都汶路震災(zāi)后邊坡崩塌落石運(yùn)動(dòng)特征分析及防治

陳俊安

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院, 四川成都 610017)

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都汶路震災(zāi)后邊坡崩塌落石運(yùn)動(dòng)特征分析及防治

陳俊安

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院, 四川成都 610017)

【摘要】崩塌落石是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害。文章在地質(zhì)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，通過模擬計(jì)算巖塊運(yùn)動(dòng)途徑，獲取其可能的落點(diǎn)、回彈高度等特征，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，使防治措施合理有效，并簡單介紹了一個(gè)實(shí)例的分析過程。

【關(guān)鍵詞】公路；邊坡；崩塌落石；運(yùn)動(dòng)路徑；防治措施

目前的高速公路越來越往山區(qū)發(fā)展，在高速公路建設(shè)中，多有遇到崩塌落石等自然災(zāi)害，對公路建設(shè)、行車安全造成極大的危害。目前對崩塌落石的防治技術(shù)可分為兩大類：主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)。前者包括對單個(gè)危巖體進(jìn)行錨固、支撐等防止落石發(fā)生，并置防護(hù)網(wǎng)；而后者防止理念在于落石發(fā)生后進(jìn)行有效攔截，使其不致產(chǎn)生危害。兩類防護(hù)技術(shù)在實(shí)際工程多有應(yīng)用，但實(shí)際上崩塌落石的發(fā)生具有較多不確定性因素，其來源、大小、影響運(yùn)動(dòng)路徑的因素等事先不可預(yù)知，這使準(zhǔn)確地預(yù)測落石的發(fā)生、運(yùn)動(dòng)路徑變得很困難。本文通過野外的工程地質(zhì)調(diào)查，查明崩塌的產(chǎn)生原因、落石來源、邊坡巖體組成、形狀、巖體特征、落石分布及大小等資料，進(jìn)行綜合分析研究落石的運(yùn)動(dòng)特征，隨機(jī)模擬計(jì)算落石的運(yùn)動(dòng)路徑，統(tǒng)計(jì)落石的分布、運(yùn)動(dòng)過程中回彈高度、落石的能量大小等分布規(guī)律，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行防治設(shè)計(jì)。

1邊坡防護(hù)區(qū)工程地質(zhì)條件簡述

根據(jù)勘察資料和現(xiàn)場踏勘，將K30+500～K30+618邊坡的地質(zhì)條件簡述如下：

1.1地形地貌

本段邊坡位于麻柳灣，岷江左側(cè)，邊坡走向與岷江基本上一致。工程區(qū)山高谷深，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌。邊坡下部為垮塌堆積體和沖溝泥石流堆積體，上窄下寬，呈扇形狀。邊坡下部堆積體坡度為30°左右，后緣斜坡及沖溝兩側(cè)斜坡陡峻。

1.2地層巖性

1.3地質(zhì)構(gòu)造

場地靠近龍門山主斷裂-映秀斷裂，該斷裂是“5·12汶川大地震”的發(fā)震斷裂，場址區(qū)受龍門山主斷裂影響強(qiáng)烈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，異常破碎。

1.4地震

根據(jù)震后6月份頒發(fā)的最新《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，本區(qū)場地地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

1.5水文地質(zhì)條件

防護(hù)區(qū)水文地質(zhì)條件較為簡單，以基巖裂隙水為主，未見出露，地下水埋大于10m，主要來源于地表降雨及后緣山體裂隙水補(bǔ)給，地下水排泄于坡下岷江。根據(jù)鄰近工點(diǎn)水質(zhì)分析資料，地下水及河水對混凝土均無腐蝕性。

1.6邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

根據(jù)勘察資料和現(xiàn)場踏勘查明：此段邊坡下部為垮塌堆積體，主要物質(zhì)成分為塊碎石，充填物為粉土及巖屑，含量較少，因此，堆積體表層多為無膠結(jié)狀態(tài)，松散堆積，但由于堆積體橫坡較緩，自身整體穩(wěn)定性較好。下部堆積體邊坡的主要工程地質(zhì)問題為局部表層的巖石塊體的不穩(wěn)定，在不利條件下會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)而向下滾落。堆積體后緣以上為一沖溝，溝內(nèi)堆積了大量的沖洪積的塊碎石，結(jié)構(gòu)松散，溝兩側(cè)主要為基巖，局部表層為少量的崩坡積物，由于地處大的活動(dòng)斷裂帶內(nèi)，巖體受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，加之在“5·12”特大地震作用下后緣邊坡發(fā)生了大規(guī)模的崩塌，目前邊坡巖體十分破碎，危石發(fā)育，在地震余震及不利氣候條件下易發(fā)生巖塊的崩落。由于邊坡后緣陡壁距離公路高差大，具有強(qiáng)大的重力勢能，因此，即使是很小的巖塊順坡滾落到公路也會(huì)殘留較大的動(dòng)能，對路面造成破壞，對行人和車輛造成生命財(cái)產(chǎn)的威脅。后緣沖溝堆積體物質(zhì)豐富，在暴雨作用下可能發(fā)生“水石流”。

2崩塌落石的運(yùn)動(dòng)特征

崩塌常產(chǎn)生于陡坡地段，巖塊受一組外傾節(jié)理影響，脫離山體，形成崩塌。

巖塊在懸崖前墜落是服從自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，沿斜坡的運(yùn)動(dòng)形式主要是跳躍和滾動(dòng)。巖塊的運(yùn)動(dòng)受山坡形狀、覆蓋層等較多因素影響，為便于研究分析，做以下假定：

(1)落石運(yùn)動(dòng)過程中不考慮空氣阻力；

(2)落石運(yùn)動(dòng)為豎向平面二維問題，且忽略落石問的相互影響；

(3)不考慮落石在運(yùn)動(dòng)過程中解體，不考慮落石形狀、體積影響。

2.1跳躍運(yùn)動(dòng)

巖塊剛脫離山體后，以自由落體運(yùn)動(dòng)落到斜坡上，與斜坡碰撞。建立如圖1所對應(yīng)的落石質(zhì)心的坐標(biāo)系進(jìn)行研究。

圖1　落石跳躍運(yùn)動(dòng)分析模型

依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)有關(guān)原理，建立落石運(yùn)動(dòng)特征方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)、式(2)為落石每時(shí)刻的路徑，式(3)、式(4)為落石每時(shí)刻的速度變化。

式中：x0、y0為落石初始位置；Vx0、Vy0為落石初始速度；Vx1、Vy1為碰撞前速度；t為時(shí)間；g為重力加速度，取9.81m/s2。

巖塊與斜坡產(chǎn)生碰撞，屬于非彈性碰撞，碰撞后速度大小和方向都會(huì)發(fā)生變化。在碰撞過程中，通常情況下落石與斜坡接觸點(diǎn)的相對速度沒有在它們的公法線上，為斜碰撞，因此必須將前述落石速度Vx1、Vy1用邊坡法向和切向速度表示：

(5)

(6)

式中：VN1、VT1為落石碰撞前速度；β為邊坡坡度。

落石在與斜坡碰撞過程中，影響速度變化的因素較為復(fù)雜，碰撞后的速度可由法向和切向恢復(fù)系數(shù)確定，如下式：

(7)

(8)

其中：VN2、VT2為碰撞后的落石法向、切向速度；RN、RT為落石與斜坡碰撞的法向、切向恢復(fù)系數(shù)，一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，也可依據(jù)已知落石條件反分析確定。

在落石與斜坡碰撞之后，若VN2值接近于0，則落石會(huì)沿斜坡滾動(dòng)或滑動(dòng)，否則繼續(xù)作跳躍運(yùn)動(dòng)。將碰撞后的落石法向、切向速度采用x—y坐標(biāo)系表示：

(9)

(10)

其中，Vx2、Vy2為落石與斜坡碰撞后的速度。

此時(shí)落石繼續(xù)做斜向上拋射，在此過程中，當(dāng)豎直方向上速度為0時(shí)，落石反彈高度最大(圖1)：

(11)

碰撞過程中在同一斜面所能達(dá)到的最遠(yuǎn)水平距離為Smax：

(12)

此時(shí)落石垂直移動(dòng)距離為：

(13)

2.2滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)

若落石與斜坡碰撞后，坡面法向分速度VN2趨近于0時(shí)，落石繼續(xù)沿坡面滾動(dòng)或滑動(dòng)，一般情況下，落石運(yùn)動(dòng)后期所處的邊坡坡角比較小，此時(shí)落石運(yùn)動(dòng)多為滾動(dòng)，其方程為：

(14)

式中，f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

隨著落石的滾動(dòng)、斜坡的變緩，落石加速度逐漸減小，滾石速度會(huì)逐漸減小至0。

3工程實(shí)例

國道213(317)線都汶路映秀至汶川段二級公路災(zāi)后復(fù)建工程(二期)，位于K30+500～K30+618，此段邊坡下部為垮塌堆積體，主要物質(zhì)成分為塊碎石土，堆積體橫坡較緩，穩(wěn)定性較好，但位于堆積體后緣以上的沖溝表層含有大量的松散塊碎石，溝兩側(cè)基巖表面非常破碎，含有大量的不穩(wěn)定巖塊。由于高差較大，巖塊滾落后將順坡而下形成飛石，威脅到行車的安全。

陡崖巖體受重力作用，裂隙張開形成危巖，危巖體多被節(jié)理裂隙切割成塊體，部分塊體側(cè)壁與母巖完全脫離，易發(fā)生傾倒式破壞；部分塊體下部脫空，呈懸挑狀，易發(fā)生墜落式破壞。山坡上植被發(fā)育，落石在運(yùn)動(dòng)途徑中多受樹木、草叢緩沖，運(yùn)動(dòng)受到較大的緩沖作用，經(jīng)多次碰撞，停留在山坡或坡腳。需要通過巖塊運(yùn)動(dòng)途徑分析確定巖塊的最終落點(diǎn)分布、最大反彈高度、巖塊能量等特征，并以此作為防治措施的依據(jù)。

邊坡簡化如圖2所示，高約150m，邊坡上部以易段為裸露基巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌落石時(shí)有發(fā)生，為崩塌落石來源，水平距離公路邊緣約180m；cde段為斜坡，堆積碎石混亞黏土，結(jié)構(gòu)松散，長有低矮灌木叢，植被發(fā)育中等，斜坡上見有散落的碎、塊石，為崩塌堆積，大小極不均勻，約10～100cm均有分布，四處散落，多分布于cd段。

圖2　邊坡斷面示意

不同邊坡段法向、切向恢復(fù)系數(shù)的取值見表1。

表1　恢復(fù)系數(shù)

本次模擬計(jì)算1 000次，巖塊的大小隨機(jī)選取，巖塊崩塌源為斜坡ab段，巖塊初始速度為零，當(dāng)巖塊脫離山體后，呈自由落體運(yùn)動(dòng)，與斜坡碰撞后開始作跳躍和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式。通過統(tǒng)計(jì)多次巖塊運(yùn)動(dòng)分析，得出的結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3　落石終點(diǎn)位置分布

圖4　落石在不同斜坡地段的最大高度

圖3顯示落石主要堆積在斜坡cd段，這符合野外調(diào)查的結(jié)果。圖4顯示出巖塊距離斜坡最大高度出現(xiàn)于斜坡bc段，這是由于斜坡abc段為陡崖，巖塊從山體脫離后即呈自由落體運(yùn)動(dòng)，最大高度即是陡崖高度；斜坡cd段落石最大高度才是巖塊與斜坡碰撞后的回彈高度，由圖4可知，回彈高度是逐漸降低，到了該斜坡末段回彈高度為零，表明落石已呈滾動(dòng)狀態(tài)。圖5顯示的落石的總動(dòng)能和總勢能，其中落石能量降低很快，在斜坡cd末段較低，到了斜坡de段稍有升高，是因?yàn)樾逼耫e段較斜坡cd段陡，對巖塊速度有所提升。

圖5　落石在不同斜坡地段的總能量

計(jì)算結(jié)果顯示，落石大部分堆積在斜坡cd段，危害公路安全的落石僅為極少數(shù)，這極少數(shù)落石的運(yùn)動(dòng)形式為滾動(dòng)。由圖5可知，落石的能量在斜坡d斷面處為最小。建議在斜坡cd末段和 de前段設(shè)置攔石墻是較合理的，此處落石運(yùn)動(dòng)能力小，運(yùn)動(dòng)高度很低，也可以充分?jǐn)r截進(jìn)入公路范圍的滾石。攔石墻必須具備一定的強(qiáng)度，采用了C15的片石混凝土，墻頂寬1.2m，且在墻背按1∶1坡比填筑1.5m高的卵礫石緩沖層，以起到一定的消能作用。攔石墻基礎(chǔ)進(jìn)入公路邊溝溝頂以下1.2m，攔石墻內(nèi)側(cè)接落石槽，落石槽基底寬2m。攔石墻墻體施工時(shí)預(yù)留一排泄水孔，其尺寸為15cm×15cm方孔，泄水孔出口緊貼邊溝內(nèi)側(cè)地面，仰坡3 %，間距2m。攔石墻墻背基礎(chǔ)開挖時(shí)，距墻身30cm開始按1∶0.3坡比放坡，墻背及時(shí)回填石灰土。

4結(jié)束語

目前工程建設(shè)已逐漸向山區(qū)發(fā)展，崩塌落石是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，常危及工程建設(shè)、生命安全。通過野外的工程地質(zhì)調(diào)查分析，查明崩塌的產(chǎn)生原因、落石來源、分布等特征，通過對巖塊運(yùn)動(dòng)途徑的分析計(jì)算、統(tǒng)計(jì)，獲取其可能的落點(diǎn)、回彈高度等特征要素的規(guī)律，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，使防護(hù)設(shè)計(jì)更加科學(xué)和合理。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡介]陳俊安(1983～)，男，本科，工程師，主要從事特殊路基設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號(hào)】U419.2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-05-20