西藏玉龍銅礦崩塌落石運(yùn)動(dòng)特征及數(shù)值模擬研究

陳躍

（華北有色工程勘察院有限公司，石家莊 050021）

1 引言

斜坡上已有變形跡象，具有失穩(wěn)破壞征兆的巖塊體，稱為危巖，而危巖的失穩(wěn)過(guò)程亦被稱為崩塌［1]。崩塌一般發(fā)生在堅(jiān)硬巖地區(qū)的高陡邊坡，其形成機(jī)制往往是河流切割或人工開(kāi)挖形成的高陡邊坡在卸荷作用下的應(yīng)力重分布后，在邊坡卸荷區(qū)內(nèi)形成裂縫，同時(shí)與其他節(jié)理裂隙或結(jié)構(gòu)面組合逐步貫通形成危巖體，從而在地震或爆破震動(dòng)、降雨等其他外力作用下導(dǎo)致危巖體突然脫離母體，翻滾、墜落下來(lái)。由于多種因素的影響，多山地帶的崩塌落石事件一般都具有多發(fā)性、突發(fā)性、隨機(jī)性等難以預(yù)測(cè)的規(guī)律，對(duì)交通線路、建筑設(shè)施及人身安全都具有極大的危害。根據(jù)危巖失穩(wěn)破壞的可能性，可將危巖分為墜落式危巖、傾倒式危巖和滑移式危巖［1]。唐紅梅等［2]對(duì)危巖落石的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了研究，獲取了各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)方程；陳洪凱等［3]對(duì)危巖體進(jìn)行了分類研究，同時(shí)對(duì)其破壞機(jī)理和不同類型危巖體的錨固方法進(jìn)行了研究；秦志英等［4]、何思明等［5]對(duì)崩塌落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的碰撞恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行了分析；黃潤(rùn)秋等［6－7]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)落石的啟動(dòng)方式、斜坡坡度、坡面長(zhǎng)度、植被特征及落石質(zhì)量和形狀等指標(biāo)進(jìn)行了分析，這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)崩塌落石的特征及對(duì)其防治具有實(shí)際意義。因此，研究危巖的特征、形成機(jī)制，崩塌落石的運(yùn)動(dòng)路徑、速度及能量大小是進(jìn)行崩塌落石防護(hù)設(shè)施合理設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。

本文以西藏玉龍銅礦的運(yùn)礦道路兩側(cè)的危巖災(zāi)害為實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究對(duì)該道路的危巖特征及形成機(jī)制進(jìn)行分析，并建立地質(zhì)模型，通過(guò)Rockfall數(shù)值軟件模擬落石的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到其速度及能量大小，并對(duì)道路兩側(cè)危巖的防治提出相應(yīng)的建議，為今后對(duì)崩塌落石加深認(rèn)識(shí)和整體防治提供理論依據(jù)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

玉龍銅礦位于西藏自治區(qū)昌都地區(qū)江達(dá)縣青泥洞鄉(xiāng)覺(jué)擁村玉龍溝內(nèi)，西距昌都140 k m，東至江達(dá)縣80 k m，距成都1 150 k m，國(guó)道317線從場(chǎng)地南側(cè)約2.2 k m處通過(guò)，礦區(qū)公路在玉龍溝溝口與國(guó)道317線相連，交通較方便，工作區(qū)交通位置見(jiàn)圖1。工作區(qū)位于青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧?kù)o山脈北段，山脈、山系多呈北北西－南南東方向排列，地形切割程度中等至強(qiáng)烈，運(yùn)礦膠帶道將連接玉龍銅礦采礦區(qū)與廠房，該范圍內(nèi)地形高差較大，海拔高程在4 506～4 765 m間，兩側(cè)山坡地形較陡竣。工作區(qū)地貌屬于“青南藏東川西高原區(qū)”，地貌類型以高山構(gòu)造剝蝕地貌類型為主，構(gòu)造侵蝕－溶蝕地貌、侵蝕堆積地貌及冰川地貌次之。

2.2 地層巖性

本次研究工作區(qū)及周邊的地層巖性較單一，運(yùn)礦道路兩側(cè)山體斜坡出露的地層為上三疊統(tǒng)阿堵拉組（T3a）灰?guī)r和波里拉組（T3b）泥質(zhì)頁(yè)巖及泥質(zhì)粉砂巖，表部位第四系殘坡積物（Qel＋dl），未見(jiàn)侵入巖出露。現(xiàn)由老至新分述如下：

圖1 交通位置圖

（1）上三疊統(tǒng)阿堵拉組（T3a）灰?guī)r：灰黑色－灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為方解石，節(jié)理裂隙發(fā)育，中風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化，主要分布于坡頂部分地段。

（2）上三疊統(tǒng)波里拉組（T3b）泥質(zhì)粉砂巖：灰色－灰黑色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英及長(zhǎng)石，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化，主要分布于邊坡中下部及溝谷處。

（3）上三疊統(tǒng)波里拉組（T3b）泥質(zhì)頁(yè)巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化，泥鈣質(zhì)充填，主要夾于泥質(zhì)粉砂巖中。

（4）第四系殘坡積（Qel＋dl4）的碎石土：雜色，松散－稍密，稍濕，主要組成為殘坡積灰?guī)r碎屑，主要粒徑10～40 mm，充填粉土，土質(zhì)不均。

2.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)的整個(gè)大區(qū)域內(nèi)主要發(fā)生過(guò)6次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。加里東運(yùn)動(dòng)使元古界與古生界奧陶系呈不整合接觸；華力西運(yùn)動(dòng)使泥盆系與下伏地層呈不整合接觸；第三次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使部分地區(qū)下、中三疊統(tǒng)缺失和巖漿活動(dòng)；瀾滄運(yùn)動(dòng)造成地殼褶皺變形使得上三疊統(tǒng)與下伏地層呈角度不整合接觸；印支運(yùn)動(dòng)使地殼沉降與上升，造成上三疊統(tǒng)厚大沉積和中下侏羅統(tǒng)變薄和缺失；喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使北西向構(gòu)造框架最后定型。區(qū)內(nèi)主要區(qū)域性構(gòu)造為壓扭性覺(jué)涌斷裂和宗拉夷向斜。

3 場(chǎng)地邊坡特征及穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡特征

由于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，特別是喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)所引起的地層強(qiáng)烈擠壓、抬升以及斷裂的走滑、拉張，使場(chǎng)區(qū)內(nèi)雖然無(wú)大的區(qū)域構(gòu)造分布，但裂隙構(gòu)造發(fā)育。由于邊坡的潛在危巖落石主要出現(xiàn)于近坡頂處的灰?guī)r地層，在此僅說(shuō)明灰?guī)r區(qū)的4組裂隙發(fā)育狀況，情況如下：（1）裂隙L1，產(chǎn)狀為275°∠73°，寬度為2～20 mm，延伸長(zhǎng)20～130 cm，裂隙率為2～3條／m，裂面平直光滑，大都呈閉合狀，少量微張，充填物為粘性土、灰?guī)r；（2）裂隙L2，產(chǎn)狀為225°∠65°，寬度3～20 mm，延伸長(zhǎng)10～210 cm，裂隙率為2～5條／m，裂面大都較平直、少數(shù)閉合至微張，充填物為粘性土；（3）裂隙L3，產(chǎn)狀為145°∠73°，寬度5～20 mm，延伸長(zhǎng)30～120 cm，裂隙率為2～5條／m，裂面較平直，多呈張開(kāi)狀，部分閉合，充填物為粘性土；（4）裂隙L4，產(chǎn)狀為75°∠68°，寬度5～20 mm，延伸長(zhǎng)30～160 cm，裂隙率1～8條／m，裂面較平直，多呈張開(kāi)狀，部分閉合，充填物為粘性土。

3.2 危巖特征及形成機(jī)制

邊坡因存在構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，長(zhǎng)時(shí)間臨空巖體的卸荷作用等因素將巖體后緣的節(jié)理結(jié)構(gòu)面和裂隙逐漸形成貫通面，從而在坡面形成了大塊的危巖體，局部已崩塌掉塊形成了凹腔，在本次研究區(qū)主要存在滑移式危巖體（圖2）。由于邊坡開(kāi)挖形成高陡臨空面，且發(fā)育一組中－陡傾外光滑裂隙面，巖體沿該光滑面向臨空方向發(fā)生滑動(dòng)，脫離母巖，形成崩塌落石。危巖主要分布于邊坡的中上部陡壁處，分布和形態(tài)不規(guī)則，單塊體積較大的和較完整的為危巖體，單塊體積較小、分布集中、數(shù)量多的為危巖帶。

圖2 玉龍銅礦運(yùn)礦道的潛在滑移式危巖落石

表1 各危巖帶描述及穩(wěn)定性判別

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，危巖體（帶）有4處，主要危巖受到卸荷裂隙和構(gòu)造裂隙的影響，巖體完整性較差，在降雨、地震或卸荷作用下，易產(chǎn)生崩落現(xiàn)象，危巖體最大規(guī)模約為20 m3，其余為零星小危巖體，直徑約為10～20 cm，分布高程約在45 m，基巖邊坡坡度近于65°～85°，而殘坡積物段坡度為對(duì)位于邊坡下部的運(yùn)礦道路威脅性極大。通過(guò)野外調(diào)查，分析邊坡基本特征、危巖特征及滑移式崩塌類型，認(rèn)為研究區(qū)的4個(gè)危巖帶的穩(wěn)定性描述如表1（不利工況為暴雨、地震作用）。

4 危巖落石數(shù)值模擬分析

在落石運(yùn)動(dòng)軌跡分析時(shí)，本研究采用Rockfall分析軟件對(duì)危巖落石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，分析落石在坡面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沖擊能量、彈跳高度及運(yùn)動(dòng)速度的變化，為工程防治提供直觀有效的指導(dǎo)依據(jù)。

4.1 落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定

采用Rock Fall軟件對(duì)危巖落石的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要做出如下假設(shè)：邊坡的坡面是由若干段折線連接而成的；落石的形狀為質(zhì)量分布均勻的球體；落石及坡面均為各向同性彈塑性體；不考慮崩塌落石之間的水平相互作用力；忽略空氣的作用力；落石碰撞后不發(fā)生碎裂，形態(tài)保持完整。

對(duì)于落石的運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)用Rockfall軟件進(jìn)行模擬，需考慮落石的體積和密度、坡面形態(tài)、坡面滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)（φ）等，同時(shí)需考慮法向阻尼系數(shù)（Rn）和切向阻尼系數(shù)（Rt）。落石基本位于邊坡40 m的高度，在邊坡中AB段表面為灰?guī)r，BC段表面為砂巖夾頁(yè)巖，基本為裸露基巖，則選擇Rn＝0.35，Rt＝0.85，φ＝30°，選擇的而CD段表面為殘坡積物與草植被，則選擇Rn＝0.30，Rt＝0.80，φ＝30°，同時(shí)危巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 危巖體（灰?guī)r）物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

4.2 落石運(yùn)動(dòng)軌跡分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)生崩塌破壞的危巖體雖然整體規(guī)模較大，但受節(jié)理裂隙切割，啟動(dòng)后多破壞分解成為小塊體，破壞后的巖體大部分在10 m3以下，危巖體距運(yùn)礦道路的高度約為45 m，且危巖體的巖性都為灰?guī)r。本次數(shù)值模擬落石的原始數(shù)量設(shè)為50個(gè)，體積為10 m3來(lái)進(jìn)行計(jì)算，其他參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 落石模擬的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

從圖3對(duì)落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果可知，落石開(kāi)始在坡面滾動(dòng)，值坡度較陡區(qū)域發(fā)生跳躍和碰撞，落石全部到達(dá)運(yùn)礦道路位置，并分布于運(yùn)礦道路下側(cè)的溝谷內(nèi)。在運(yùn)礦道路附近落石的最大動(dòng)量為47 000 kJ，同時(shí)在運(yùn)礦道路附近的落石彈跳高度約為0.7～0.8 m（圖4）。

圖4 落石運(yùn)動(dòng)模擬的結(jié)果

5 崩塌落石防護(hù)處治設(shè)計(jì)

（1）主動(dòng)處治

對(duì)于裂隙寬張，后緣裂隙張開(kāi)，結(jié)構(gòu)面貫通，已基本脫離母巖、易崩落下滑且難以錨固的危巖體應(yīng)予以清除。對(duì)于裂隙張開(kāi)度較大，整體基本穩(wěn)定的，宜采用錨桿錨固、裂隙灌漿等措施加固欠穩(wěn)定的部位，閉合裂隙，整體加固危巖體。

（2）被動(dòng)防護(hù)

對(duì)于零星落石難以徹底清除段，可在本研究區(qū)結(jié)合地形條件選擇主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)（SNS防護(hù)網(wǎng)）覆蓋于危巖帶，限制危巖的剝落或淺表的崩落來(lái)進(jìn)行防護(hù)；或者選擇被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，在運(yùn)礦道路里側(cè)設(shè)置被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，其抗沖擊性能和高度需滿足落石在該處的動(dòng)能及彈跳高度的要求。

6 結(jié)論

（1）西藏玉龍銅礦地區(qū)位于構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，且復(fù)雜的構(gòu)造作用形成高陡邊坡，潛在的崩塌落石對(duì)礦業(yè)運(yùn)輸?shù)缆肪哂兄卮蟮陌踩[患。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬認(rèn)為本研究區(qū)的落石在運(yùn)礦道路附近的彈跳高度為0.7～0.8 m，總動(dòng)能達(dá)到47 000 kJ。

（3）對(duì)潛在崩塌落石可進(jìn)行清除或加固措施，或者采用防護(hù)網(wǎng)技術(shù)對(duì)落石進(jìn)行防護(hù)，以達(dá)到減輕落石災(zāi)害的目的。

［1]胡厚田.崩塌與落石［M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1989.

［2]唐紅梅，易朋瑩.危巖落石運(yùn)動(dòng)路徑研究［J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（1）：17－23.

［3]陳洪凱，唐紅梅，胡明，等.危巖錨固計(jì)算方法研究［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（8）：1321－1327.

［4]秦志英，陸啟韶.基于恢復(fù)系數(shù)的碰撞過(guò)程模型分析［J].動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2006，4（4）：294－298.

［5]何思明，吳永，李新坡.滾石沖擊碰撞恢復(fù)系數(shù)研究［J].巖土力學(xué)，2009，30（3）：623－627.

［6]黃潤(rùn)秋，劉衛(wèi)華，周江平，裴向軍.滾石運(yùn)動(dòng)特征試驗(yàn)研究［J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（9）：1296－1302.

［7]黃潤(rùn)秋，劉衛(wèi)華.滾石在平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)特征分析［J].地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23（5）：317－523.