單體危巖危險性評價與防治建議
——以云南省大關(guān)縣危巖體為例

蔡向陽 ,鐵永波 ,徐偉 ,王帥

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

危巖落石具有隨機性、隱蔽性、突發(fā)性等特點，其危害性不遜色于滑坡、泥石流[1]。以某典型巖質(zhì)崩塌為例采用運動學(xué)原理對落石的運動特征量進(jìn)行了分析計算[2]。根據(jù)5種常見的落石運動形式，提出了落石運動軌跡的新方法[3]。對寶成鐵路K400+000～K400+170段的崩塌體落石進(jìn)行飛行彈跳計算，采用了數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗證[4]。采用運動學(xué)原理計算了崩塌落石運動特征，用Rockfall軟件進(jìn)行模擬驗證，并提出了相應(yīng)的治理方案[5]。以單體崩塌為例進(jìn)行了較為詳盡的定量分析評價[6]。本文主要采用半定量打分表結(jié)合極限平衡理論計算特征危巖體穩(wěn)定性系數(shù)，采用理論計算和Rockfall數(shù)值模擬軟件與野外調(diào)查相互驗證對危巖體潛在威脅范圍進(jìn)行確定，從而對其進(jìn)行危險性評價。

1 吉利后山危巖概況

該崩塌處于云南省大關(guān)縣吉利鎮(zhèn)后山，地理位置E104.007456，N28.004249，危巖體下方為吉利場鎮(zhèn)，位于S235左側(cè)，下臨大關(guān)河。該崩塌坡腳高540 m，危巖分布高程為540～585 m ，最大崩落高程45 m。該崩塌志留系中統(tǒng)嘶風(fēng)崖組(S2s)薄層-中層灰黃色粉砂巖(厚約20～100 cm )夾厚約8 cm泥質(zhì)灰?guī)r(圖1)，下部為大關(guān)河Ⅱ級階地，分選較差，粒徑在2～8 cm為主，大者可達(dá)60 cm(圖2)。主要受到北東向吉利背斜的控制。巖層產(chǎn)狀為66°∠31°，發(fā)育兩組節(jié)理L1:126°∠83°，延伸1～2.5 m，L2:46°∠24°，延伸約20～60 cm ，L1、L2裂隙面平直，局部可見泥質(zhì)填充，巖體切割破碎嚴(yán)重，部分裂隙已貫通發(fā)育(圖4)，形成危巖體(圖3、圖6)。從現(xiàn)場調(diào)查來看，危巖體上存在幾處典型的危巖，其裂隙已貫通，存在崩落的可能，觀察危巖1尺寸:

圖1 夾層

圖2 河流階地

圖3 威脅房屋(部分)

圖4 已貫通裂隙

圖5 赤平投影圖

圖6 危巖體全貌

2 m×3 m×1 m。臨空面約108°，從其可能運動方向來看，其受到臨空面的影響，左側(cè)為由薄層泥質(zhì)灰?guī)r形成的凹形坡體，使得該危巖體在一定程度有向左側(cè)傾倒的趨勢，可能主崩方向為168°(圖7)，因此認(rèn)為其在整體上屬于傾倒式危巖，局部塊石為墜落式危巖。

對此崩塌體節(jié)理裂隙進(jìn)行了赤平投影分析，如圖5。

圖5顯示：層面與L1、L2交線均位于坡面大圓內(nèi)，表明層面與L1、層面與L2結(jié)構(gòu)面的組合交線的傾角比坡面的傾角陡；層面與L1、L2共同作用將巖體切割為楔形體，在降雨、地震等作用下極易發(fā)生崩塌，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2 吉利后山危巖危險性分析

2.1 半定量危險性評價

本文采用美國Pierson(1990)提出的一套針對公路崩塌落石風(fēng)險評估準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上結(jié)合吉利后山崩塌實際孕育環(huán)境評價指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，以期得到較為合理的半定量評價結(jié)果。依據(jù)落石災(zāi)害特征及相應(yīng)影響因素條件，對各項影響因素進(jìn)行定量分值評價見表。具體的評分表如下(表1)。

1.志留系嘶風(fēng)崖組；2.第四系崩坡積物；

注:*表示該邊坡在表中對應(yīng)屬性

落石到達(dá)威脅對象區(qū)域可能性因子為IP，則其可按下式計算出:

(1)

式中,IPi為第i個影響因子量化評分值；n為影響因子個數(shù)。求出IP值后，將其轉(zhuǎn)換成危巖發(fā)生崩落災(zāi)害的經(jīng)驗概率(P)，與危巖穩(wěn)定性系數(shù)對應(yīng)，具體見表2、表3。

按照上述方法，得到吉利后山危巖IP=(9+9+27+9+9+27+9+9+3+9+9)/10=11.4，按內(nèi)插法計算可得P=0.912，表明其處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，具有較大的危險性。而從野外調(diào)查來看，在坡腳附近觀察到大小不一的塊石堆積，且有居民房屋曾受損。該處危巖崩塌發(fā)生概率在0.5～0.9之間，與上述所采用的半定量評價方法較好吻合。

表2 落石到達(dá)威脅區(qū)域可能性概率[7, 8]

注：:可按內(nèi)插法確定

表3 危巖崩落經(jīng)驗概率

2.2 威脅范圍

吉利后山危巖主要威脅吉利鎮(zhèn)12戶40人居民及場鎮(zhèn)過往行人車輛，該處危巖距居民房屋最近水平距離約8 m，而此處崩塌時常有崩落塊石的現(xiàn)象，因此確定其威脅范圍對于當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全有重大意義。危巖落石威脅范圍主要由崩落塊石的運動速度、彈跳高度等參數(shù)來決定，本質(zhì)上說來是由其崩落塊石的能量來控制的，而這又受到如斜坡特性(坡高、坡度、坡形)、下墊面特征(厚度、彈塑性)、塊石特征(形狀、尺寸)等崩塌實際孕育環(huán)境的限制[9](圖8)。目前確定危巖崩落范圍主要有4種方法:數(shù)值模擬法、理論計算法、現(xiàn)場調(diào)查法以及物理試驗等[10]。楊樂等利用坡面相似材料物理模擬危巖崩落的影響范圍[11, 12]。焦為在文中基于Rockfall軟件與理論計算的方法對兩處危巖崩塌最大影響范圍進(jìn)行了預(yù)測[13]。本文擬采用理論計算法結(jié)合野外調(diào)查的結(jié)果來確定崩落范圍，與Rockfall模擬結(jié)果相互驗證，從而為易損性評價奠定基礎(chǔ)。

2.2.1 理論計算

崩塌落石主要的運動模式有4種：滾動、滑動、碰撞、飛躍。在落石的實際運動過程中，大多以4種方式復(fù)合運動，鑒于實際運動的復(fù)雜性，對其運動做以下簡化：①忽略空氣阻力的影響；②忽略沖擊力對邊坡坡形的影響；③忽略碰撞過程中的破碎和能量轉(zhuǎn)換等。

(1) 落石速度計算

落石脫離巖體初始運動，主要受到重力和坡面阻力的作用，其運動速度

(2)

式中,K為落石沿坡體運動所受的綜合阻力特性系數(shù)，可參考文獻(xiàn)[5]而得；H為塊石墜落高差(m)；g為重力加速度(m·s-2)；α為坡體坡度(°)。

表4 崩塌落石速度結(jié)果

(2) 落石彈跳高度計算

落石運動到下一斜坡段時，由于速度和角度較大，將會出現(xiàn)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(jìn)行計算。

(3)

(4)

(5)

(3) 落石沖擊能量計算

根據(jù)運動學(xué)原理可得

(6)

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)坡腳堆積塊石粒徑多在1～1.5 m，落石密度取2 650 kg·m3，落石質(zhì)量取2 000 kg，考慮沖擊能量最危險的情況，因此代入數(shù)據(jù)計算可得E=30.05 KJ。

(4) 橫向運動距離計算

一般說來，危巖威脅范圍可以從縱向和橫向兩個方面來確定。楊樂在文中分別就影響崩塌落石橫向和縱向威脅范圍的因素(如巖塊尺寸、斜坡坡度、坡高等)進(jìn)行了討論[11, 12]。葉四橋從落石形狀、質(zhì)量等角度討論了落石縱向運動距離；從落石形狀、質(zhì)量、運動模式等角度研究了對偏移比的影響[14]，而偏移比便是橫向運動范圍確定的重要因素(偏移比定義為落石停止點偏移運動坡面的距離同等效坡長的比值)。

(7)

式中,S為斜坡長度；D為橫向偏移距離；η為偏移比。

圖8 落石威脅區(qū)示意圖

在前述過程中可以確定出落石的運動路徑，能反應(yīng)選定剖面的水平方向上的最遠(yuǎn)運動距離，也即縱向運動距離。那么結(jié)合偏移比這一特征參數(shù)便可確定出威脅的橫向范圍。根據(jù)葉四橋[8]在文中建議的η取值，因此取η=0.25，其中S=118 m，因此算得D=29.5 m。那么則可根據(jù)上述計算對居民聚集地以縱向118 m、橫向29.5 m圈定重點危險區(qū)，并采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?/p>

2.2.2 Rockfall數(shù)值模擬

在理論計算的基礎(chǔ)上，采用Rockfall軟件對坡面上落石的運動狀態(tài)進(jìn)行模擬。塊石選定粒徑1～3 m，樣本數(shù)為50個，質(zhì)量為2 000 kg，假設(shè)落石初始狀態(tài)靜止。崩塌落石的運動路徑見圖9。選取主崩方向為剖面進(jìn)行模擬，從坡頂?shù)狡履_依次為基巖、第四系覆蓋物，對其進(jìn)行A～G編號，斜坡各段參數(shù)詳見表6。

表6 落石運動數(shù)值模擬參數(shù)

從圖9中可以看到落石在各段斜坡上的運動有滾動、滑動、跳躍、飛躍等，最后模擬的塊石大多停留在斜坡較緩處，即居民房屋處，嚴(yán)重威脅居民的生命財產(chǎn)安全。由圖10～圖12可知，落石自AB段開始運動至BC段C點處特征量為：落石的彈跳高度為0.33 m，落石速度為15.31 m·s-1，落石沖擊能量為30.17 KJ。與理論計算對比見表7。

圖9 落石運動路徑

圖10 總能量隨水平距離的變化

圖11 速度隨水平距離的變化

圖12 彈跳高度隨水平距離的變化

計算方法彈跳高度/m運動速度/m·s-1沖擊能量/KJRockfall0.3315.3130.17理論計算0.3815.3830.05絕對誤差-0.05-0.070.12相對誤差0.151 50.004 60.004 0

綜上所述，Rockfall模擬落石運動軌跡與特征運動量與理論計算出的數(shù)據(jù)較為接近，說明Rockfall能夠客觀地反映崩塌落石運動規(guī)律，也說明理論計算的正確性，進(jìn)一步可為工程治理提供相應(yīng)的參考。

2.3 典型危巖體穩(wěn)定性系數(shù)計算

吉利后山危巖臨空條件好，呈現(xiàn)出高陡的特征，因此選取臨空面1處典型危巖體分別在天然狀態(tài)、天然狀態(tài)+地震2種工況下基于極限平衡理論計算其穩(wěn)定性系數(shù)，以此來確定危巖體的穩(wěn)定性。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)在風(fēng)化作用或人工擾動等外界影響因素下，在較硬巖層中發(fā)育卸荷裂隙，加之巖體呈懸空狀態(tài)，在長期重力作用下節(jié)理逐漸擴展，一旦拉應(yīng)力超過連接處巖石的抗拉強度，即產(chǎn)生崩塌，接著又出現(xiàn)新的臨空面，產(chǎn)生新的貫通裂隙，在內(nèi)外因素作用下可能再次發(fā)生崩塌，如此周而復(fù)始造成累進(jìn)式破壞[15]。在計算典型危巖體穩(wěn)定性系數(shù)時采用陳洪凱等提出的公式，公式詳見文獻(xiàn)[16]。參數(shù)選取參考勘察報告及文獻(xiàn)[17]。具體計算詳見表8。

表8 危巖1穩(wěn)定性系數(shù)計算

結(jié)合表7可知該危巖體在天然狀態(tài)、天然狀態(tài)+地震兩種工況下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與表1半定量打分表判斷一致，其后的Rockfall軟件模擬與理論計算共同表明該處危巖體崩落后可能的最大威脅范圍和能量、速度等關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)采取工程措施提供有效的參考。

2.4 危險性與防治建議

從半定量打分表結(jié)果與典型危巖體穩(wěn)定系數(shù)來看，其處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；理論計算與Rockfall模擬結(jié)果表明該處崩塌落石具有一定的破壞性，會對當(dāng)?shù)鼐用裨斐缮敭a(chǎn)損失；因此認(rèn)為其處于較危險狀態(tài)。

一般來說，針對不同類型不同規(guī)模崩塌的治理方法各有差異[18]，結(jié)合野外調(diào)查與該危巖落石的運動特征和威脅范圍的確定，考慮采用“清理危巖+落石槽”的措施。首先清理坡面較為破碎的巖塊，清理范圍以裂隙擴展深度為準(zhǔn)。由于此處崩塌體距離受威脅房屋很近，可考慮設(shè)置鋪設(shè)約0.5m厚的碎塊石落石槽，以起到減緩落石沖擊力和攔蓄落石的作用。最后應(yīng)特別注意危巖區(qū)附近設(shè)置排水溝，以減緩水對斜坡穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié)論

本文在結(jié)合野外調(diào)查與理論計算、Rockfall軟件模擬、穩(wěn)定性系數(shù)計算的基礎(chǔ)上，得到以下幾點認(rèn)識：

(1) 該危巖較高陡，裸露基巖大多不太穩(wěn)定，局部有危巖體崩落。

(2) 理論計算的結(jié)果表明崩塌落石在C點處的運動速度為15.83 m·s-1，彈跳高度為0.38m，沖擊能量為30.05 KJ，與Rockfall軟件模擬結(jié)果很接近，說明二者皆可客觀正確地表征崩塌落石的運動特征；根據(jù)偏移比這一概念，確定了危巖落石的橫向威脅距離，與縱向威脅距離可確定出危巖落石的平面威脅范圍，為防災(zāi)減災(zāi)提供可靠依據(jù)。

(3) 在天然狀態(tài)、天然狀態(tài)+地震2種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.026,1.019，表明該處危巖體在這兩種工況下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與半定量打分表有相對較好的吻合性，可考慮對該崩塌體局部采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?/p>

(4) 根據(jù)野外調(diào)查和理論計算及Rockfall數(shù)值模擬的結(jié)論，推薦采用“清理危巖+落石槽”的措施進(jìn)行工程防護(hù)。