藥王山馬尾瀑落石風(fēng)險分析及防治

崔志強 孫亞麗 劉文軍 王勝英 姚自強 鐘凱倫

（1 衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院；2 衢州綠色發(fā)展集團有限公司，浙江 衢州 324000）

1 前言

隨著人民生活水平的提高，外出游玩的人民越來越多，景區(qū)的游客數(shù)也日趨攀升，特別是一些風(fēng)景秀麗、空氣清新的山區(qū)景區(qū)，更是引來眾多的游客。但是眾多景區(qū)的部分山體經(jīng)過較長時間的風(fēng)化剝蝕，或多或少存在一些落石的安全隱患，有些甚至已經(jīng)出現(xiàn)危及游客生命安全的事故。譬如2015年3月19日上午，發(fā)生在廣西壯族自治區(qū)桂林疊彩山景區(qū)山上的掉落巖石，砸中剛下游船的一個旅行團游客，致多名游客死亡的事件[1]，以及2013年7月21日10 時50 分，發(fā)生在陜西省商南縣金絲峽景區(qū)九龍?zhí)兜囟蔚木植可襟w落石事故，導(dǎo)致19 名游客被砸傷，其中1 人頭部重傷，經(jīng)搶救無效于12 時45 分死亡。類似的事故時有發(fā)生，因此引起了大家的關(guān)注。作者在對浙江省衢州市內(nèi)的藥王山風(fēng)景區(qū)的落石情況現(xiàn)場調(diào)查和統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合落石風(fēng)險概率理論對其馬尾瀑附近的山體落石的頻率等問題進行分析，所得結(jié)論為人類預(yù)防山體落石地質(zhì)災(zāi)害方面提供借鑒。

2 藥王山概況

藥王山位于浙江省衢州市境內(nèi)（圖1），面積約15平方公里，是浙西最大的動植物資源庫之一，分神農(nóng)溝、馬尾瀑、石林薈萃三大景區(qū)。相傳炎帝在此采藥，留有“神農(nóng)谷”、“神農(nóng)煉丹”古跡；后有李時珍、扁鵑、華陀等相繼在此采藥、居住、留有“藥王居”遺跡。藥王山體由上侏羅統(tǒng)磨石山群地層構(gòu)成，形成變化多端、姿態(tài)各異的石林景區(qū)，如石龜、石魚、石獅、石熊等。溪流瀑布錯落其間，達27 處之多，其中馬尾瀑布落差108 米，其聲音大如宏鐘，小如飛雨，十分壯觀[2]。

圖1 藥王山景區(qū)地理位置圖（來自百度地圖）

3 藥王山地質(zhì)條件

3.1 區(qū)域地質(zhì)

藥王山區(qū)內(nèi)地質(zhì)形成于侏羅紀(jì)晚期或白堊紀(jì)，距今約1 億-5 億年前。境域在地質(zhì)構(gòu)造上屬“巨龍頂火山推測噴發(fā)中心”，由火山碎屑巖、花崗巖、片麻巖構(gòu)成，系燕山期火山巖。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，山谷呈典型的“V”字型，其地貌與黃山、三清山同屬火成巖奇峰地貌和局部丹霞地貌，是為峰巒盤距的深谷奇峰景觀。

4 藥王山馬尾瀑落石問題

神奇的馬尾瀑（圖2），其高度落差達75.8 米，猶如銀河倒懸，水口寬7 米（圖3）。平時絲絲縷縷，銀珠縹緲，形似馬尾；雨季形聲動魄，壯觀偉麗[3]。而由于長期流水沖擊和巖石風(fēng)化導(dǎo)致的落石風(fēng)險也與日俱增，給前來游玩的行人帶來了嚴(yán)重的人身安全。

4.1 馬尾瀑區(qū)域落石調(diào)查統(tǒng)計

為了調(diào)查藥王山馬尾瀑落石對往來游客的危害影響程度，研究者多次對藥王山馬尾瀑進行現(xiàn)場調(diào)查，通過調(diào)查確定了落石密集區(qū)域，并對落石密集區(qū)域進行了現(xiàn)場實地勘測。主要就落石密集區(qū)落石的具體情況進行了實地測量，包括落石密集區(qū)域所占的面積、落石的大小規(guī)格等。

圖2 馬尾瀑在藥王山景區(qū)位置圖

圖3 馬尾瀑全貌

本次研究選定的落石密集區(qū)域為馬尾瀑下方水潭周邊（圖4）以及馬尾瀑山體坡面內(nèi)側(cè)游路區(qū)域（圖5），調(diào)查發(fā)現(xiàn)無論是下方水潭的落石還是山體坡面內(nèi)側(cè)游路下的落石多為不規(guī)則的板狀，下方水潭處落石面積較大，而且此水潭區(qū)為游客駐足停留較多的區(qū)域，多次現(xiàn)場調(diào)查時均發(fā)現(xiàn)大量游客在此戲水，如若游客在此戲水期間發(fā)生落石，所帶來的傷害將是不可估量的；由此可見，落石問題給游玩行人所帶來了嚴(yán)重安全問題，對藥王山馬尾瀑落石問題的防治已經(jīng)刻不容緩。

圖4 馬尾瀑下方水潭落石密集研究區(qū)

圖5 馬尾瀑山體坡面內(nèi)側(cè)游路落 石密集研究區(qū)

表1 馬尾瀑布下方水潭落石密集區(qū)落石情況

表2 馬尾瀑布山體坡面內(nèi)側(cè)游路落石密集區(qū)落石情況

4.2 落石密集研究區(qū)落石塊體尺寸描述及落石沖量大小計算

為理清落石形狀、塊度大小對其運動特征的影響規(guī)律，我們對現(xiàn)場85 塊落石進行了尺度數(shù)據(jù)測量，包括馬尾瀑下方水潭落石密集區(qū)的落石和馬尾瀑山體坡面內(nèi)側(cè)游路落石密集研究區(qū)的落石，具體量測數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

圖6、圖7分別為馬尾瀑下方水潭以及馬尾瀑山體坡面內(nèi)側(cè)游路落石密集區(qū)部分落石現(xiàn)場圖，從圖中我們可以看出馬尾瀑水潭一側(cè)的落石體積較山體內(nèi)壁的落石體積更大，因為水潭區(qū)域的落石絕大多數(shù)來自山體以及馬尾瀑頂，而山體內(nèi)側(cè)落石則絕大多數(shù)來自內(nèi)側(cè)巖壁脫落；根據(jù)我們所采集的落石塊體尺寸描述來看兩個落石密集區(qū)域落石的形狀大部分為板狀少部分為塊狀和條狀，極少部分為方形、三角形和三棱柱形。

圖6 馬尾瀑布下方水潭落石 密集區(qū)部分落石

圖7 馬尾瀑布山體坡面內(nèi)側(cè)游路落石密集區(qū)部分落石

為了研究落石的大小可能產(chǎn)生的災(zāi)害類別，在經(jīng)典力學(xué)里，物體所受合外力的沖量等于它的動量的增量（即末動量減去初動量），叫做動量定理。一個恒力的沖量指的是這個力與其作用時間的乘積。沖量表述了對質(zhì)點作用一段時間的積累效應(yīng)的物理量，是改變質(zhì)點機械運動狀態(tài)的原因。利用動量定理以及如下公式，對測量統(tǒng)計的落石塊體進行掉落沖量的計算，計算結(jié)果詳見表3。

公式：I=Ft

式中I—沖量（N·s）

F—作用的力（N），F(xiàn)=mg

t—力作用的時間（s）

根據(jù)現(xiàn)場取樣利用量杯法測定巖石的天然密度ρ為2.17g/cm3,馬尾瀑布下方水潭落石密集區(qū)落石高度為75.8m，馬尾瀑布山體坡面內(nèi)側(cè)游路落石密集區(qū)落石高度為8.5m，速度隨位移變化規(guī)律：或kg/N）,位移隨時間變化規(guī)律：

表3 馬尾瀑布下方水潭落石密集區(qū)落石撞擊沖量對落石的影響

分析測量結(jié)果，可知落石體積的尺度介于0.798×10-6～583.704×10-6m3之間，而其落下時產(chǎn)生的沖量最大可達49.318 N·s，如果該落石掉落在游人身上產(chǎn)生的災(zāi)害非常巨大。

4.3 馬尾瀑山體坡面塊體的風(fēng)化及其穩(wěn)定性評價

山體坡面的穩(wěn)定性與組成山體坡面巖層的物理力學(xué)性質(zhì)、坡面的規(guī)模、形態(tài)、空間分布、軟弱面的發(fā)育和分布特征有著緊密的關(guān)系。衢州藥王山體由上侏羅統(tǒng)磨石山群地層構(gòu)成。侏羅紀(jì)晚期，海水退出后，發(fā)生了大規(guī)模的火山爆發(fā)，噴發(fā)形成大量的酸性巖漿巖，構(gòu)成古老的磨石山群地層。所以巖石為塊體狀結(jié)構(gòu)，巖石堅硬，力學(xué)強度高，從整體來看邊坡穩(wěn)定性較好，不過由于巖石長久風(fēng)化、瀑布流水沖擊以及流水順著裂縫滲透到巖石內(nèi)部和微生物共同作用導(dǎo)致其開裂程度加深，所以造成了一個惡性循環(huán)致使坡面穩(wěn)定性變差，落石的數(shù)量不斷增多，圖8可以看到因上述影響造成的馬尾瀑山體坡面內(nèi)側(cè)游路巖壁面部分快脫落的巖石。

表4 馬尾瀑布山體坡面內(nèi)側(cè)游路落石密集區(qū)落石撞擊沖量對落石的影響

圖8(a) 馬尾瀑內(nèi)側(cè)巖壁快脫落的落石

圖8(b) 馬尾瀑內(nèi)側(cè)巖壁 快脫落的落石

5 馬尾瀑山體坡面落石風(fēng)險分析

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)落石災(zāi)害的風(fēng)險可以定義為人的生命、財產(chǎn)或環(huán)境遭受落石所帶來不利影響的可能性大小和嚴(yán)重性程度。落石危險性的具體研究內(nèi)容包括落石的位置、落石的體積、形狀、落下后的速度及特定時期內(nèi)發(fā)生的概率或頻率等。落石風(fēng)險分析是一項具有復(fù)雜性和困難性的工作，主要體現(xiàn)在有關(guān)落石測量數(shù)據(jù)記錄的不足、研究結(jié)論強烈依賴于現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和具體特征、預(yù)測落石運動過程的復(fù)雜性，以及很多因素都存在不確定性和隨機性[4-5]。

不確定性、隨機性和變異性等概念被廣泛應(yīng)用于自然和人文社會科學(xué)的各個領(lǐng)域，其概念本源可追溯到哲學(xué)觀上世界的必然性和偶然性大爭論之中。對于隨機性和不確定性的定義和內(nèi)涵界定，不同的研究者或者不同的研究領(lǐng)域均有所差異。通常而言，隨機性具有不可被預(yù)知的含義，如仍硬幣、擲骰子和輪盤賭等行為過程的隨機性。近代，隨機性過程也被描述為偶然性。自然的“內(nèi)在”隨機性時常與自然變異性概念等同來用[6]。

水流沖擊和巖石風(fēng)化是落石的兩種常見誘發(fā)因素，而這兩者已是無法避免的，不過隨著雨季的到來瀑布水流增大，其所能攜帶下來的落石數(shù)量以及落石的體積也會增大，這就使得來往行人的危險系數(shù)也得到了增長。

6 馬尾瀑山體坡面防落石風(fēng)險的措施

傳統(tǒng)落石防護措施主要為攔石墻、落石槽等結(jié)構(gòu)形式來阻擋以及收集落石。由于效果有限且破壞后不可修復(fù)，同時修建過程破壞自然環(huán)境，影響美觀;以高強度柔性網(wǎng)為主要構(gòu)件的柔性支護技術(shù)其具有材料性能穩(wěn)定、施工簡單、安裝快捷、易修復(fù)、不破壞環(huán)境等優(yōu)點，逐漸應(yīng)用于邊坡落石防護工程中[7]。

目前，工程中應(yīng)用的柔性防護形式主要有主動網(wǎng)、被動網(wǎng)、簾式網(wǎng)、剛性格柵等。馬尾瀑可以運用張口式簾式網(wǎng)這一新型柔性技術(shù)，其顛覆了傳統(tǒng)防護網(wǎng)被動“攔截”的方式，而根據(jù)現(xiàn)場實際工況，科學(xué)的“引導(dǎo)”落石至落石區(qū)域。簾式網(wǎng)分為覆蓋式、張口式，其原理落石在覆蓋部分由于其外部金屬網(wǎng)的反壓力作用可有效的限制巖塊彈跳，將巖塊的運動軌跡限定在系統(tǒng)防護區(qū)域之內(nèi)，極好的限制了落石的彈跳高度，使得落石沿坡表向下運動，最終落石滾落至坡腳設(shè)定的落石收集區(qū)，通過限制彈跳高度減小了落點與坡腳間的水平距離，避免了落石到坡腳時入侵防護對象;失穩(wěn)落石在網(wǎng)內(nèi)沿坡表向下運動中勢能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，由于落石運動中在金屬網(wǎng)壓力和自身重力作用下會與坡表間形成摩擦而消耗能量，落石在網(wǎng)內(nèi)一邊運動一邊與坡表及金屬網(wǎng)間摩擦消耗能量，當(dāng)落石運動到坡腳時落石由勢能轉(zhuǎn)化的動能因摩擦作用而變得很小，落石速度也得到減小，落石到達坡腳時能量得到了降低，其對防護對象的危害也大大的降低[8-10]。

7 結(jié)語

1）根據(jù)落石分布以及落石各種物理性質(zhì)，分析落石帶來的影響，判斷落石對來往行人的危險程度，根據(jù)落石經(jīng)驗以及山體的穩(wěn)定性來對落石進行風(fēng)險性評估，進而確定防治措施。

2）植被覆蓋對落石滾動影響顯。王逸庶、楊俊毅等的研究表明植被覆蓋于無植被覆蓋落石分析結(jié)果差別明顯[7]，本文沒有討論植被密度參數(shù)對落石影響的敏感度，需進一步進行研究。

3）柔性防護措施能夠較好的起到防護效果，簾式網(wǎng)作為一種新型“引導(dǎo)”式防護產(chǎn)品，具有安全、適用、經(jīng)濟、環(huán)保等特點，值得應(yīng)用推廣。