贺兰口岩画载体落石危害及治理研究*

2020-09-10谌文武吴国鹏

工程地质学报 2020年4期

崔凯朱鹏谌文武吴国鹏李和顾鑫

（①兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程中心，兰州730050，中国）

（②兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州730000，中国）

0 引言

贺兰口岩画以表现形式丰富、分布区域集中和文化内涵深厚而闻名于世，自沟口至水关处两侧沟壁坡脚就分布有岩画660幅（崔凯，2019），而且如今作为重点文物保护单位和国家4A级景区，游客栈道均沿坡脚布设。然而沟道两岸山体陡峻，节理裂隙发育，岩体结构破碎（李建伟等，2010），加之该区域常突发暴雨、多有强风、岩羊等动物觅食踩踏等不确定因素，导致常有孤石滚落砸损坡脚处岩画和堆积游览栈道的事件发生。相较于其他山区地质灾害，落石灾害具有随机性、隐蔽性、突发性、高破坏性等特点（胡厚田，2005），其对坡脚处的岩画和游人构成严重威胁。鉴于此，正确认识和合理防治落石灾害成为贺兰口岩画保护和游客安全保障亟待解决的问题。

国内外诸多学者对不同地区和类型的落石灾害的发育机理、运动参数以及防治措施开展了大量的研究工作。早期胡厚田（2005）、陈洪凯等（2015）、裴向军等（2011）、唐红梅等（2019）、苏生瑞等（2019）以Hertz的弹性碰撞理论和恢复系数理论为研究基础，对崩塌落石稳定性的检验方法、恢复系数计算、落石冲击力等进行研究，提出了崩塌落石危害程度综合预测方法。杨志法等（2019）、王学良等（2018）通过从具体落石灾害事件切入，通过落石灾害识别、落石运动路径等方面的研究，得到不同崩塌灾害识别方法和预防治理措施。唐红梅等（2016）、陈洪凯等（2015）、苏胜忠（2011）、Bourrier et al.（2012）通过现场落石灾害，利用崩塌落石数值计算和模拟研究，获取了崩塌落石的运动轨迹方程、落石灾害预测。Marchelli et al.（2019）、Carlàet al.（2019）、Yilmaz et al.（2008）研究了岩石崩落过程中岩石破碎大小分布与源区和坡面的关系、使用雷达以及落石模拟软件，得到一种准确预测落石灾害和指导治理落石灾害的系统理论和软件。胡卸文等（2019），叶四桥等（2008）通过探讨拦石墙动力响应、拦石墙实际应用、拦石墙设计参数等分别研究了拦石墙在落石灾害治理的应用。汪敏等（2011）通过探讨主动防护网的力学性能、承载能力、设计参数等分别研究了主动防护网在岩质边坡的落石灾害治理的应用。然而贺兰口落石的赋存环境和发育特征具有自身特点，有关于其运动规律和演化机制的研究尚未开展，并且由于出自文物保护角度对于环境风貌和国家二级保护动物岩羊生存环境的严格要求，主动防护网、被动防护网、拦石墙、谷坊等落石防治措施在岩画赋存区域被限制使用；因此，对正确认识贺兰口落石灾害发育机理和合理防治提出了新的要求。

基于此，本次研究以工程地质测绘和现场调查为手段，在对贺兰口自沟口至水关处两侧山体落石数量、分布、体积、形状、岩性和运动剖面等发育特征统计与分析的基础上，采用数值软件对沟内落石在边坡上的运动轨迹、弹跳高度、冲击能量等进行数值计算，得出落石运动可能对岩画和游人造成的危害程度。鉴于所有落石对岩画和游客均存在较大威胁且文物保护区风貌对工程措施有严格要求的原因，“先破碎后人工清理”是适合该区域源头治理孤石的最佳选择。因此本次研究在现场选择典型性落石开展了不同水剂比、布孔方式和间排距的静态破碎实验和应变监测，得出该地区孤石治理静态破碎方法的优化布置方案，为贺兰口岩画保护区落石灾害的源头治理办法提供有益思考。

1 孤石发育特征

1.1 孤石成因、数量与分布

贺兰口沟两岸山体平均坡度大、地势高、起伏度大，沟口附近山体相对狭窄，地层岩性主要是由中生界三叠系中统的二马营阶下部浅灰色、紫红色、浅灰绿色巨厚层至厚层变质砂岩和全新世冲洪积物构成，其中沟口至水关处两侧山体主要以薄层状和巨厚层浅灰绿色变质砂岩呈互层状出露（雷启云等，2015）。岩层产状为SW235°∠35°～60°，产状分别为SE165°∠40°～55°和SE110°∠50°～70°的两组节理高度发育。由于差异性风化作用的影响，薄层状变质砂岩出露处内凹形成临空面（图1a），层面与两组节理切割巨厚层砂岩失稳后堆积于坡面形成孤石主要来源（图1b）。

本次调查发现沟口至水关处两侧山体上共发现有34处散落分布于岩画分布区的正上方稳定性差、危害大的孤石。其中北岸共分布有20处，分布高程为1425.5～1469im，分布数量沿沟道进深增加逐渐减少；南岸共分布有14处，分布高程为1420.3～1443im，数量分布特点同左岸一致。孤石整体分布呈现北岸多于南岸、沟口多于沟内、随高程增大数量增多的特点，具体分布情况见图2。

1.2 孤石几何特征

图1 孤石形成图Fig.1 The formation of potential rockfalls

现场调查统计34处孤石的几何特征如表1所示：（1）体积分布在1～5im3的孤石占总数的41%，平均体积为3.35im3，体积分布在5～10im3的孤石占总数的26%，平均体积为6.92im3，体积分布在10im3以上的孤石占总数的33%，平均体积为19.5im3；（2）距离地面高度分布在0～5im的孤石占总数的15%，分布在5～10im的孤石占总数的44%，分布在10～15im的孤石占总数的18%，分布在15im以上的孤石占总数的23%；（3）形状为近球体的孤石占总数23%，形状为长柱的孤石占总数50%，形状为扁平体的孤石占总数27%；（4）按照孤石所处坡剖面覆盖物类型和起伏度，可将其划分为3种类型，即裸露基岩型、孤石带型和坡面泥石流沟型（叶唐进等，2019）。

图2 孤石分布图Fig.2 The distribution of potential rockfalls

表1 孤石几何特征表Table 1 The geometric feature of rockfall

三类孤石的剖面具有如下特征：（1）裸露基岩型孤石所处剖面自上而下可划分为3个特征段，分别为落石段、坡积物覆盖段和基岩段，坡体岩性主要为变质砂岩，大部分基岩裸露；此类剖面坡体起伏度变化大，坡体上缓下陡，坡脚处几乎直立，共有9处孤石可能滚落轨迹位于此类剖面；（2）孤石带型孤石所处剖面可自上而下划分为3个特征段，分别为落石段、坡积物覆盖段和植被覆盖段，沟内大小孤石堆满沟道，部分区域分布有少量植被，该处孤石带由于没有土等松散堆积物填充孤石空隙，孤石稳定性极差，稍有扰动就可能发生滚落，形成落石；此类坡面起伏度介于其他两种类型坡面之间，坡度较陡，共有13处孤石可能滚落轨迹位于此类剖面；（3）坡面泥石流沟型孤石所处剖面可划分为3个特征段，分别为落石段、坡积物覆盖段和植被覆盖段，坡面上游和两侧崖壁被多组节理面切割，分布有大量孤石，整个坡面堆积有大量碎石和土，坡面中下部生长有大量植物；坡面平均坡度最小，起伏度最小，共有12处孤石可能滚落轨迹位于此类剖面。

2 落石灾害危害分析

由以上对34处孤石发育特征的调查结果可知，34处全部位于岩画和游客栈道正上方的位置，而且具有体积大、落距大和运动剖面复杂的总体特征，一旦失稳必将对岩画、游人和设施造成巨大危害。因此，非常有必要从落石的落点位置和能量变化角度对落石的危害程度与等级开展研究。落石运动轨迹和运动能量的研究方法主要有历史落石事件调查、落石实验和数值模拟。由于贺兰口岩画保护区山体底部分布有大量的岩画，现场落石实验无法开展，而该地区历史落石事件资料不足，且调查研究方法主观因素会影响研究准确性，因此本次研究采用Rocfall软件对调查出34处孤石进行落石危害性模拟研究。

2.1 模拟特征剖面参数确定

本次模拟使用的特征剖面参数由现场实验得到：

（1）坡面粗糙度采取轮廓线伸长率法，现场测定特征剖面两顶点的直线距离L和坡面长度L0，利用下述公式计算得出：

（2）恢复性系数取值采取现场恢复系数实验（图3），在3种不同类型孤石所处剖面特征段，现场试验采用佳能6D相机配合百诺A550F云台拍摄落石掉落、碰撞至多次反弹静止全过程的高清视频，对视频使用Adobe公司的Premire软件进行分析，对于掉落过程超慢速回放，逐帧处理后可以根据参照物计算不同时间落石运动位移和速度，根据不同方向的位移和速度反算坡面碰撞恢复性系数，得出3种不同类型孤石滚落选取特征剖面特征段恢复系数（叶四桥等，2018）。不同坡面性质具有不同的碰撞恢复系数，大量实践表明落石碰撞的法向恢复系数在0.2～0.5之间，切向恢复系数在0.4～0.9之间。边坡坡面基岩出露，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黏土时，取小值（吕庆等，2003）。结合现场恢复性系数试验得到坡面参数表（表2），其余剖面特征段参数取值参考该表。

图3 滑坡体坡度分布图Fig.3 Angle slope distribution map of landslides

表2 分段坡面参数表Table 2 Parameters of different parts at rockfall-slope

2.2 模拟结果

对34块孤石分别进行100次模拟落石实验。得出滚落落点和能量分布结果（表3），而且不同类型的孤石滚落过程和能量分布具有如下特征：（1）裸露基岩型孤石运动过程中运动状态大部分为弹跳，基本没有滚动和滑动；弹跳高度在坡积物覆盖段变低，坠落至坡脚游客栈道后仍有弹跳运动。弹跳落点81%～95%概率位于岩画赋存区，模拟落石在该区域的能量为321～7451ikJ；落石最终在游客栈道弹跳数次后能量变为0，停留在游客栈道处，栈道处能量为331～7116ikJ（图4a）。（2）孤石带型孤石运动过程中起始运动状态为弹跳，在植被覆盖段开始转为滚动和滑动，坡度变大后恢复为弹跳运动。其中30%～50%的落石最终落点在坡体岩画赋存区以上，其余落石弹跳落点52%～72%位于岩画赋存区，落石在该区域能量为341～8412ikJ，并且同一块落石存在多个弹跳落点位于岩画赋存区，落石在游客栈道处能量为434～7698ikJ（图4b）。（3）泥石流沟型落石运动过程中起始运动状态以滚动和滑动为主，直到坡底坡角变大时才转为弹跳。70%～92%落石最终落点在游客栈道或者更远，且弹跳落点68%～89%位于岩画赋存区，落石在该区域的能量为301～7841ikJ，在游客栈道处能量为299～7378ikJ（图4c）。在孤石失稳滚落过程中，和岩石坡面发生碰撞时，由于该地区岩石力学性质较好，抗压强度可达180iMPa，其碰撞破裂速度阈值较高，因此模拟中暂未考虑碰撞破裂效应（吕庆等，2017）。

表3 34处孤石滚落模拟结果Table 3 Simulation results of thirty-four rockfalls

图4 不同类型落石轨迹模拟图Fig.4 Simulation diagram of different rockfall trajectories

由以上对34处孤石的滚落过程和能量变化模拟结果的分析可知：（1）任意一种类型的孤石，弹跳落点有52%～95%的概率在岩画赋存区，所具有能量为301～8412ikJ。（2）任意一种类型的孤石，最终落点有51%～95%的概率在游客栈道，所具有能量为299～7698ikJ。由此可见，全部类型孤石都会威胁到岩画、游客和设施，且落石都具有高动能的特点，会对岩画、游客和道路产生巨大破坏。因此亟须对孤石采取必要的治理措施。

3 孤石静态破碎实验

由于贺兰山岩画保护区是我国重点文物保护单位且对环境风貌要求严格，因此坡中设置谷坊、坡底设置拦石墙、架设主动防护网和被动防护网等方法被限制使用。虽然不同类型的孤石运动路径有差异，但最终落点都严重威胁岩画和游客安全，因此人工清理孤石是适合该区域孤石源头治理的最佳方案。但研究区赋存孤石体积大，所处坡面坡度大，导致人工清理不仅难度大，且安全性不高。机械破碎、炸药爆破会对岩画载体产生不同程度的扰动，而静态破碎剂因其污染小、无震动、无飞石的特点更适用于文物区孤石破碎处理。但静态破碎剂的破碎效果受制于破碎岩体的岩性、当地温度气候特征等因素，因此需要现场进行破碎剂布置方案优化试验，对破碎剂布置的布孔方式、水灰比、药量等布置参数进行遴选，得出适用于该地区的破碎剂布置方案。

3.1 实验设计

实验选择已经滚落于沟底的孤石体积和上述34处孤石中优势体积相近的8块孤石布置不同组方案平行对照实验。实验共分3步进行：第1步共设定3组不同水剂比（0.28、0.32、0.36），采用同样的布孔方式（图5a、图5b），观测其破碎时间、效果和膨胀压力变化，得出最优水剂比；第2步进行平行布孔和梅花布孔的布孔方式对比（图5c、图5d），采用第1步得出的水剂比，对比破碎时间、碎石体积和破碎剂用量结果，得出最优布孔方式；第3步得到最优水剂比和布孔方式后，设计间排距和抵抗线对比实验，布置3组不同的间排距和抵抗线（A组间排距20icm抵抗线20icm；B组间排距20icm抵抗线25icm；C组间排距25icm抵抗线25icm），分别对破碎过程中应变变化进行监测（图5e、图5f），最后依据应变变化结果和破碎后体积对比后得出最终布置方案（戴银所，2015）。

图5 破碎剂实验过程图Fig.5 The experimental process of static crushing agent

3.2 实验方法与材料

实验静态破碎剂选用东科建材生产的HSCA－Ⅱ型，该破碎剂适用温度为10～25i℃，12ih内可产生大于45iMPa的膨胀压力。应变监测设备采用东华测试生产的DH3816N静态应变测试系统，数据采集箱可以通过USB口和笔记本计算机通讯；采集用应变片为定制120－100AA混凝土应变片，该应变片室温应变极限为20i000iμm·m－1。称重使用量程50ikg的手提式电子秤。

膨胀压力监测是在钻孔周围布置应变片，监测裂隙产生前应变变化，配合岩石弹性模量监测破坏前膨胀应力变化。应变监测主要分为以下几步：（1）依次选定合适的试块按照设计方案进行应变监测设备布置，在试块上表面指定位置粘贴电阻应变片，用于监测破碎过程应变变化；（2）布置完监测设备以后进行破碎剂灌注，灌注时应该注意破碎剂浆液应保证随用随配，灌浆时间少于5imin；（3）灌注完成后立刻进行应变连续监测；（4）等待石块完全破碎后对破碎的石块进行称重，对比破碎后碎石质量、应变变化，对最佳方案进行遴选。

3.3 实验结果与分析

3.3.1 水剂比的影响

如图6所示，不同水剂比的静态破碎剂实验结果如下：（1）三种水剂比中从灌入开始凝固到产生膨胀，再到开始产生裂缝，最后完全破碎所用时间为0.28最短，0.32次之，0.36最长；可灌入难易程度为0.36最优，0.32次之，0.28最差（图6a）。（2）不同水剂比破碎后碎石最大质量分别为0.28水剂比产生最大碎石质量6.9ikg，0.32水剂比为11.9ikg，0.36水剂比为19.7ikg。（3）不同水剂比膨胀压力曲线随时间的变化趋势是一致的，大约分为3个阶段：初期压力缓慢增长阶段、随着水化反应进行压力快速增长阶段和后期压力稳定阶段（图6b）。鉴于破碎剂灌入时间严格控制在10imin以内，灌入度差会影响破碎效果，治理要求应该尽可能快地完成破碎且破碎后不能有体积过大碎石（人工斜坡搬运极限为15ikg），因此该区域孤石治理建议采取0.32水剂比。

图6 不同水剂比破碎效果对比图Fig.6 Comparison chart under the effect of different water cement ratios

3.3.2 布孔方式的影响

不同布孔方式的静态破碎剂实验结果如下：（1）平行布孔条件下，裂缝横向贯通和纵向贯通均匀，破碎后岩块体积均匀；梅花布孔条件下，裂缝贯通效果较差，破碎形成岩块体积大小不一（图5g、图5h）。（2）梅花布孔条件下，裂隙贯通时间、破碎时间和破碎形成岩块质量均远大于平行布孔；而用剂量梅花布孔稍小于平行布孔（图7）。鉴于平行布孔可以预期破碎过程裂隙贯通时间和破碎时间较短，破碎后碎石最大质量便于人工清理，因此该区域孤石治理采用平行布孔的方式。

图7 不同布孔方式实验对比图Fig.7 Comparison chart under the effect of different arrangement of holes

3.3.3 间排距及抵抗线的影响

如图8所示，不同间排距应变静态破碎剂实验结果如下：（1）三组应变随时间变化曲线都大致可以分为4个阶段：膨胀力初期变化小，加之岩体强度较大，应变缓慢增长阶段；随着膨胀剂水分蒸发，膨胀力增大，贴于岩石表面的应变片应变迅速增长阶段；当变形过大产生裂隙后裂隙互相挤压后应变回落阶段；应变最终达到一个稳定值，呈一条直线，应变稳定阶段，此时应变片基本失效。（2）实验A中应变缓慢增长阶段结束点时间为18i120is，实验B为24i545is，实验C为25i805is，实验A应变产生剧变所需时间最短。（3）实验A中应变快速增长达到峰值所用时间为24i420is，实验B为29i045is，实验C为31i560is，实验A试块达到应变峰值（即破坏最大）点所需时间最短。（4）实验A试块完全破坏后岩块重量最大为8.4ikg，相较于实验B最大岩块质量15.5ikg和实验C最大岩块质量22.5ikg，实验A破碎效果最好。鉴于实验A方案破坏时间短，破坏形成碎石质量小，便于人工清理。因此该区域落石治理破碎剂建议采取间排距和抵抗线20icm的布置形式。