賀蘭口巖畫載體落石危害及治理研究*

崔 凱 朱 鵬 諶文武 吳國鵬 李 和 顧 鑫

（①蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程中心，蘭州730050，中國）

（②蘭州大學西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，蘭州730000，中國）

0 引 言

賀蘭口巖畫以表現(xiàn)形式豐富、分布區(qū)域集中和文化內(nèi)涵深厚而聞名于世，自溝口至水關處兩側(cè)溝壁坡腳就分布有巖畫660幅（崔凱，2019），而且如今作為重點文物保護單位和國家4A級景區(qū)，游客棧道均沿坡腳布設。然而溝道兩岸山體陡峻，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎（李建偉等，2010），加之該區(qū)域常突發(fā)暴雨、多有強風、巖羊等動物覓食踩踏等不確定因素，導致常有孤石滾落砸損坡腳處巖畫和堆積游覽棧道的事件發(fā)生。相較于其他山區(qū)地質(zhì)災害，落石災害具有隨機性、隱蔽性、突發(fā)性、高破壞性等特點（胡厚田，2005），其對坡腳處的巖畫和游人構(gòu)成嚴重威脅。鑒于此，正確認識和合理防治落石災害成為賀蘭口巖畫保護和游客安全保障亟待解決的問題。

國內(nèi)外諸多學者對不同地區(qū)和類型的落石災害的發(fā)育機理、運動參數(shù)以及防治措施開展了大量的研究工作。早期胡厚田（2005）、陳洪凱等（2015）、裴向軍等（2011）、唐紅梅等（2019）、蘇生瑞等（2019）以Hertz的彈性碰撞理論和恢復系數(shù)理論為研究基礎，對崩塌落石穩(wěn)定性的檢驗方法、恢復系數(shù)計算、落石沖擊力等進行研究，提出了崩塌落石危害程度綜合預測方法。楊志法等（2019）、王學良等（2018）通過從具體落石災害事件切入，通過落石災害識別、落石運動路徑等方面的研究，得到不同崩塌災害識別方法和預防治理措施。唐紅梅等（2016）、陳洪凱等（2015）、蘇勝忠（2011）、Bourrier et al.（2012）通過現(xiàn)場落石災害，利用崩塌落石數(shù)值計算和模擬研究，獲取了崩塌落石的運動軌跡方程、落石災 害 預 測。Marchelli et al.（2019）、Carlàet al.（2019）、Yilmaz et al.（2008）研究了巖石崩落過程中巖石破碎大小分布與源區(qū)和坡面的關系、使用雷達以及落石模擬軟件，得到一種準確預測落石災害和指導治理落石災害的系統(tǒng)理論和軟件。胡卸文等（2019），葉四橋等（2008）通過探討攔石墻動力響應、攔石墻實際應用、攔石墻設計參數(shù)等分別研究了攔石墻在落石災害治理的應用。汪敏等（2011）通過探討主動防護網(wǎng)的力學性能、承載能力、設計參數(shù)等分別研究了主動防護網(wǎng)在巖質(zhì)邊坡的落石災害治理的應用。然而賀蘭口落石的賦存環(huán)境和發(fā)育特征具有自身特點，有關于其運動規(guī)律和演化機制的研究尚未開展，并且由于出自文物保護角度對于環(huán)境風貌和國家二級保護動物巖羊生存環(huán)境的嚴格要求，主動防護網(wǎng)、被動防護網(wǎng)、攔石墻、谷坊等落石防治措施在巖畫賦存區(qū)域被限制使用；因此，對正確認識賀蘭口落石災害發(fā)育機理和合理防治提出了新的要求。

基于此，本次研究以工程地質(zhì)測繪和現(xiàn)場調(diào)查為手段，在對賀蘭口自溝口至水關處兩側(cè)山體落石數(shù)量、分布、體積、形狀、巖性和運動剖面等發(fā)育特征統(tǒng)計與分析的基礎上，采用數(shù)值軟件對溝內(nèi)落石在邊坡上的運動軌跡、彈跳高度、沖擊能量等進行數(shù)值計算，得出落石運動可能對巖畫和游人造成的危害程度。鑒于所有落石對巖畫和游客均存在較大威脅且文物保護區(qū)風貌對工程措施有嚴格要求的原因，“先破碎后人工清理”是適合該區(qū)域源頭治理孤石的最佳選擇。因此本次研究在現(xiàn)場選擇典型性落石開展了不同水劑比、布孔方式和間排距的靜態(tài)破碎實驗和應變監(jiān)測，得出該地區(qū)孤石治理靜態(tài)破碎方法的優(yōu)化布置方案，為賀蘭口巖畫保護區(qū)落石災害的源頭治理辦法提供有益思考。

1 孤石發(fā)育特征

1.1 孤石成因、數(shù)量與分布

賀蘭口溝兩岸山體平均坡度大、地勢高、起伏度大，溝口附近山體相對狹窄，地層巖性主要是由中生界三疊系中統(tǒng)的二馬營階下部淺灰色、紫紅色、淺灰綠色巨厚層至厚層變質(zhì)砂巖和全新世沖洪積物構(gòu)成，其中溝口至水關處兩側(cè)山體主要以薄層狀和巨厚層淺灰綠色變質(zhì)砂巖呈互層狀出露（雷啟云等，2015）。巖層產(chǎn)狀為SW235°∠35°～60°，產(chǎn)狀分別為SE165°∠40°～55°和SE110°∠50°～70°的兩組節(jié)理高度發(fā)育。由于差異性風化作用的影響，薄層狀變質(zhì)砂巖出露處內(nèi)凹形成臨空面（圖1a），層面與兩組節(jié)理切割巨厚層砂巖失穩(wěn)后堆積于坡面形成孤石主要來源（圖1b）。

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)溝口至水關處兩側(cè)山體上共發(fā)現(xiàn)有34處散落分布于巖畫分布區(qū)的正上方穩(wěn)定性差、危害大的孤石。其中北岸共分布有20處，分布高程為1425.5～1469im，分布數(shù)量沿溝道進深增加逐漸減少；南岸共分布有14處，分布高程為1420.3～1443im，數(shù)量分布特點同左岸一致。孤石整體分布呈現(xiàn)北岸多于南岸、溝口多于溝內(nèi)、隨高程增大數(shù)量增多的特點，具體分布情況見圖2。

1.2 孤石幾何特征

圖1 孤石形成圖Fig.1 The formation of potential rockfalls

現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計34處孤石的幾何特征如表1所示：（1）體積分布在1～5im3的孤石占總數(shù)的41%，平均體積為3.35im3，體積分布在5～10im3的孤石占總數(shù)的26%，平均體積為6.92im3，體積分布在10im3以上的孤石占總數(shù)的33%，平均體積為19.5im3；（2）距離地面高度分布在0～5im的孤石占總數(shù)的15%，分布在5～10im的孤石占總數(shù)的44%，分布在10～15im的孤石占總數(shù)的18%，分布在15im以上的孤石占總數(shù)的23%；（3）形狀為近球體的孤石占總數(shù)23%，形狀為長柱的孤石占總數(shù)50%，形狀為扁平體的孤石占總數(shù)27%；（4）按照孤石所處坡剖面覆蓋物類型和起伏度，可將其劃分為3種類型，即裸露基巖型、孤石帶型和坡面泥石流溝型（葉唐進等，2019）。

圖2 孤石分布圖Fig.2 The distribution of potential rockfalls

表1 孤石幾何特征表Table 1 The geometric feature of rockfall

三類孤石的剖面具有如下特征：（1）裸露基巖型孤石所處剖面自上而下可劃分為3個特征段，分別為落石段、坡積物覆蓋段和基巖段，坡體巖性主要為變質(zhì)砂巖，大部分基巖裸露；此類剖面坡體起伏度變化大，坡體上緩下陡，坡腳處幾乎直立，共有9處孤石可能滾落軌跡位于此類剖面；（2）孤石帶型孤石所處剖面可自上而下劃分為3個特征段，分別為落石段、坡積物覆蓋段和植被覆蓋段，溝內(nèi)大小孤石堆滿溝道，部分區(qū)域分布有少量植被，該處孤石帶由于沒有土等松散堆積物填充孤石空隙，孤石穩(wěn)定性極差，稍有擾動就可能發(fā)生滾落，形成落石；此類坡面起伏度介于其他兩種類型坡面之間，坡度較陡，共有13處孤石可能滾落軌跡位于此類剖面；（3）坡面泥石流溝型孤石所處剖面可劃分為3個特征段，分別為落石段、坡積物覆蓋段和植被覆蓋段，坡面上游和兩側(cè)崖壁被多組節(jié)理面切割，分布有大量孤石，整個坡面堆積有大量碎石和土，坡面中下部生長有大量植物；坡面平均坡度最小，起伏度最小，共有12處孤石可能滾落軌跡位于此類剖面。

2 落石災害危害分析

由以上對34處孤石發(fā)育特征的調(diào)查結(jié)果可知，34處全部位于巖畫和游客棧道正上方的位置，而且具有體積大、落距大和運動剖面復雜的總體特征，一旦失穩(wěn)必將對巖畫、游人和設施造成巨大危害。因此，非常有必要從落石的落點位置和能量變化角度對落石的危害程度與等級開展研究。落石運動軌跡和運動能量的研究方法主要有歷史落石事件調(diào)查、落石實驗和數(shù)值模擬。由于賀蘭口巖畫保護區(qū)山體底部分布有大量的巖畫，現(xiàn)場落石實驗無法開展，而該地區(qū)歷史落石事件資料不足，且調(diào)查研究方法主觀因素會影響研究準確性，因此本次研究采用Rocfall軟件對調(diào)查出34處孤石進行落石危害性模擬研究。

2.1 模擬特征剖面參數(shù)確定

本次模擬使用的特征剖面參數(shù)由現(xiàn)場實驗得到：

（1）坡面粗糙度采取輪廓線伸長率法，現(xiàn)場測定特征剖面兩頂點的直線距離L和坡面長度L0，利用下述公式計算得出：

（2）恢復性系數(shù)取值采取現(xiàn)場恢復系數(shù)實驗（圖3），在3種不同類型孤石所處剖面特征段，現(xiàn)場試驗采用佳能6D相機配合百諾A550F云臺拍攝落石掉落、碰撞至多次反彈靜止全過程的高清視頻，對視頻使用Adobe公司的Premire軟件進行分析，對于掉落過程超慢速回放，逐幀處理后可以根據(jù)參照物計算不同時間落石運動位移和速度，根據(jù)不同方向的位移和速度反算坡面碰撞恢復性系數(shù)，得出3種不同類型孤石滾落選取特征剖面特征段恢復系數(shù)（葉四橋等，2018）。不同坡面性質(zhì)具有不同的碰撞恢復系數(shù)，大量實踐表明落石碰撞的法向恢復系數(shù)在0.2～0.5之間，切向恢復系數(shù)在0.4～0.9之間。邊坡坡面基巖出露，取大值；坡面為沒有植被覆蓋或有少量植被覆蓋的礫巖或硬土時，取中間值；坡面為松散殘積土或黏土時，取小值（呂慶等，2003）。結(jié)合現(xiàn)場恢復性系數(shù)試驗得到坡面參數(shù)表（表2），其余剖面特征段參數(shù)取值參考該表。

圖3 滑坡體坡度分布圖Fig.3 Angle slope distribution map of landslides

表2 分段坡面參數(shù)表Table 2 Parameters of different parts at rockfall-slope

2.2 模擬結(jié)果

對34塊孤石分別進行100次模擬落石實驗。得出滾落落點和能量分布結(jié)果（表3），而且不同類型的孤石滾落過程和能量分布具有如下特征：（1）裸露基巖型孤石運動過程中運動狀態(tài)大部分為彈跳，基本沒有滾動和滑動；彈跳高度在坡積物覆蓋段變低，墜落至坡腳游客棧道后仍有彈跳運動。彈跳落點81%～95%概率位于巖畫賦存區(qū)，模擬落石在該區(qū)域的能量為321～7451ikJ；落石最終在游客棧道彈跳數(shù)次后能量變?yōu)?，停留在游客棧道處，棧道處能量為331～7116ikJ（圖4a）。（2）孤石帶型孤石運動過程中起始運動狀態(tài)為彈跳，在植被覆蓋段開始轉(zhuǎn)為滾動和滑動，坡度變大后恢復為彈跳運動。其中30%～50%的落石最終落點在坡體巖畫賦存區(qū)以上，其余落石彈跳落點52%～72%位于巖畫賦存區(qū)，落石在該區(qū)域能量為341～8412ikJ，并且同一塊落石存在多個彈跳落點位于巖畫賦存區(qū)，落石在游客棧道處能量為434～7698ikJ（圖4b）。（3）泥石流溝型落石運動過程中起始運動狀態(tài)以滾動和滑動為主，直到坡底坡角變大時才轉(zhuǎn)為彈跳。70%～92%落石最終落點在游客棧道或者更遠，且彈跳落點68%～89%位于巖畫賦存區(qū)，落石在該區(qū)域的能量為301～7841ikJ，在游客棧道處能量為299～7378ikJ（圖4c）。在孤石失穩(wěn)滾落過程中，和巖石坡面發(fā)生碰撞時，由于該地區(qū)巖石力學性質(zhì)較好，抗壓強度可達180iMPa，其碰撞破裂速度閾值較高，因此模擬中暫未考慮碰撞破裂效應（呂慶等，2017）。

表3 34處孤石滾落模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of thirty-four rockfalls

圖4 不同類型落石軌跡模擬圖Fig.4 Simulation diagram of different rockfall trajectories

由以上對34處孤石的滾落過程和能量變化模擬結(jié)果的分析可知：（1）任意一種類型的孤石，彈跳落點有52%～95%的概率在巖畫賦存區(qū)，所具有能量為301～8412ikJ。（2）任意一種類型的孤石，最終落點有51%～95%的概率在游客棧道，所具有能量為299～7698ikJ。由此可見，全部類型孤石都會威脅到巖畫、游客和設施，且落石都具有高動能的特點，會對巖畫、游客和道路產(chǎn)生巨大破壞。因此亟須對孤石采取必要的治理措施。

3 孤石靜態(tài)破碎實驗

由于賀蘭山巖畫保護區(qū)是我國重點文物保護單位且對環(huán)境風貌要求嚴格，因此坡中設置谷坊、坡底設置攔石墻、架設主動防護網(wǎng)和被動防護網(wǎng)等方法被限制使用。雖然不同類型的孤石運動路徑有差異，但最終落點都嚴重威脅巖畫和游客安全，因此人工清理孤石是適合該區(qū)域孤石源頭治理的最佳方案。但研究區(qū)賦存孤石體積大，所處坡面坡度大，導致人工清理不僅難度大，且安全性不高。機械破碎、炸藥爆破會對巖畫載體產(chǎn)生不同程度的擾動，而靜態(tài)破碎劑因其污染小、無震動、無飛石的特點更適用于文物區(qū)孤石破碎處理。但靜態(tài)破碎劑的破碎效果受制于破碎巖體的巖性、當?shù)販囟葰夂蛱卣鞯纫蛩?，因此需要現(xiàn)場進行破碎劑布置方案優(yōu)化試驗，對破碎劑布置的布孔方式、水灰比、藥量等布置參數(shù)進行遴選，得出適用于該地區(qū)的破碎劑布置方案。

3.1 實驗設計

實驗選擇已經(jīng)滾落于溝底的孤石體積和上述34處孤石中優(yōu)勢體積相近的8塊孤石布置不同組方案平行對照實驗。實驗共分3步進行：第1步共設定3組不同水劑比（0.28、0.32、0.36），采用同樣的布孔方式（圖5a、圖5b），觀測其破碎時間、效果和膨脹壓力變化，得出最優(yōu)水劑比；第2步進行平行布孔和梅花布孔的布孔方式對比（圖5c、圖5d），采用第1步得出的水劑比，對比破碎時間、碎石體積和破碎劑用量結(jié)果，得出最優(yōu)布孔方式；第3步得到最優(yōu)水劑比和布孔方式后，設計間排距和抵抗線對比實驗，布置3組不同的間排距和抵抗線（A組間排距20icm抵抗線20icm；B組間排距20icm抵抗線25icm；C組間排距25icm抵抗線25icm），分別對破碎過程中應變變化進行監(jiān)測（圖5e、圖5f），最后依據(jù)應變變化結(jié)果和破碎后體積對比后得出最終布置方案（戴銀所，2015）。

圖5 破碎劑實驗過程圖Fig.5 The experimental process of static crushing agent

3.2 實驗方法與材料

實驗靜態(tài)破碎劑選用東科建材生產(chǎn)的HSCA－Ⅱ型，該破碎劑適用溫度為10～25i℃，12ih內(nèi)可產(chǎn)生大于45iMPa的膨脹壓力。應變監(jiān)測設備采用東華測試生產(chǎn)的DH3816N靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集箱可以通過USB口和筆記本計算機通訊；采集用應變片為定制120－100AA混凝土應變片，該應變片室溫應變極限為20i000iμm·m－1。稱重使用量程50ikg的手提式電子秤。

膨脹壓力監(jiān)測是在鉆孔周圍布置應變片，監(jiān)測裂隙產(chǎn)生前應變變化，配合巖石彈性模量監(jiān)測破壞前膨脹應力變化。應變監(jiān)測主要分為以下幾步：（1）依次選定合適的試塊按照設計方案進行應變監(jiān)測設備布置，在試塊上表面指定位置粘貼電阻應變片，用于監(jiān)測破碎過程應變變化；（2）布置完監(jiān)測設備以后進行破碎劑灌注，灌注時應該注意破碎劑漿液應保證隨用隨配，灌漿時間少于5imin；（3）灌注完成后立刻進行應變連續(xù)監(jiān)測；（4）等待石塊完全破碎后對破碎的石塊進行稱重，對比破碎后碎石質(zhì)量、應變變化，對最佳方案進行遴選。

3.3 實驗結(jié)果與分析

3.3.1 水劑比的影響

如圖6所示，不同水劑比的靜態(tài)破碎劑實驗結(jié)果如下：（1）三種水劑比中從灌入開始凝固到產(chǎn)生膨脹，再到開始產(chǎn)生裂縫，最后完全破碎所用時間為0.28最短，0.32次之，0.36最長；可灌入難易程度為0.36最優(yōu)，0.32次之，0.28最差（圖6a）。（2）不同水劑比破碎后碎石最大質(zhì)量分別為0.28水劑比產(chǎn)生最大碎石質(zhì)量6.9ikg，0.32水劑比為11.9ikg，0.36水劑比為19.7ikg。（3）不同水劑比膨脹壓力曲線隨時間的變化趨勢是一致的，大約分為3個階段：初期壓力緩慢增長階段、隨著水化反應進行壓力快速增長階段和后期壓力穩(wěn)定階段（圖6b）。鑒于破碎劑灌入時間嚴格控制在10imin以內(nèi)，灌入度差會影響破碎效果，治理要求應該盡可能快地完成破碎且破碎后不能有體積過大碎石（人工斜坡搬運極限為15ikg），因此該區(qū)域孤石治理建議采取0.32水劑比。

圖6 不同水劑比破碎效果對比圖Fig.6 Comparison chart under the effect of different water cement ratios

3.3.2 布孔方式的影響

不同布孔方式的靜態(tài)破碎劑實驗結(jié)果如下：（1）平行布孔條件下，裂縫橫向貫通和縱向貫通均勻，破碎后巖塊體積均勻；梅花布孔條件下，裂縫貫通效果較差，破碎形成巖塊體積大小不一（圖5g、圖5h）。（2）梅花布孔條件下，裂隙貫通時間、破碎時間和破碎形成巖塊質(zhì)量均遠大于平行布孔；而用劑量梅花布孔稍小于平行布孔（圖7）。鑒于平行布孔可以預期破碎過程裂隙貫通時間和破碎時間較短，破碎后碎石最大質(zhì)量便于人工清理，因此該區(qū)域孤石治理采用平行布孔的方式。

圖7 不同布孔方式實驗對比圖Fig.7 Comparison chart under the effect of different arrangement of holes

3.3.3 間排距及抵抗線的影響

如圖8所示，不同間排距應變靜態(tài)破碎劑實驗結(jié)果如下：（1）三組應變隨時間變化曲線都大致可以分為4個階段：膨脹力初期變化小，加之巖體強度較大，應變緩慢增長階段；隨著膨脹劑水分蒸發(fā)，膨脹力增大，貼于巖石表面的應變片應變迅速增長階段；當變形過大產(chǎn)生裂隙后裂隙互相擠壓后應變回落階段；應變最終達到一個穩(wěn)定值，呈一條直線，應變穩(wěn)定階段，此時應變片基本失效。（2）實驗A中應變緩慢增長階段結(jié)束點時間為18i120is，實驗B為24i545is，實驗C為25i805is，實驗A應變產(chǎn)生劇變所需時間最短。（3）實驗A中應變快速增長達到峰值所用時間為24i420is，實驗B為29i045is，實驗C為31i560is，實驗A試塊達到應變峰值（即破壞最大）點所需時間最短。（4）實驗A試塊完全破壞后巖塊重量最大為8.4ikg，相較于實驗B最大巖塊質(zhì)量15.5ikg和實驗C最大巖塊質(zhì)量22.5ikg，實驗A破碎效果最好。鑒于實驗A方案破壞時間短，破壞形成碎石質(zhì)量小，便于人工清理。因此該區(qū)域落石治理破碎劑建議采取間排距和抵抗線20icm的布置形式。

圖8 不同間排距和抵抗線應變變化圖Fig.8 Strain curves under different row spacing

4 結(jié) 論

（1）薄層狀變質(zhì)砂巖風化內(nèi)凹的臨空面、巖層層面與兩組節(jié)理組合切割巨厚層砂巖失穩(wěn)后堆積于坡面形成賀蘭口巖畫保護區(qū)落石主要來源。

（2）根據(jù)34處孤石所處位置、形狀特征、體積和失穩(wěn)后運動剖面特征的實測結(jié)果，將其劃分為基巖裸露型、孤石帶型和坡面泥石流型3種不同類型。

（3）34處孤石運動過程與能量變化數(shù)值模擬結(jié)果顯示，失穩(wěn)后彈跳落點有52%～95%的概率在巖畫賦存區(qū)，所具有能量為301～8412ikJ；最終落點有51%～95%的概率在游客棧道，所具有能量為299～7698ikJ。

（4）現(xiàn)場靜態(tài)破碎實驗與應變監(jiān)測結(jié)果表明，水劑比為0.32、平行布孔、間排距20icm和抵抗線20icm布置方案為最優(yōu)，靜態(tài)破碎結(jié)合人工搬運為巖畫保護區(qū)落石源頭治理的最佳方案。