喀斯特山區(qū)崩塌落石運(yùn)動特征分析
——以貴州省六盤水市獨(dú)山崩塌為例

李陽春，楊麒麟

（貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州貴陽550004）

喀斯特山區(qū)崩塌落石運(yùn)動特征分析
——以貴州省六盤水市獨(dú)山崩塌為例

李陽春*，楊麒麟

（貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州貴陽550004）

喀斯特山區(qū)巖溶發(fā)育，在高陡巖質(zhì)斜坡中，崩塌災(zāi)害極發(fā)育，具有突發(fā)性、高速度、難預(yù)測等特點(diǎn)[1]。崩塌體在重力作用下，從高陡坡突然加速崩落、跳躍，具有明顯的拉斷、傾覆現(xiàn)象[2]。落石在斜坡上的運(yùn)動規(guī)律受到諸多復(fù)雜因素影響[3]，具有很大的隨機(jī)性。以貴州省六盤水市鐘山區(qū)獨(dú)山崩塌為例，通過實(shí)地調(diào)查，運(yùn)用數(shù)值模擬與實(shí)際情況類比，綜合分析典型喀斯特山區(qū)崩塌落石的運(yùn)動軌跡、彈跳高度、運(yùn)動能量等特征，并對該類典型崩塌落石的防治提出建議。

崩塌；落石；數(shù)值模擬；運(yùn)動特征

1 概述

貴州省六盤水市獨(dú)山崩塌位于鐘山區(qū)東北側(cè)，工程區(qū)地處滇東高原向黔中高原過渡，黔西北高原向廣西丘陵過渡之梯級狀大斜坡地帶，總體地勢為西北高東北低。這類地形、地貌組合及相關(guān)的巖性組合形成的崩塌災(zāi)害在喀斯特山區(qū)極具代表性。經(jīng)實(shí)地調(diào)查走訪，該崩塌歷史上多次發(fā)生落石現(xiàn)象，崩塌堆積體（落石）多分布于高陡斜坡下部低緩地帶，局部越過底部公路，彈跳至河溝一側(cè)，落石塊徑一般為0.5～1.2m。獨(dú)山崩塌主要威脅對象為沿線公路及低緩處居民及獨(dú)山小學(xué)等，潛在經(jīng)濟(jì)損失巨大。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

（1）地形地貌。區(qū)內(nèi)巖石主要以石炭系和二疊系地層分布最為廣泛。主要巖性有石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖。獨(dú)山崩塌北部陡崖頂部標(biāo)高多分布在1884～1975m一帶，底部坡度較緩，標(biāo)高多在1723～1740m一帶。

該地區(qū)為溶蝕、侵蝕低中山地貌。地形切割深度深，獨(dú)山崩塌北部陡崖頂部標(biāo)高1884～1975m，底部坡度較緩，標(biāo)高1723～1740m。斜坡坡度總體上陡下緩，中上部陡崖坡度50°～70°，下部小于25°，為緩坡地貌。中上部陡崖為喀斯特山區(qū)典型的巖溶發(fā)育帶，植被不發(fā)育，多為裸露巖壁。緩坡位置多為旱地及房屋，呈臺階狀。

（2）地層巖性。區(qū)內(nèi)巖石主要以石炭系和二疊系地層分布最為廣泛。主要巖性有石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖；巖層總體產(chǎn)狀258°～265°∠8°～15°，巖溶較發(fā)育。巖壁上可見溶洞、溶槽發(fā)育。下部緩坡主要分布二疊系下統(tǒng)梁山組灰白色粉砂巖、泥巖。

（3）水文地質(zhì)條件。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)附近地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水2大類：碳酸鹽巖巖溶水分布于二疊系中統(tǒng)棲霞組組灰?guī)r及石炭系中統(tǒng)馬平組灰?guī)r巖溶管道及裂隙中；基巖裂隙水分布于二疊系下統(tǒng)梁山組粉砂巖、泥巖基巖裂隙中。地下水主要由大氣降水補(bǔ)給。在低洼處以泉點(diǎn)形式排泄，匯成小溪向北流入三岔河。災(zāi)害點(diǎn)附近地表水不發(fā)育，地下水埋深大，對崩塌體穩(wěn)定性影響較小。

（4）地質(zhì)構(gòu)造。鐘山區(qū)處于鄂渝黔侏羅山式褶皺區(qū)畢節(jié)—安順NE鄉(xiāng)變形區(qū)及烏蒙山NW向走滑變形區(qū)接觸地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，以北西向褶皺、斷裂構(gòu)造占主導(dǎo)地位。主要的構(gòu)造有威水背斜、大灣向斜和威水?dāng)嗔?。局部有近南北向?gòu)造，如大河邊向斜鐘山北部還發(fā)育有北東向、北北東向次級斷裂構(gòu)造。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)位于這些北東向、北北東向次級斷裂構(gòu)造上。

調(diào)查區(qū)整體位于北東向、北北東向次級斷裂構(gòu)造影響區(qū)，測區(qū)沒有大的斷裂，由于構(gòu)造作用結(jié)果，大體發(fā)育二組節(jié)理，其中一組產(chǎn)狀90°∠85°，線密度0.7～1條/m，結(jié)構(gòu)面粗糙，無填充，張開度5～6mm。第二組節(jié)理產(chǎn)狀0°∠75°，線密度1～1.5條/m，結(jié)構(gòu)面粗糙，無填充，張開度4～5mm。

3 崩塌基本特征

危巖體主要分布在自然風(fēng)化形成陡崖區(qū)域，差異性風(fēng)化與巖體本身不利結(jié)構(gòu)面組合形成多處凹巖腔。2處典型危巖體W1、W2。危巖體W1中，一組節(jié)理，產(chǎn)狀90°∠85°，構(gòu)成危巖體后緣控制邊界，一組節(jié)理產(chǎn)狀0°∠75°，切割巖體，構(gòu)成危巖體的側(cè)部邊界。兩側(cè)緣已經(jīng)臨空，節(jié)理裂隙清晰可見，一直向下延伸，裂縫張開度5～8mm，無充填，裂面較起伏，裂面粗糙。后緣發(fā)育植被，后緣裂隙被粘土。危巖體W2頂部高程1784.5m，底部高程1781m。危巖體高3.5m，寬3m，頂部厚0.8m，體積約8.4m3。主崩方向70°。此處出露的是二疊系中統(tǒng)棲霞組中厚層—厚層灰?guī)r地層，巖層產(chǎn)狀250°∠8°。一組節(jié)理，產(chǎn)狀88°∠84°，構(gòu)成危巖體后緣控制邊界，另外一組節(jié)理，產(chǎn)狀1°∠76°，切割巖體，構(gòu)成危巖體的側(cè)部邊界。兩側(cè)緣已經(jīng)臨空，后緣節(jié)理裂隙清晰可見，裂縫張開度8～12mm，無充填，裂面較起伏，裂面粗糙。后緣發(fā)育植被。底部形成小臺階，為巖體崩落所致。凹腔深度為0.3m。隨著底部泥頁巖進(jìn)一步風(fēng)化即凹巖腔深度發(fā)育，將會產(chǎn)生傾倒式破壞。

4 崩塌形成機(jī)理

該危巖的形成與地質(zhì)構(gòu)造、不利的結(jié)構(gòu)面組合、臨空面條件、植被根劈作用等因素有關(guān)。

（1）地質(zhì)構(gòu)造：測區(qū)整體位于北東向、北北東向次級斷裂構(gòu)造影響區(qū)，測區(qū)內(nèi)無大的斷裂。受構(gòu)造影響，發(fā)育2組節(jié)理，構(gòu)成危巖體的界面。其中一組產(chǎn)狀90°∠85°，線密度0.7～1條/m，結(jié)構(gòu)面粗糙，無填充，張開度5～6mm。第二組節(jié)理產(chǎn)狀0°∠75°，線密度1～1.5條/m，結(jié)構(gòu)面粗糙，無填充，張開度4～5mm。

（2）地層巖性：測區(qū)危巖體所在陡崖出露二疊系中統(tǒng)棲霞組中厚層—厚層灰?guī)r，夾10～15cm厚的黑色泥頁巖。由于巖性差異性風(fēng)化，往往形成凹巖腔，構(gòu)成危巖體的底部邊界。

（3）植物的根劈作用：在巖體節(jié)理裂隙發(fā)育地方植被較為發(fā)育，使得節(jié)理裂隙寬度及貫通率提高。

（4）降水及風(fēng)化作用影響：降水一方面滲入裂縫，會降低結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度，另外一方面，冬季在低溫影響，水分滲入巖體裂縫產(chǎn)生凍脹作用，也會破壞巖體結(jié)構(gòu)，使裂縫變寬。隨著長時(shí)間溶蝕及風(fēng)化作用，巖體變的更加破碎，下部逐漸松動崩落，從而加劇倒巖腔發(fā)育。

5 穩(wěn)定性分析及發(fā)展趨勢

根據(jù)大量野外調(diào)查，結(jié)合邊坡地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，獨(dú)山小學(xué)陡崖處巖體失穩(wěn)模式主要為傾倒式。計(jì)算參數(shù)，灰?guī)r飽和重度取26.43kN/m3，自然重度按工程地質(zhì)手冊取26kN/m3。危巖體抗拉強(qiáng)度取巖石的抗拉強(qiáng)度的0.4倍，取920kPa。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)程》（GB50330-2013）對結(jié)構(gòu)面的取值，斜坡結(jié)構(gòu)面屬于硬性結(jié)構(gòu)面且結(jié)合差，考慮長期風(fēng)化影響取低值[4]，暴雨?duì)顟B(tài)內(nèi)摩擦角取20°，內(nèi)聚力取50kPa。天然狀態(tài)內(nèi)摩擦角取25°，內(nèi)聚力取80kPa。采用ROCKFAIL進(jìn)行數(shù)值模擬[5]，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[6]，模擬危巖體失穩(wěn)后落石運(yùn)動路徑，計(jì)算落石各點(diǎn)的彈跳高度、運(yùn)動速度、動能等參數(shù)。模擬時(shí)按照已失穩(wěn)塊體的實(shí)際情況，確定剖面上危巖體實(shí)際分布位置、可能的最大失穩(wěn)塊體體積等進(jìn)行模擬。

經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法：危巖破壞由后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制時(shí)，按下式計(jì)算：

危巖體重心在傾覆點(diǎn)之外時(shí)：

危巖體重心在傾覆點(diǎn)之內(nèi)時(shí)：

當(dāng)危巖的破壞由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制時(shí)，按下式計(jì)算：

式中：h——后緣裂隙深度，m；

hw——后緣裂隙充水高度，m；

H——后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離，m；

a——危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離，m；

b——后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離，m；

h0——危巖體重心到傾覆點(diǎn)的垂直距離，m；

flk——危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.4的折減系數(shù)確定；

θ——危巖體與基座接觸面傾角，（°），外傾時(shí)取正值，內(nèi)傾時(shí)取負(fù)值；

β——后緣裂隙傾角，（°）。

經(jīng)過計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)K為1.15～1.27，危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

ROCKFALL模擬后，崩塌危巖體的運(yùn)動特征見圖1～圖4：

圖1 計(jì)算剖面及運(yùn)動軌跡模擬

圖2 巖塊破壞時(shí)下方不同位置平動速度情況

圖3 巖塊破壞時(shí)彈跳高度情況

圖4 巖塊破壞時(shí)下方不同位置總能量情況

通過模擬分析，落石的最大反彈高度位于距起點(diǎn)27m位置，反彈高度與落石啟動位置的高程、運(yùn)動路徑坡度、巖性等因素有關(guān)，一般危巖體分布越高、下部地層越堅(jiān)硬，落石反彈的高度越大。根據(jù)模擬，落石滾動距離大于84m，可運(yùn)動到小溪底部位置，實(shí)際上在小溪底發(fā)現(xiàn)不少落石。最大動能位于15.2m位置，最大總動能可達(dá)2579kJ；彈跳高度最高在距起點(diǎn)27m位置，彈跳高度6.47m。平動速度在距起點(diǎn)13m位置達(dá)到最大值，可達(dá)29.5m/s。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較吻合。

根據(jù)調(diào)查分析，區(qū)內(nèi)危巖受巖石差異風(fēng)化及在結(jié)構(gòu)面切割之下形成的危巖體，在巖石差異風(fēng)化、溶蝕、水的作用下，穩(wěn)定性將會越來越差，最終發(fā)生小規(guī)模崩塌破壞，威脅周邊居民及獨(dú)山小學(xué)的安全。

6 防治建議

類似于獨(dú)山崩塌這一類災(zāi)害，在喀斯特山區(qū)非常常見。該類崩塌體多處于高陡斜坡，相對高差動輒上百米，且坡度一般大于45°。因施工場地及地形條件等限制，對危巖體采用清除、錨固等手段進(jìn)行治理時(shí)，施工難得大，危險(xiǎn)系數(shù)大，因此這類高陡斜坡上的崩塌災(zāi)害，不宜采用主動防護(hù)的方式進(jìn)行治理。根據(jù)近年設(shè)計(jì)的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，在弄清崩塌形成機(jī)理、運(yùn)動特征等前提下，由于構(gòu)造運(yùn)動及外部營力的共同作用，形成陡峭陡崖，巖石屬于硬質(zhì)巖石，下部植被不發(fā)育，主要為坡地，落石運(yùn)動以滾動和彈跳下落為主，最后受能量衰減而停止下來。由Rockfall模擬該類崩塌危巖體的運(yùn)動軌跡及能量示意圖，可知在坡底低緩地段，危巖體的彈跳高度、沖擊能量、運(yùn)動速度等均已衰減至最小值。因此，該類崩塌災(zāi)害的防治工程中，采用“緩坡段攔截”[7]的被動攔擋工程措施，效果明顯。如：被動防護(hù)網(wǎng)、落石槽、攔石墻等。以獨(dú)山崩塌為例，該崩塌已采用以上被動攔擋措施進(jìn)行了綜合治理。尤其是在攔石墻的設(shè)計(jì)中，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，結(jié)合實(shí)際落石調(diào)查，在低緩地段設(shè)置落石槽，并在槽體以外設(shè)置攔石墻、緩沖層及被動防護(hù)網(wǎng)，達(dá)到了安全防護(hù)的目的。

7結(jié)論 喀斯特山區(qū)巖溶發(fā)育，巖體抗風(fēng)化能力弱，節(jié)理發(fā)育，多組巖體結(jié)構(gòu)面相互組合構(gòu)成穩(wěn)定性較差的危巖體[8]，且多發(fā)育于高陡斜坡上。該類崩塌一旦發(fā)生失穩(wěn)，危險(xiǎn)性高，危害性大。該類崩塌多位于高陡斜坡頂部，相對高差大，治理過程中施工難度大。采用實(shí)地調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，查清崩塌形成機(jī)理、運(yùn)動特征，采取“緩坡地段攔截”的思路，科學(xué)合理地對該類崩塌災(zāi)害進(jìn)行防治，可達(dá)到這類崩塌地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)的要求。

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P642.21

A

1004-5716(2015)11-0101-04

2015-05-26

李陽春（1984-），男（漢族），湖北武漢人，工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)相關(guān)工作。