坡面落石防治研究初探

杜 凱

（四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八二大隊(duì)，四川 德陽 618000）

引言

2008年5月12日下午2:28分，四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級(jí)大地震，震中位于汶川縣映秀鎮(zhèn)，地震烈度達(dá)Ⅺ度。地震給四川省造成極為嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)因地震引發(fā)了大量的崩塌、落石等次生地質(zhì)災(zāi)害阻斷交通，堵塞河流，威脅民房和安置點(diǎn)，對(duì)災(zāi)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全形成嚴(yán)重威脅。因此對(duì)崩塌落石的形成機(jī)制、破壞模式、危害范圍及治理方式的研究是十分必要的。

1 崩塌落石研究現(xiàn)狀

崩塌是陡坡上的巨大巖土體，在重力或其他外力作用下，突然脫離母體向下崩落、滾動(dòng)、堆積在坡腳（或溝谷）的地質(zhì)現(xiàn)象。

按崩塌體的物質(zhì)構(gòu)成分類：可分為巖體崩塌和土體崩塌兩大類。

按崩塌發(fā)生的形式分類：可分為傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌和錯(cuò)落式崩塌等。

落石是陡峻斜坡上的個(gè)別巖石塊體在重力或其他外力的作用下，突然向下滾落的現(xiàn)象。

按落石的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類：可分為轉(zhuǎn)動(dòng)式、滑移式、直落式。

按落石崩落到地面的運(yùn)動(dòng)形式分類：可分為直落式、直落跳躍式、跳落式、滑落式、滾落式。

目前為止，對(duì)落石運(yùn)動(dòng)的解析主要有歷史調(diào)查法和公式計(jì)算法。首先歷史調(diào)查法，即通過對(duì)危巖歷史上發(fā)生崩塌落石的位置、方量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)下部建構(gòu)筑物的破壞情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定性得出危石運(yùn)動(dòng)軌跡；然后在根據(jù)能量守恒定律，結(jié)合斜坡、崩塌體的形態(tài)特征、運(yùn)動(dòng)方式等進(jìn)行計(jì)算。最終通過兩種方式的比較，綜合得出該段危石失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)軌跡。

現(xiàn)在對(duì)落石的防治措施根據(jù)作用機(jī)理主要有主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)措施有：主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、清除危石、嵌補(bǔ)、錨桿、錨索加固、灌漿；被動(dòng)防護(hù)措施有被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、落石平臺(tái)、落石槽、攔石墻、攔石堤。

2 ×××不穩(wěn)定斜坡落石防治研究

2.1 自然地理環(huán)境條件

×××不穩(wěn)定斜坡位于九寨溝縣安樂鄉(xiāng)下雙河村，地理坐標(biāo)為北緯33 ° 19′13.3″，東經(jīng)104 °13′54.9″，海拔約1870m。區(qū)內(nèi)交通以陸路為主，有直達(dá)的通村公路相聯(lián)。

工程區(qū)內(nèi)總體為構(gòu)造侵蝕中山地貌，×××不穩(wěn)定斜坡總體呈扇形，為山前突出的山嘴。斜坡縱向長(zhǎng)約320m，寬約350m，前緣至×××坡腳，分布高程1780m-1800m，后緣至斜坡第一緩坡帶，分布高程約2000m-2020m，斜坡的后緣無基巖出露；最大相對(duì)高差為220m。斜坡總體坡向約180°，坡面總體上平直，斜坡的總體坡度在40°左右，下部坡度較中上部坡度陡，下部坡度在38°-42°，中上部坡度多為33°-40°。

據(jù)踏勘調(diào)查和查閱區(qū)域地質(zhì)資料，斜坡下伏基巖為二疊系下統(tǒng)第三段板巖，產(chǎn)狀240°-265°∠23°-32°，從天然露頭來看，基巖主要由兩組結(jié)構(gòu)面切割，其間距約為1m-2m，巖體整體較完整，穩(wěn)定性較好。坡體上的覆蓋層主要為第四系的崩坡積物，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得知，崩坡積物主要為含塊石的碎石土，空隙充填淺黃色粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)較為致密，自然穩(wěn)定性較好，厚度2m-15m。在斜坡的后緣斜坡坡度在33°-35°，為第四系覆蓋層。

表1 落石運(yùn)動(dòng)軌跡和沖擊能計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

該不穩(wěn)定斜坡主要受區(qū)域內(nèi)南北向構(gòu)造、東西向構(gòu)造和白馬弧形構(gòu)造作用。

2.2 坡面危石形成機(jī)制及失穩(wěn)模式

坡面上危石多嵌入土體，當(dāng)受降雨、地震影響，在局部地形較陡坡面，表層土體極易流失，土中較大的塊石全出露或半出露于地表，此時(shí)，當(dāng)較大塊石底部土體流失后，在塊石的底部掏蝕形成了空腔，整個(gè)塊石的重心外移，在地震、降雨、人類活動(dòng)等外界因素的擾動(dòng)下，塊石將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，向下滾落，從而形成落石災(zāi)害。

由于斜坡坡度不大，坡面上塊石失穩(wěn)后多沿自然坡面向下滾動(dòng)，若在向下滾動(dòng)過程中，落石與下部巖體發(fā)生碰撞，將產(chǎn)生跳躍向下作斜拋運(yùn)動(dòng)，最后停落在坡腳。

斜坡坡面上危石多以危石底部土體流失、重心外移失穩(wěn)、向下滾動(dòng)的失穩(wěn)模式出現(xiàn)。

2.3 坡面危石運(yùn)動(dòng)分析

本次分析主要采用了歷史調(diào)查法和公式計(jì)算法兩種方式對(duì)×××不穩(wěn)定斜坡的危石失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。首先歷史調(diào)查法，即通過對(duì)該段危巖歷史上發(fā)生崩塌落石的位置、方量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)下部建構(gòu)筑物的破壞情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定性得出危石運(yùn)動(dòng)軌跡；然后在根據(jù)能量守恒定律，結(jié)合斜坡、崩塌體的形態(tài)特征、運(yùn)動(dòng)方式等進(jìn)行計(jì)算。最終通過兩種方式的比較，綜合得出該段危石失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.3.1 歷史調(diào)查

通過對(duì)危石區(qū)和下部落石調(diào)查，得出區(qū)內(nèi)落石粒徑一般為0.02m-1.0m，危石的體積為0.001m3-1.0m3。滾落的距離最遠(yuǎn)離坡腳約為40m。落石主要威脅坡腳的村民住房。

2.3.2 公式計(jì)算法

落石在坡面的運(yùn)動(dòng)模式有兩種，一種是滾動(dòng)或滑動(dòng)模式，另一種是彈跳模式，在此計(jì)算模型中，θ為邊坡的坡角，H為計(jì)算參考起始坡面高度，h為彈跳模式中的落石起始位置離坡面的高度。計(jì)算中落石運(yùn)動(dòng)速度以與坐標(biāo)軸方向一致時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，危石在上段坡面上主要是以滾動(dòng)的方式啟動(dòng)，在下部遇到有利的微地貌時(shí)，發(fā)生彈跳運(yùn)動(dòng)。因此本次采用彈跳及滾落組合模式對(duì)危石軌跡和沖擊能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

運(yùn)動(dòng)軌跡：設(shè)落石初始速度的水平和鉛直（x和y）方向的分量分別為νx0和νy0和，在t時(shí)刻時(shí)落石的位置或其運(yùn)動(dòng)軌跡可以由下式計(jì)算確定：

式中（H＋h）為落石初始高度。坡面線的方程式為：

由上式可得出落石的拋物線路徑和坡面交點(diǎn)即下次彈跳的起始坐標(biāo)為：

運(yùn)動(dòng)速度：落石拋物線軌跡與地面相交即觸地前的瞬時(shí)速度分量為：

由于坡面上法向和切向阻尼系數(shù)Rn和Rt的減速作用，落石觸地反彈以后再次彈跳的初始分量為：

運(yùn)動(dòng)計(jì)算：根據(jù)上述公式，分別選取體積為0.1m3、0.2m3到0.5m3的危石，以，PX2-PX2’、 PX3-PX3’、 PX4-PX4’剖面為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算軌跡采用彈跳+滾動(dòng)模式分別進(jìn)行崩塌軌跡和沖擊能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，坡體上的落石形成后，主要的運(yùn)動(dòng)方式是滾動(dòng)，其次為彈跳。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)落石軌跡的初步研究，落石在上部（小路的上面）主要以滾動(dòng)為主，因沿途植被較好，并且不斷消能，但是遇到小路時(shí)，因小路路面多為較大的塊石或基巖，當(dāng)落石能量較大時(shí)，將發(fā)生彈跳，彈跳的高度最高可達(dá)12m，落石的粒徑主要集中在20cm-30cm，調(diào)查到的最大落石體積為0.5m3，但是該坡面上發(fā)育一些在1.0m3左右的危石可能形成落石，所以計(jì)算粒徑擴(kuò)大到1.0m3。經(jīng)計(jì)算，落石在底部1788m處的的最大沖擊能在989kJ左右，如在坡腳攔擋1m3時(shí)的沖擊動(dòng)能約為689kJ-989kJ，彈跳高度在3.4m-3.5m左右。在1852處的最大沖擊能在614kJ左右，如在該處設(shè)置攔擋網(wǎng)時(shí)的沖擊動(dòng)能約為614kJ-881kJ，彈跳高度在3.3m-3.5m左右。計(jì)算得到的軌跡圖與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查到的落石運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，落點(diǎn)分布范圍基本吻合。由軌跡圖可以看出，落石在中下部受微地貌（小路）的影響，發(fā)生彈跳運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的距離較遠(yuǎn)，沖擊動(dòng)能較大。

×××不穩(wěn)定斜坡的落石來源主要是覆蓋層中的塊石，當(dāng)坡面土體侵蝕到一定程度后，塊石臨空，形成落石。“5.12”地震后，對(duì)坡體土體有一定的松動(dòng)作用，表面土體抗雨水侵蝕能力有所減弱，所以地震后崩塌量較震前有所增加。如果坡體的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的變化，覆蓋層中的塊石將在雨水的侵蝕下將繼續(xù)形成落石災(zāi)害。

結(jié)語

通過對(duì)×××不穩(wěn)定斜坡研究，采用歷史調(diào)查法和公式計(jì)算法對(duì)落石運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，獲得如下認(rèn)識(shí)。

×××不穩(wěn)定斜坡中上部為一老崩塌堆積體，老崩塌體為碎石土組成，碎石土中夾有粒徑較大的塊石，在人類活動(dòng)或降雨條件下，斜坡上碎石土中充填土被坡面水流侵蝕，從而致使塊石暴露在坡面上，形成危石來源。位于坡面上的危石在雨水的作用下，掏蝕危石下部土體，形成凹腔，使其重心位移，從而發(fā)生滾動(dòng)形成坡面落石災(zāi)害。坡面落石的影響因素主要為地震、降雨和人類活動(dòng)的影響，其中降雨是主要影響因素。

對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成中有大粒徑塊石存在的坡體，坡體內(nèi)塊石在一定條件下有轉(zhuǎn)化為坡面危石，進(jìn)而形成坡面落石的可能。此類坡面落石的初始運(yùn)動(dòng)模式多為滾動(dòng)，當(dāng)在下落過程中與坡體發(fā)生碰撞彈跳，其運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生變。對(duì)此類坡面落石的治理措施可盡量采用主動(dòng)防護(hù)措施，若沒有足夠條件也可結(jié)合被動(dòng)防護(hù)措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的防治。

[1]胡厚田.《崩塌與落石》.中國(guó)鐵道出版社,1989年.

[2]蘇勝忠.《邊坡工程勘察中崩塌落石運(yùn)動(dòng)模式及軌跡分析》.工程地質(zhì)學(xué)報(bào),第19期,2011年.