意图Fig.1 Schematic diagram showing rockfall bouncing and rolling

本次边坡崩塌计算，坡面岩土体的反弹恢复系数，分段采用表1所列数值。

表1 恢复系数取值表Table 1 Value selection of recovery coefficients

2 废弃矿山高陡边坡基本特征

该边坡位于平阳县鳌江火车站西北，边坡坡顶线长1 896 m，最大高差115 m，坡度50°～85°，边坡上部近陡直，局部反倾，边坡局部地段有平台，未采取支护措施(图2)。

出露的基岩主要为燕山晚期侵入岩，岩性为肉红色花岗岩，岩石坚硬，花岗结构。残坡积层主要分布于山体的浅表部，厚度普遍在1.0～1.5 m左右。

边坡坡体以中风化岩为主，岩体破碎，呈镶嵌－碎裂状结构，岩体节理发育，主要发育5组节理：① 100°～115°∠85°，基本闭合，2 ～3 条/m，延伸大于3 m;② 75°～85°∠30°～35°，基本闭合，2 ～4 条/m，延伸大于3 m;③ 20°～50°∠80°～85°，基本闭合，2～3 条/m，延伸大于3 m;④75°∠88°，基本闭合，1～2 条/m，延伸大于3 m;⑤50°∠40°，张开约1～2 cm，无充填，延伸大于3 m。在多组节理切割下，坡顶、坡面上破碎、松动岩块较多，易造成崩塌、滚石灾害(图2)。

图2 边坡工程地质剖面图Fig.2 Profile of slope engineering geology

3 边坡失稳成因分析

边坡失稳主要受以下几方面条件的影响。

(1)地形地貌。区内边坡由于人工开挖形成较高陡的地形。高陡的边坡改变坡体的原始应力状态、加剧岩体的风化、卸荷作用，为危岩体的形成、发展、崩塌、落石的发育提供了有利的地形条件。

(2)岩土工程地质特性。边坡岩体节理发育，在多组节理切割下，边坡岩石坡面多形成楔形体，为崩塌、落石的形成提供了物源。

(3)其他因素。主要包括风化卸荷作用、强降雨作用及人类工程活动等方面。①人工开挖。人工开挖不仅会形成高陡的临空面，开挖过程中的爆破振动，使区内岩体裂隙发育、危岩体的变形进一步加剧，岩体稳定性进一步降低。②强降雨。强降雨是区内危岩失稳的重要诱发因素，尤其是台风暴雨所带来的强降雨，在短期暴雨冲刷作用、雨水静水压力下导致岩体节理裂隙面的进一步扩张，进而加速了崩塌的发生、发展。③风化作用。区内边坡形成已有多年，受外界风化因素影响，区内边坡的表部岩体往往较为破碎，从而形成“风化—剥落(崩塌)—风化—剥落(崩塌)”的恶性循环，促进边坡岩体的破坏。

综上所述，该边坡高陡，岩体节理较发育，爆破开挖形成的边坡坡面松动，破碎的块石较多，坡面存在较多的滚石隐患体，在风化、卸荷作用、强降雨诱发等因素的影响下，容易形成滚石灾害。

4 落石轨迹模拟分析与设计参数

4.1 传统设计思路

在传统的地质灾害设计治理中，一般先进行清坡，然后在坡面上岩石破碎处打锚杆并挂主动防护网，在坡脚设置2.5 m高挡墙，挡墙上方设置1.5～2.0 m的被动防护网。挡墙设置2道，第一道设计在平台上方坡脚处，另一道设计在坡底。

4.2 利用Rockfall软件模拟

为合理选取挡墙设计高度、强度等基本要素，选取边坡的3 个典型剖面1—1'、2—2'、3—3'进行落石轨迹模拟分析，每个边坡都对2种不同介质进行模拟，分别是光滑而坚硬的基岩面与植被覆盖的土质边坡。

4.2.1 光滑而坚硬的基岩面据表1可知，光滑而坚硬的基岩面的法向恢复系数和切向恢复系数均大幅高于其他界面，达到0.53和0.99。因此，在这种介质的坡面上，落石的弹跳高度和弹跳距离均较大(图3、图4、图5)。

据图3、图4、图5的模拟分析结果可知：1—1'边坡在距坡脚20 m处，滚石的最大弹跳高度有10 m;2—2'边坡在距坡脚20 m处，滚石的最大弹跳高度有8.5 m;3—3'处边坡在距坡脚70 m处，滚石的最大弹跳高度有16 m。根据模拟结果可知，在光滑而坚硬的基岩面介质下，挡墙以及其上方的主动防护网的设计高度至少应达到16 m才能完全消除落石对下方居民、行人和财产的威胁。

图3 边坡1—1'落石轨迹模拟图Fig.3 Simulation of rockfall trajectory along the slope 1－1'

图4 边坡2—2'落石轨迹模拟图Fig.4 Simulation of rockfall trajectory along the slope 2－2'

图5 边坡3—3'落石轨迹模拟图Fig.5 Simulation of rockfall trajectory along the slope 3－3'

具体设计方案：在坡脚距离外侧公路约5 m处设置约12 m高的钢筋混凝土挡墙。挡墙墙体厚0.8 m，每隔5 m设置0.6 m宽的扶肋1道，挡墙基础开挖至中风化基岩面处，墙体竖向主筋均锚入基岩2.0 m深。挡墙上方设置4.0 m高RXI－1500型防护网1道，防护网直接安装在挡墙墙顶，防护网钢柱基础采用2.0 m深的钢筋砼柱体，现浇在块石墙体里。

4.2.2 植被覆盖的土质边坡为达到边坡绿化的目的，在边坡现有平台回填种植土，外侧辅以0.5 m高的小挡土墙防止水土流失，平台上方种植灌木、草本、爬挂类植物进行绿化，宕底挡土墙内填土1.0 m厚，种植高大乔木、灌木、草本植物进行绿化，消除视觉污染。这些措施是传统的废弃矿山绿化手段，以往只将其作为景观考虑，事实上，这些绿化措施不仅有美化环境的作用，还能起到绿化缓冲消能的作用，是一个很好的灾害缓冲带。

为了方便比较，选取 1—1'、2—2'、3—3'剖面，对其在绿化之后的落石轨迹进行模拟分析。覆土绿化改变了原有介质的法向恢复系数和切向恢复系数，降低为0.3和0.8，这也造成落石的弹跳高度与距离大幅减小(图6、图7、图8)。

绿化缓冲消能后，根据图6、图7、图8的模拟分析结果可知：边坡落石经过覆土绿化后的平台的缓冲，到坡脚时，弹跳高度基本已经降为0，边坡高处落石的落地位置基本上位于平台和宕底的植被缓冲带中，不会威胁到坡脚以外居民、行人和财产的安全。

图6 1—1'边坡落石运动轨迹图Fig.6 Diagram showing rockfall trajectory along the slope 1－1'

图7 2—2'边坡落石运动轨迹图Fig.7 Diagram showing rockfall trajectory along the slope 2－2'

图8 3—3'边坡落石运动轨迹图Fig.8 Diagram showing rockfall trajectory along the slope 3－3'

挡墙设计方案：挡土墙顶宽0.5 m，底宽0.9 m，墙高1.3 m，墙背垂直，墙面坡率1∶0.20，埋深0.4 m。挡墙基础和墙身均采用M7.5浆砌块石砌筑，墙身采用水泥砂浆勾缝，管口离排水沟底不小于10 cm，每间隔15 m设置1条沉降缝，内用沥青麻丝填塞。挡墙上方不设计主动防护网。

4.2.3 设计方案比较针对该边坡，主动防护所采取的措施基本一致，落石轨迹模拟的优势主要体现在被动防护的设计上。

在传统设计思路中，坡脚都设置了挡墙，通过落石轨迹模拟分析可知，在光滑而坚硬的基岩面介质情况下，滚石基本跃过设计的2道挡墙，仍然对边坡下方行人和车辆有较大威胁，说明设计未完全起到消除隐患的目的。

利用落石轨迹模拟分析之后，撤销平台坡脚挡墙。将挡墙直接设计在坡底，但是在对原坡面介质不处理的情况下，挡墙以及挡墙上方的主动防护网的设计高度至少达到16 m才能起到消除隐患的作用。消除隐患的作用完全能达到，只是造价高昂。

通过对边坡平台、宕底进行绿化，有效地改变了原坡面下垫层的介质性质，降低了法向和切向恢复系数，缩小了落石的弹跳范围，降低了落石的弹跳高度，使得原挡墙设计从12.0 m降至1.3 m，而且不用设置主动防护网就能起到消除地质灾害的作用，造价大大降低。同时，对边坡平台、宕底的绿化消除了视觉污染，美化环境，达到了社会效益、生态效益和经济效益的共赢。