某安置点场地滚石运动特征及影响范围

叶圣生, 李会中, 梁 梁, 付调金

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010)

某安置点场地滚石运动特征及影响范围

叶圣生, 李会中, 梁 梁, 付调金

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010)

以地质调查成果为依据,分析场地滚石形成条件、滚石运动形式及运动特征等,选取剖面进行滚石运动范围计算,对比分析场地块石分布范围及滚石计算运动范围之间的差别,为安置点用地选择提出建议。

滚石;运动形式;运动特征;恢复系数;影响范围

某安置点为乌东德水电站建设征地29个移民安置点中的一个,位于云南省武定县金沙江右岸,距县城直线距离约110 km,有乡村道路可到达,交通较便利。根据移民规划设计,安置点规划建设用地总面积约0.01 km2,安置人口138人。

场地位于坡向金沙江的单面斜坡上,整体地形呈陡—缓—陡形态,江面高程约890 m,高程1 025～1 050 m为缓坡平台,高程1 150～1 175 m之间为地形陡崖(图1)。第四系崩坡积物主要分布缓坡位置,其它为基岩出露,基岩为侏罗系益门组(J1y)砂、泥岩,顶部为厚层砂岩。厚层砂岩中裂隙较发育,优势方向为EW向及NNW向,陡倾角,无充填。

安置点建设用地初步选定于高程1 025～1 050 m缓坡平台,平台下伏为基岩,场地稳定。场地不良地质现象主要为后缘陡崖的崩塌滚石及小型泥石流冲沟,其中场地后缘的崩塌滚石是安置点用地选择的主要影响因素。

1 危岩区基本特征

1.1 分布范围及规模

安置点后缘高程1 150～1 175 m之间为地形陡崖,陡崖高差约25 m,出露基岩为三叠系白果湾组砂岩夹泥岩,岩体表层风化较强烈。受地形、岩性及裂隙切割影响,在陡崖边缘部位发育多个危岩体,并形成危岩区。

图1 场地工程地质图Fig.1 Geological map of the site engineering 1.崩坡积层;2.侏罗系下统益门组;3.第四系与基岩分界;4.断层;5.褶皱;6.危岩分布范围;7.块石堆积范围;8.安置点建设范围;9.岩层产状;10.正常蓄水位回水线;11.剖面线及编号。

危岩区顺陡崖走向方向长度约200 m,宽度约20 m,裂缝最大发育深度约8～10 m,估算危岩区总方量约15 000 m3,分布位置见图1。危岩区与安置点建设用地水平距离约260～350 m,垂直高差约110 m,两者之间地形坡度总体呈上陡下缓状,高程1 100 m以上坡度25°～28°,以下较缓,平均坡度16°左右。

1.2 变形失稳模式

危岩区的形成与特殊的地形、地质条件是紧密关联的,危岩区地质剖面见图2。

危岩区平均地形坡度26°,地层岩性为三叠系白果湾组中厚—厚层砂岩夹泥岩,受断层构造影响,断层的下盘三叠系岩层有一定程度的抬升,同时,断层的错动使断层带内岩土相对较破碎,裂隙发育,为危岩块体的形成提供条件。

图2 工程地质剖面图Fig.2 Geological profile of the engineering1.崩坡积层;2.侏罗系下统益门组;3.三叠系上统白果湾组;4.碎块石夹土;5.泥岩夹中厚层砂岩;6.砂岩夹泥岩。

由于危岩区地形陡峭,中厚—厚层砂岩抗风化能力相对坡下方向的泥岩夹砂岩整体较好,在风化营力及构造运动抬升下,形成陡坎地形,是危岩形成有利的空间条件。另外,危岩区岩体以中厚—厚层砂岩与薄层泥岩呈软硬相间分布,砂岩受风化、卸荷及裂隙相互切割形成松动块体,在底部薄层泥岩受风化剥蚀或形成软弱层后,上部块体局部失去支撑,多以倾倒变形的方式发生间歇性崩塌。

1.3 危岩区稳定性评价

危岩区陡崖下部斜坡分布较多崩塌块石,块石表面多风化呈黑色,未发生大规模崩塌现象,危岩区后缘暂未发现新增的拉裂缝,在持续降雨情况下陡崖边缘有零星崩塌现象发生,综合判断危岩区现状整体处于基本稳定状态。

因此危岩体整体稳定对安置点用地选择影响较小,主要影响为陡崖边缘的崩塌滚石。

2 滚石影响范围

2.1 块石分布范围调查

根据现场地质调查,圈定对安置点建设场地崩塌块石分布范围(图1)。

地质调查显示:坡面崩塌块石块径一般在0.3～0.5 m,最大可达0.5～0.8 m,最大块石体积0.3～0.5 m3,崩塌块石主要分布于危岩体以下的斜坡地带,缓坡位置无崩塌块石分布,距离危岩区越远,块石分布越少。另外地形对崩塌块石分布也影响较大,如地形坡度大的崩塌块石平面分布距离较远,地形坡度小则崩塌块石平面分布距离较近。

2.2 滚石运动特征分析

2.2.1 运动形式

边坡滚石运动的形式主要有4种:①滑动;②自由飞落;③碰撞弹跳;④滚动。对于某一具体的边坡滚石,并不是每一种形式都存在,这取决于边坡的形状、边坡坡面的地质力学特点以及滚石的力学性质等因素。

场地危岩体多以倾倒方式破坏,其初始阶段多为自由飞落运动,之后滚石在边坡坡面上的运动多为碰撞弹跳形式。

2.2.2 运动计算方法

碰撞弹跳是滚石运动过程中最复杂、最不确定的一种运动,碰撞可能是近乎完全弹性碰撞,也可能是完全的非弹性碰撞,这取决于滚石和边坡土的物理力学性质、碰撞时的入射角、滚石的质量和入射速度等诸多因素。本文采用恢复系数法来描述滚石碰撞的问题,将滚石的碰撞问题当成刚体碰撞,通过恢复系数来考虑碰撞过程中的能量损失,避免对滚石碰撞过程中非线性变形以及摩擦问题的直接讨论。

最常用的恢复系数是分别定义法向和切向恢复系数,即:

(2)

式中:Rn,Rt分别为法向和切向速度恢复系数;Vin,Vit分别为碰撞前法向和切向速度;Vrn,Vrt分别为碰撞后法向和切向速度。

Rn,Rt为1 时,碰撞过程中无摩擦阻尼作用,碰撞为完全弹性碰撞;Rn,Rt为0时,为完全粘滞阻尼状态,碰撞为完全非弹性碰撞。对于滚石的碰撞,通过碰撞前的入射速度可以计算碰撞后的速度和滚动问题。

如图3所示,假设第i次滚石碰撞的入射速度Vi已经由前面的计算确定,这里当成已知条件使用。按照速度矢量的分解,有:

图3 滚石碰撞弹跳模型Fig.3 Movement model of the rolling-rock

(3)

联立式(1)、(2)、(3),可以求得碰撞后滚石速度的水平和竖直分量V1x、V1y以及合速度Vr:

(4)

滚石碰撞恢复系数Rt、Rn是正确估算滚石运动轨迹的两个重要参数。这两个参数与边坡的坡度、边坡坡面覆盖层的地质结构及力学性质、滚石自身的大小等因素有关。室内试验表明,随着边坡坡度的增大,法向恢复系数略有增大,但是对于切向恢复系数的影响却不是很明显;边坡坡面覆盖土越松散,碰撞就越趋向完全非弹性碰撞,相应的法向和切向恢复系数就越小；相反,边坡坡面出露的基岩越硬,碰撞就越趋向弹性碰撞,相应的法向和切向恢复系数就越大;小质量的滚石比起在同一边坡上的大质量的滚石碰撞恢复系数要大。恢复系数的取值直接关系到所估算的滚石运动轨迹的可靠度。而由于滚石问题的复杂性,使得滚石碰撞的恢复系数非常离散,所以要得到可靠的滚石碰撞恢复系数,必须依赖于试验,在试验的基础上通过反分析得到恢复系数。

目前尚没有规范明确给出Rt、Rn的取值范围。实践经验表明:滚石碰撞的法向恢复系数在0.2～0.4之间,切向恢复系数在0.8～0.9之间。一般边坡坡面有基岩出露时,取大值;坡面为没有植被覆盖或有少量植被覆盖的砾岩或硬土时,取中间值;坡面为松散残积土或粘土时,取小值。表1给出了铁道部推荐的法向和切向恢复系数的取值。

表1 不同坡面特征的法向及切向恢复系数取值范围

2.3 滚石影响范围分析

根据以上边坡滚石运行形式的理论,选择滚石计算剖面1、2进行滚石运动范围计算。

假设危岩自陡崖顶部开始倾倒崩塌,初始速度为零,陡崖高差约15 m,实际调查最大块石约1 000 kg;陡崖下斜坡多为基岩出露,无植被生长,因此按表1取基岩坡面(无植被)法向恢复系数为0.33～0.37,切向恢复系数为0.83～0.87;第四系坡面法向恢复系数为0.28～0.30,切向恢复系数为0.78～0.80。计算结果见图4。

从计算结果来看,滚石运动水平距离最大约100～120 m,计算结果小于实际调查的块石分布距离。其原因可能为:

(1) 实际调查的块石分布范围是边坡崩塌长期历史过程中形成的,在形成过程中边坡可能经历了较为极端的破坏条件,如高烈度地震、强暴雨等,致使计算参数与极端破坏时有一定的差距,从而造成计算结果偏小。

(2) 边坡在长期的崩塌后退过程中,崩塌一方面减缓了边坡的地形坡度且增大了水平距离,另一方面实际调查的块石分布范围也包含早期崩塌过程中形成的块石。

从图4可以看出安置点建设用地位于滚石运动计算范围外约150～200 m,场地后缘危岩区崩塌形成的滚石对安置点无影响,可不考虑工程防治措施,但考虑到后期居民的活动范围较大,因此建议在滚石运动计算范围内进行警示标识,提示居民远离崩塌滚石运动范围。

图4 滚石运动计算成果Fig.4 Calculation results of rolling-rock movement

3 结语

(1) 受断裂构造及地形影响,场地后缘陡崖发育危岩体,危岩区陡崖下部斜坡分布较多崩塌块石,场地后缘崩塌灾害较为明显。

(2) 分析危岩运动形式,采用恢复系数法计算滚石运动范围,计算结果表明:滚石运动水平距离最大约100～120 m,计算结果小于实际调查的块石分布距离。

(3) 安置点建设用地位于滚石运动计算范围外约150～200 m,场地后缘危岩区崩塌形成的滚石对安置点无影响。

[1] 陈洪凯,唐红梅,王林峰,等.危岩崩塌演化理论及应用[M].北京:科学出版社,2009.

[2] 叶圣生,卫俊杰,付调金,等.金沙江乌东德水电站下普利安置点详细规划阶段工程地质报告[R].武汉:长江三峡勘测研究院有限公司,2015.

[3] 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):1296-1302.

[4] 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(3):79-84.

(责任编辑：陈文宝)

Analysis of Rolling-rock Movement Characteristics and Scope ofInfluence in a Resettlement Site

YE Shengsheng, LI Huizhong, LIANG Liang, FU Diaojin

(ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearchCo.Ltd,Wuhan,Hubei430074)

On the basis of achievements of geological survey,the paper analyzes formation conditions of rolling-rock,rolling-rock movement and the movement features,selects the profile to calculate movement range of rolling-rock movement,comparatively analyzes distribution range of the site stone and difference of the range of motion of rolling-rock,puts forward suggestions for the choice of the final placement.

rolling-rock; movement type; motion characteristics; recovery coefficient; scope of influence

2016-04-22;改回日期:2016-04-27

叶圣生(1970-),男,高级工程师,工程地质专业,从事水利水电工程勘察、设计研究和地质灾害防治等工作。E-mail:shenthy@163.com

P642.2; TU45

A

1671-1211(2016)03-0262-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.016.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24