溜石坡崩塌体运动过程与防治措施研究*

李 壮，杨志全，朱颖彦，雨德聪

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093;2.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093;3.昆明理工大学 云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验室，云南 昆明 650093;4.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

中巴经济走廊是“一带一路”建设的先行先试区，战略意义重大[1]。溜石坡是中巴公路北部地区发育的1类特殊高寒高山冰川地带的边坡地质灾害类型,在中巴公路北段，溜石坡成为交通安全的严重威胁。溜石坡在天然条件下形成休止角，处于临界稳定状态，一旦该状态遭到破坏，会引起坡面连续不断地溜滑与垮塌。天然坡面成为岩崩或滚石的输运通道，直接将落石传输至路面，过往车辆频繁被滚落的巨石或跳跃的石块击中，可能造成车量损毁和人员伤亡[2-5]。

目前众多学者针对滚石运动及溜砂坡防治开展大量研究：何思明等[6-7]针对滚石灾害推导滚石冲击力公式，计算对防护结构的冲击力，模拟并研究滚石法向冲击力及其动力响应特征；毕钰璋等[8]针对高速远程滑坡碎屑流采用二维离散元进行模拟得出防护结构对碎屑流消耗动能的防护作用；孙新坡等[9]通过离散元与有限差分耦合的计算方法，分析崩塌体与拦石墙动力冲击响应，优化拦石墙的设计参数和结构模型；来志强等[10]运用离散元法模拟溜砂坡堆积过程，建立颗粒形态及粒间摩擦因数与溜砂坡堆积形态的相关关系。但是针对中巴公路溜石灾害的研究较少，需进一步研究其防护措施并进行验证。

本文通过分析溜石坡特征与灾害发生过程提出针对溜石灾害的防护措施，基于有限差分与离散元耦合方法，对在溜石灾害发生过程中溜石崩塌体受防护装置影响后的运动状态与公路挡墙动力冲击响应进行分析，从而获得溜石崩塌体运动特征，完善防护装置在溜石灾害防治中的设计理论。

1 溜石崩塌体冲击防护结构数值模型及参数确定

1.1 区域概况

中巴公路地处帕米尔高原腹地，穿越喀喇昆仑山脉、兴都库什山脉和喜马拉雅山脉，地形起伏较大，整体地势北高南低。该区域的冰川、河流、干燥、冰缘等地貌均较发育，此外存在湖泊、重力等多种地貌组合类型[11-12]。中巴公路沿线典型溜石坡分布如图1所示。由图1可知，溜石坡主要分布在苏斯特(Sost，K726)至红其拉甫(Khunjerab Pass，K811)路段，苏斯特以南部分路段也有分布，但规模较小。K777 桩处板岩类溜石坡如图2所示，其形态上呈现上陡下缓的地貌特征。中巴公路沿线溜石坡剖面如图3所示。

图1 中巴公路沿线典型溜石坡分布

图2 K777桩处板岩类溜石坡

图3 中巴公路沿线溜石坡剖面

溜石坡发育在泥岩、板岩及石灰岩分布区。泥岩、板岩及石灰岩的岩性决定溜石坡崩积物颗粒的尺寸粒度与形态随岩石类型不同而变化，同一区域内溜石崩塌体形态统一，是中巴公路沿线岩体受冰劈风化作用下形成的1种独特的山体崩塌现象。

溜石坡堆积区存在“二元结构”。溜石坡坡面堆积层结构由表砾层与底粒层2层组成，上层表砾层由岩砾组成，粒径0.05～0.20 m，厚度约0.15～0.20 m；下层底粒层由含有黏粒的连续级配岩屑组成，相比表层，粒径相差1个数量级以上，有一定层度的固结。从坡顶到坡趾，溜石坡无明显的重力分选作用，坡顶颗粒粒径、堆积层结构与坡脚处无明显变化[13]。

1.2 降速格栅防挡装置介绍

溜石坡由于自身特点导致工程防治较困难，目前常用的稳定措施包括深部固砂、围栏固表、生物治理以及设置重力式挡土墙、棚硐、防冲挡水物、落石台等。结合溜石坡实际情况，提出设置降速格栅挡墙的防护措施，用于减少溜石对公路或桥梁的冲击破坏，同时减少巨石滚落中对过往车辆及行人的潜在威胁。中巴公路降速挡墙模型如图4所示。溜石降速格栅挡墙可选用C30混凝土浇筑，其上均匀分布方孔，孔径与溜石平均粒径相同，可根据实地情况选用的孔径范围为0.1～0.2 m。当坡顶大量溜石夹带巨大滚石突发向下滚落时，大量的溜石和巨大滚石带有巨大的冲击力，若其全部冲到路面上可严重破坏路面堵塞交通，采用降速格栅挡墙，可达到降低溜石滚动速度、减小冲击力、阻止溜石坡规模进一步扩大的目的。

图4 中巴公路降速挡墙模型

1.3 模型概况

根据实地勘测及现场调查报告，K777桩处板岩类溜石坡高程差53.8 m，坡长62.8 m。溜石灾害模拟计算模型如图5所示，大规模溜石体采用PFC中颗粒模拟，根据文献[14-15]对颗粒体构建过程进行优化，溜石降速格栅挡墙、底部基岩、公路挡墙皆由FLAC3D中实体单元模拟，将滑动面与溜石降速挡墙，由zone-wall单元全部覆盖，在模拟过程中进行力的传递，以达到离散元与有限差分单元耦合的目的。溜石崩塌体体积为9.3 m3，为对比不同直径颗粒对降速格栅挡墙和公路挡墙的冲击效果，以及降速格栅挡墙对不同粒径溜石的降速效果，需进行多次模拟，故溜石粒径选取0.15～0.20 m并进行5次模拟，由于溜石坍塌体体积固定，且受半径影响，颗粒数设为1 054～2 466。同时进行1次混合颗粒模拟，颗粒半径选取为0.15～0.20 m，共2 227个颗粒，颗粒半径服从高斯分布。

图5 溜石灾害模拟计算模型

1.4 模型参数选取

Itasca公司为FLAC3D和 PFC3D 提供1种基于Socket(I/O)规则的计算耦合方法。其基本的原理是在 FLAC3D和PFC3D之间建立数据信息通道，通过相互传递信息实现同步耦合计算[16]。

有限差分与离散元耦合溜石坡模拟流程如图6所示。通过此方法可实现大规模溜石垮塌模拟计算。本文所进行的一系列模拟是通过2种软件耦合计算实现溜石与底部基岩、降速格栅挡墙之间力的相互作用，模拟在溜石崩塌发生过程中溜石对底部基岩应力的影响以及降速格栅挡墙对溜石运动过程的影响。在溜石崩塌发生过程中所关心的对象主要为溜石本体，采用有限差分与离散元耦合方法可在达到模拟目的基础上加快运算速率，大幅节约计算时间。文献[17]也表明研究有限差分网格可提高运算精度。

图6 有限差分与离散元耦合溜石坡模拟流程

模拟的参数分为有限差分网格参数与离散元宏微观材料参数。其中有限差分网格参数又分为底部板岩基岩参数与C30混凝土参数，底部板岩参数采用库伦-摩尔(Mohr-Coulomb)本构模型，通过对板岩实验获得参数，通过单轴压缩实验验证模拟结果，单轴压缩应力应变关系曲线如图7所示。C30混凝土在整个模拟过程中属于强度界限以下的人造材料且物理力学参数稳定，所以采用各向同性弹性模型(Elastic Isotropic Model)，并根据文献[18]选取参数，具体参数见表1。

图7 单轴压缩应力应变关系曲线

表1 有限差分区域材料参数

关于阻尼系数，根据文献[19]的数据统一选取切向与法向阻尼系数，均为0.2。离散元颗粒密度采用实验测得板岩颗粒密度，由于在离散元求解方法中，颗粒的接触微观参数决定其宏观运动行为，但是目前针对板岩微观参数的选取并无有效且快速的选取办法，通过分析文献[20-22],对原始参数进行修正标定得到适用于溜石边坡的微观力学参数。在模拟溜石崩落垮塌过程中，颗粒之间呈现松散体状态，模拟颗粒间的接触关系采用线性接触模型(Linear contact model)，离散元颗粒参数见表2。

表2 离散元颗粒参数

2 溜石崩塌体降速效果及防护结构冲击模拟结果分析

2.1 溜石崩塌体运动过程分析

为探究降速格栅挡墙在溜石崩塌体运动过程中的影响作用，选取0.15～0.20 m溜石颗粒进行模拟对比。溜石崩塌体在重力作用下运动的全过程如图8所示。因基岩形变量对应底部有限差分网格变形量，故溜石位移量对应离散元颗粒位移量。由图8可知，在溜石堆积体崩塌过程中溜石崩塌体底部首先滑落，使稳定形态发生破坏，顶部颗粒体随之运动，溜石崩塌体各处颗粒在起始过程中因运动态不同导致后续颗粒体分布于坡面之上。

图8 挡墙作用溜石体滑动演化过程对比

在无降速格栅挡墙防护装置情况下，溜石继续下滑撞击公路挡墙，由于速率较大，部分颗粒飞溅，溢出挡墙落于公路之上，造成安全隐患。

在布置降速格栅挡墙后，溜石在坡面运动中受到挡墙降速作用，粒径小于格栅孔径的溜石颗粒径顺利通过，并在通过挡墙过程中消耗内能降低速率，粒径大于格栅孔径的溜石被阻挡。即使后续溜石部分落于公路，由于溜石粒径较小、速度较低并不会对过往车辆造成影响。

2.2 格栅挡墙降速效果分析

通过ITASCA公司开发的FISH语言撰写程序，利用该程序实时记录每个颗粒瞬时速度，并计算其平均值(运动过程中全部颗粒平均速度变化)。

溜石粒径为0.15～0.20 m情况下，在溜石灾害发生时，有无格栅降速挡墙2种情况下全部溜石平均速度变化情况如图9所示。安装降速格栅挡墙后溜石颗粒对比自然情况提前进入减速状态，在溜石粒径为0.15～0.20 m情况下平均速度峰值下降9.39%。

图9 0.15～0.20 m混合粒径溜石运动平均速率对比

溜石堆积体在0.15～0.20 m不同均匀粒径条件下，有无格栅降速挡墙2种情况下，灾害发生过程中溜石平均速度峰值情况如图10所示，平均运动速度峰值与溜石粒径呈正相关。各均匀粒径下溜石灾害发生过程中，全部均匀溜石颗粒平均速度变化过程与溜石粒径为0.15～0.20 m混合情况下基本相同。

图10 不同均匀溜石粒径运动平均速率对比

不同均匀溜石粒径运动平均速率峰值对比及其降速比变化如图11～12所示。

图11 不同均匀溜石粒径运动平均速率峰值对比

图12 不同均匀溜石粒径运动平均速率峰值降速比

由图11～12可知，降速格栅挡墙对于溜石灾害防护效果随着溜石粒径增大而降低。降速格栅挡墙在溜石灾害发生过程中能够有效降低溜石颗粒动能，降低溜石灾害危险性，且溜石颗粒粒径越小降速效果越明显，降速效果与溜石粒径呈负相关。

2.3 溜石冲击力分析

采用有限差分模拟可计算溜石灾害发生过程中公路挡墙的受力情况，通过公路挡墙受力变化可侧面验证降速格栅挡墙对于溜石灾害的防护作用。

在0.15～0.20 m溜石混合崩塌体运动全过程中，布置格栅挡墙前后公路挡墙应力变化情况如图13所示。由图13可知，布置降速格栅挡墙前存在单一峰值最大冲击力，为1.645 MPa；布置降速格栅挡墙后出现多个峰值且均低于0.6 MPa。故可知在布置降速格栅挡墙后能有效分散溜石集中冲击荷载，将短时高能冲击转换为持续时间稳定冲击荷载，降低溜石崩塌体对于公路挡墙的冲击损伤，提高公路挡墙稳定性，降低溜石灾害风险。

图13 布置格栅挡墙前后公路挡墙应力变化

3 结论

1)布置降速格栅挡墙可通过筛分溜石颗粒有效影响溜石崩塌体运动，避免大粒径溜石落入公路，降低溜石灾害风险。

2)混合粒径溜石与平均粒径溜石在灾害发生过程中平均速度变化趋势基本相同。相同体积溜石崩塌体，溜石粒径与平均运动速度峰值呈正相关，溜石粒径越大平均速度峰值越大，布置降速格栅挡墙能够降低溜石平均运动速度峰值，降速效果与溜石粒径呈负相关。

3)在溜石崩塌体冲击公路挡墙过程中，溜石一次性冲击公路挡墙受应力较大，通过布置降速格栅挡墙可分散冲击过程，降低公路挡墙所受应力，提高稳定性，降低由于溜石崩塌体冲击导致公路挡墙损毁引起交通事故的风险。