某采氣場進場道路崩塌落石運動特征及防護措施

吳 剛，馮文凱，廖 軍，黃家華

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

某采氣場進場道路崩塌落石運動特征及防護措施

吳 剛，馮文凱，廖 軍，黃家華

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

崩塌落石是西南山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害,為合理地治理崩塌落石災(zāi)害,基于對某采氣場進場道路崩塌邊坡的詳細野外調(diào)查,評價了該邊坡的穩(wěn)定性,同時采用運動學(xué)原理計算了崩塌落石的運動特征量,并利用Rockfall軟件進行數(shù)值模擬驗證,模擬結(jié)果與運動學(xué)原理計算結(jié)果相符合,最后針對該邊坡所帶來的安全隱患,提出了“清除危巖+攔石墻+落石槽”的防護措施。

崩塌落石；運動特征量；模擬驗證；防護措施

崩塌落石作為斜坡災(zāi)害中常見的災(zāi)害模式,是西南山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。崩塌落石的危害性主要體現(xiàn)于災(zāi)害發(fā)生時,落石具有較大的運動速度、沖擊能量以及彈跳高度,對處于其下方的居民及基礎(chǔ)設(shè)施安全構(gòu)成極大的潛在危害。因此,開展對崩塌落石運動特征的研究,合理確定與其危害性緊密相關(guān)的運動速度、沖擊能量以及彈跳高度,對后期提出合理的防治建議,保證人民生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。

目前對崩塌落石運動特征已取得了不少研究成果。如羅田[1]采用運動學(xué)公式,計算了巖石邊坡落石運動特征量,并設(shè)計正交試驗研究了影響邊坡運動特征的因素,指出邊坡坡度是影響落石運動特征的最主要因素。趙艷華[2]對寶成鐵路K400+000—K400+170段的崩塌體落石進行飛行彈跳計算,并采用數(shù)值模擬的方法進行驗證。趙麗娜[3]基于隨機概率統(tǒng)計理論,對巖石邊坡滾石運動軌跡進行了預(yù)測,取得良好的效果。

本文結(jié)合詳細的野外調(diào)查, 利用運動學(xué)理論公式對某采氣井場進場道路崩塌落石的運動速度、沖擊能量以及彈跳高度等運動特征量進行計算, 并利用Rockfall軟件進行驗證, 最終給出相應(yīng)的防治對策, 以期為類似的工程提供一定的參考和借鑒意義。

1 崩塌區(qū)地質(zhì)條件及穩(wěn)定性評價

1.1 地質(zhì)條件

所研究的崩塌區(qū)位于某采氣井場進場道路K0+000—K0+115段內(nèi),屬低山丘陵地貌,平均海拔450 m。該區(qū)為人工開挖形成的裸露巖質(zhì)斜坡(圖1),坡度為53°～58°，高約17 m,巖性主要為白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)砂巖,強-中風(fēng)化,巖層產(chǎn)狀為150°∠9°,整體發(fā)育有兩組主卸荷裂隙,同時局部還發(fā)育有兩組次卸荷裂隙(表1、圖2～圖5)。巖質(zhì)斜坡以下為修筑進場道路時人工堆積的碎石土進場道路以及碎石土堆積的路堤(圖3),其中,碎石土進場道路壓實度較好,而進場道路路堤均為松散堆積。

表1 裂隙發(fā)育表

圖1 崩塌區(qū)工程地質(zhì)平面圖

圖2 崩塌區(qū)全貌圖(鏡頭方向SW102°)

圖3 崩塌區(qū)K0+051.40剖面

圖4 崩塌區(qū)主控節(jié)理裂隙圖

圖5 崩塌區(qū)局部節(jié)理圖

1.2 崩塌斜坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)表1對崩塌斜坡上發(fā)育的節(jié)理裂隙的表述,采用赤平投影方法(圖6)進行斜坡穩(wěn)定性分析：巖層傾向、節(jié)理①、②均與邊坡大角度相交,夾角大于45°。交線傾角小于坡角，巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性較好。但由于局部卸荷裂隙③、④將巖體切割成塊狀-次塊狀,極易在自身重力作用下發(fā)生崩塌破壞,對處于其下的道路路基與過往行人車輛造成嚴(yán)重的傷害。

圖6 崩塌區(qū)節(jié)理裂隙赤平投影圖

2 落石飛行彈跳運動特征量計算

崩塌落石運動的基本形式主要有4種：滑動、飛落、碰撞以及滾動。在崩塌落石的實際運動中,以上4種運動方式復(fù)合存在,鑒于實際運動過程較為復(fù)雜,為方便研究分析,常對落石的運動進行以下簡化[4-7]：

(1) 將落石考慮為質(zhì)量分布均勻的剛性體,不考慮落石實際運動中相互碰撞所引發(fā)的能量轉(zhuǎn)換及落石的破碎情況;

(2) 不考慮實際運動過程中空氣阻力的影響;

(3) 不考慮落石沖擊對邊坡坡形的影響。

前人的研究成果表明:邊坡坡度是影響落石運動特征量的最主要因素,即坡度越大,其運動特征量也越大,失穩(wěn)破壞時所帶來的危害就越大。因此,本文選取巖質(zhì)邊坡坡度最大的剖面,即K0+051.40剖面進行計算,其坡度為58°,計算剖面見圖3。為防止落石強大的沖擊能量對道路以及過往行人安全的威脅,根據(jù)實際地形,擬在巖質(zhì)邊坡與碎石土邊坡之間的巖質(zhì)平臺上修筑攔石墻,因此,此次關(guān)于崩塌落石運動特征量的計算主要關(guān)注于巖質(zhì)邊坡以及平臺處落石的運動速度、沖擊能量以及彈跳高度的計算。

分析該剖面可知,落石的初始運動主要為沿坡面滑動或滾動,運動到坡腳后沖擊平臺處基巖,之后做彈跳運動。

(1) 落石速度計算

落石脫離母巖作初始運動時,主要受自重力與坡面阻力的影響,其運動速度公式為：

(1)

式中：k為落石沿坡體運動所受的綜合阻力特性系數(shù),可按表2計算得到；H為石塊墜落高度,m；g為重力加速度,m/s2；α為山坡坡度角,(°)。

計算結(jié)果見表3。

表2 阻力特性系數(shù)K值計算公式表

表3 崩塌落石速度計算結(jié)果

(2) 落石彈跳高度計算

崩塌落石沖擊到基巖平臺時,由于速度和沖擊角度較大,落石將發(fā)生彈跳運動,其運動軌跡的曲線方程可根據(jù)運動學(xué)原理進行計算。計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：φ為速度入射角；γ為速度反射角；λ為碰撞時瞬間摩擦系數(shù)；ρ為碰撞時瞬間恢復(fù)系數(shù)；VR為入射速度；V0為反射速度；Hmax為落石彈跳的最大速度。其中，λ與ρ取值可根據(jù)工程經(jīng)驗確定，崩塌落石彈跳計算結(jié)果見表4。

表4 崩塌落石彈跳計算結(jié)果表

(3) 落石沖擊能量計算

根據(jù)運動學(xué)公式中動能公式為

(5)

計算可得崩塌落石的沖擊能量為163.42kJ(根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,崩塌落石的直徑一般小于1.0m,沖擊能量按最危險情況計算,落石直徑取1.0m,落石密度根據(jù)工程經(jīng)驗取2 670kg/m3)。

3 Rockfall數(shù)值模擬驗證

Rockfall是模擬崩塌落石運動特征的二維軟件[8],通過輸入地形坡度、法向與切向的阻尼系數(shù)、坡面摩擦角以及落石的位置和初始運動特征,計算得出落石的運動速度、彈跳高度以及沖擊能量等運動特征量。其中,Rockfall軟件在進行計算時,將落石考慮為質(zhì)量分布均勻的剛性體,且不考慮落石運動過程中落石之間的碰撞以及空氣的阻力[6],與采用運動學(xué)理論計算時對模型簡化的思路一致,并且Rockfall軟件可設(shè)定落石的數(shù)量,最終以概率統(tǒng)計的形式將落石的運動特征量進行統(tǒng)計,這樣就大大降低了僅做一次分析所帶來的偶然性錯誤[9]。

選取剖面K0+051.40進行模擬計算,從坡頂?shù)狡履_,斜坡巖土體依次表現(xiàn)為第四系覆蓋層-裸露巖質(zhì)邊坡-裸露巖質(zhì)平臺-碎石土路堤-碎石土路基-碎石土路堤,分別采用A、B、C、D、E、F和G進行分段編號。結(jié)合斜坡各坡段特征,根據(jù)工程經(jīng)驗值表5[10]確定斜坡各段法向阻尼系數(shù)、切向阻尼系數(shù)以及坡面摩擦角,對斜坡進行設(shè)置,各段參數(shù)見表6，所建立的模型見圖7。

選取落石質(zhì)量與前述計算落石沖擊能量的重量一致,均為2 095.95kg,落石初始速度以及角速度均為零,進行計算。

表5 斜坡恢復(fù)系數(shù)工程經(jīng)驗取值表

表6 邊坡各坡段基本參數(shù)

圖7 模型計算圖

由圖8落石的運動軌跡圖得知,在整個運動過程中,落石共經(jīng)歷6次彈跳運動,最終運動至FG段下部,即落石最終運動至碎石土路基邊坡,表明崩塌區(qū)一旦發(fā)生災(zāi)害,落石脫離母巖體之后將會對進場道路路基及過往行人的安全帶來威脅。落石所發(fā)生的運動方式見表7。

圖8 邊坡各段落石運動軌跡圖

表7 邊坡各段落石運動方式

斜坡分段運動方式BC滾動或滑動CD彈跳運動DE先彈跳,后滾動滑動EF先彈跳,后滾動滑動FG先彈跳,后滾動滑動

由于現(xiàn)場調(diào)查時根據(jù)實際的地形地貌以及防治目標(biāo),擬定在巖質(zhì)平臺上即CD段設(shè)置攔石墻攔截落石,因此,進行落石運動特征量的分析時主要考慮BC段與CD段的運動特征量。

由圖9～圖11可知,落石在BC與CD段的運動特征量分別為:落石最大的彈跳高度為0.46m,落石最大的沖擊能量為170.82kJ,落石最大的運動速度為13.23m/s。對比采用運動學(xué)原理計算所得的結(jié)果顯示(表8)，兩者計算結(jié)果較接近,且沖擊能量以及運動速度的相對誤差均較小(小于5%)。彈跳高度的絕對誤差為0.07m,相對誤差為15.22%的原因在于落石在BC段的運動方式為滾動或滑動,其滾動至坡腳時具有較高的角速度,而采用運動學(xué)原理計算時并未考慮角速度的影響。因此Rockfall模擬結(jié)果可客觀反映研究區(qū)崩塌落石的運動特征。

圖9 邊坡各段落石彈跳高度圖

圖10 邊坡各段落石沖擊能量圖

圖11 邊坡各段落石運動速度圖

綜合以上分析可知,Rockfall所模擬的落石的運動軌跡以及落石的運動特征量均與實際運動學(xué)公式較為接近,因此,Rockfall所模擬的結(jié)果可以客觀反映崩塌區(qū)落石的運動規(guī)律,也間接證明了運動學(xué)原理計算結(jié)果的合理性,可為該區(qū)域進一步災(zāi)害治理提供相應(yīng)有效的基本參數(shù)。

表8 計算結(jié)果對比表

4 防治方案建議

基于以上對該區(qū)崩塌落石運動路徑及運動特征量的分析和計算,結(jié)合現(xiàn)場實際的調(diào)查情況,采用“危巖清除+攔石墻+落石槽”的綜合工程治理方案。

(1) 危巖清除:危巖清除不僅將坡頂覆蓋層上散落的孤石以及坡面上破碎的巖塊清理掉,并且需要清除卸荷裂隙深度內(nèi)的巖塊,清除深度以裂隙擴展的深度為準(zhǔn)。

(2) 攔石墻:攔石墻的設(shè)置主要考慮設(shè)定的位置、高度以及寬度。攔石墻的位置主要考慮實際地形以及落石的運動路徑,從運動學(xué)公式計算以及Rockfall對落石運動的模擬可知,落石在巖石平臺最外側(cè)時所受到的沖擊能量最小,且在該處設(shè)置攔石墻將有效的防止落石直接運動至路基處,因此,擬將攔石墻設(shè)置于裸露巖質(zhì)平臺外側(cè)。攔石墻的高度設(shè)置主要考慮崩塌落石的最大彈跳高度,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11]規(guī)定,擬設(shè)攔石墻的高度為2.4m(攔石墻應(yīng)至少嵌入基巖0.5m[12])。攔石墻寬度的設(shè)定主要考慮其所受的沖擊力,根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》[11](JTGD30-2004)中對落石沖擊力的計算以及沖擊力在緩沖層中的擴散的原理[13-15],確定最終作用于攔石墻上的沖擊力為24.41kPa,可設(shè)定攔石墻頂寬為0.8m,攔石墻內(nèi)側(cè)需設(shè)置緩沖層,緩沖層頂寬為1.0m。

(3) 落石槽:落石槽主要的作用在于減緩落石沖擊力以及攔蓄落石的作用,為減緩落石的沖擊力,在落石槽內(nèi)鋪設(shè)0.5m厚的碎石土。

此外,還需在崩塌區(qū)外設(shè)置截排水溝,以防止水的長期侵蝕作用對崩塌區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合詳細的野外調(diào)查與對崩塌落石運動特征以及防止方案的分析,得出以下幾點主要認(rèn)識和結(jié)論:

(1) 該研究區(qū)崩塌巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性較好,局部穩(wěn)定性較差,易發(fā)生崩塌落石的災(zāi)害,需進行治理；。

(2) 采用運動學(xué)公式計算得落石在巖石平臺以上最大彈跳高度為0.39m,最大沖擊能量為163.42kJ,最大運動速度為12.94m/s,與Rockfall軟件的模擬結(jié)果極為相近,表明計算所得的結(jié)果可客觀地反映崩塌落石的運動特征；

(3) 根據(jù)計算和模擬所得的結(jié)果,采用“危巖清除+攔石墻+落石槽”的綜合工程治理方案對該崩塌區(qū)進行治理設(shè)計,其中攔石墻的高度為2.4m,頂寬為0.8m,攔石墻設(shè)置于裸露巖石平臺的外側(cè)。

[1] 羅 田.巖質(zhì)邊坡危巖運動特征和防護研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[2] 趙艷華.寶成鐵路K400+000～170崩塌穩(wěn)定性分析及防治措施研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[3] 趙麗娜,周科平,高 峰，等.露天礦邊坡滾石運動特征及控制[J].災(zāi)害學(xué),2008,23(3):76-79.

[4] 于懷昌,余宏明,劉漢東.邊坡滾石運動學(xué)參數(shù)敏感性[J].山地學(xué)報，2010,28(2):154-160.

[5] 吳順川,高永濤,楊占峰.基于正交試驗的露天礦高陡邊坡落石隨機預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006,25(1):2826-2832.

[6] 高云河,雷建海,田景富，等.流杯池小區(qū)危巖落石運動特征分析及其防治建議[J].地球與環(huán)境，2005,33(3):150-154.

[7] 胡厚田.崩塌與落石[M].北京:中國鐵道出版社,1989.

[8] 王 爽,周曉軍,郭 瑞，等.隧道洞口落石運動特性數(shù)值模擬[J].鐵道建筑，2013(12):43-44.

[9]SongShuzhi,KongJiming.Analysisofrockfallanditsimpactonthecut-and-covertunnelindynamics[J].WuhanUniversityJournalofNaturalSciences, 2006,11(4):905-909.

[10] 賈振華，張 勇，傅靜雯.危巖崩塌運動軌跡特征的Rockfall數(shù)值模擬研究[J].科技廣場，2011(8):228-230.

[11] 中華人民共和國交通部.JTGD30-2004公路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[12] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50330-2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[13] 葉四橋,陳洪凱,唐冬梅.基于落石計算的半剛性攔石墻設(shè)計[J].中國鐵道科學(xué)，2008,29(2):17-22.

[14] 葉四橋,陳洪凱,唐冬梅.落石沖擊力計算方法[J].中國鐵道科學(xué)，2010,31(6):56-62.

[15] 葉四橋,陳洪凱,唐冬梅.落石沖擊力計算方法的比較研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010,37(2):59-64.

Motion Characteristics of Rock Falls and Control Measures of Collapse Hazards for the Access Road of A Gas Field

WU Gang, FENG Wenkai, LIAO Jun, HUANG Jiahua

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Collapses and rockfalls are common geological disasters in southwest mountainous areas. In order to effectively control and manage the disasters, a detailed survey on a collapsed slope of the access road to a gas field was carried out, followed by the evaluation of the slope stability. Meanwhile, the motion characteristic quantity of the rock fall was calculated using kinematics and then verified with the simulation software Rockfall. The simulation results showed consistency with the kinematics. Finally, regarding to the collapse hazards of this slope, the control measure of “clear dangerous rocks, install stonewall bars and rock fall collection channels” was proposed.

collapse and rock fall; motion characteristic quantity; simulation and verification; control measures

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.006

2015-05-01

2015-06-04

國家自然科學(xué)基金(41172278)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室自由探索課題(SKLGP2011Z004)

吳 剛(1989—)，男，河南原陽人，碩士研究生，研究方向為水工環(huán)及地災(zāi)勘查設(shè)計。E-mail:wg7518187@163.com

P642.21

A

1672—1144(2015)05—0025—06