尼泊爾某項目滾石災(zāi)害的工程地質(zhì)調(diào)查與評價*

丁 斌 孟永旭 裴曉東

(①上?？睖y設(shè)計研究院有限公司， 上海 200434， 中國)

(②中國三峽新能源(集團)股份有限公司， 北京 100053， 中國)

0 引 言

邊坡上巖體或崩坡積塊石失穩(wěn)后向下沿著坡面快速運動的石塊俗稱滾石。當(dāng)滾石造成了人員傷亡、建筑物損壞等后果就被稱為滾石災(zāi)害(張路青等， 2004)。隨著山區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路、公路、水電站等基礎(chǔ)設(shè)施項目日益增多，邊坡滾石問題越來越突出，滾石災(zāi)害造成的嚴(yán)重后果屢見不鮮(黃雨等， 2010)。

地質(zhì)災(zāi)害一般指滑坡、泥石流、崩塌、地震、地裂縫等大規(guī)模災(zāi)種。相比之下，滾石災(zāi)害具有其顯著特征(胡厚田， 1989)，應(yīng)單獨作為一類地質(zhì)災(zāi)害進行專門研究。

前人對滾石的運動特征、計算模型建立及風(fēng)險評價做了諸多研究，張路青等(2004)運用概率方法對公路沿線滾石的風(fēng)險性進行了評估分析； 唐紅梅等(2003)，呂慶等(2003)對邊坡危巖滾石的運動路徑進行了研究總結(jié)，并建立了相關(guān)計算模型； 黃潤秋等(2007)通過現(xiàn)場試驗對滾石的運動特征進行了研究，對危巖體整體防治提出了新的可行方法； 黃雨等(2010)將STONE，CRSP，RocFall等數(shù)值模擬軟件在滾石運動中的應(yīng)用進行了重點闡述，并介紹了滾石沖擊力的計算方法； 熊倩瑩等(2014)通過現(xiàn)場試驗和Rocfall軟件分析，對危巖體的影響范圍進行了劃分； 劉海洋等(2017)運用無人機航空攝影測量技術(shù)獲取崩塌區(qū)域地形數(shù)據(jù)，可有效解決崩塌區(qū)域地形測量難問題； 梅樂等(2018)運用GIS對崩塌源進行識別，利用Flow-R模擬出崩塌災(zāi)害影響范圍； 石碧波(2018)基于正態(tài)分布概率計算，改進了落石軌跡計算模型； 楊志法等(2019)提出山地旅游規(guī)劃工程地質(zhì)方法，為旅游景區(qū)落石災(zāi)害成因及其防治提供新思路。

滾石運動受諸多不確定性因素的影響，如物源區(qū)不穩(wěn)定體的規(guī)模、滾石的體積、形狀及其強度、邊坡的形態(tài)及物質(zhì)組成、植被發(fā)育情況等。Wang et al.(2014)對滾石風(fēng)險評估中不確定性因素進行了評估，證明了對不確定性因素的識別和量化在滾石風(fēng)險建模中的重要性。

滾石災(zāi)害的防護措施一般分為主動防護措施和被動防護技措施。主動防護措施是指防止落石發(fā)生，主要包括對危巖體進行錨固、支撐、注漿、勾縫、排水、主動防護網(wǎng)、提前排險清除等； 被動防護措施是指滾石發(fā)生后對其進行有效攔截，主要包括滾石擋墻、截石溝、攔石柵欄、攔石網(wǎng)、防滾石棚等(葉四橋等， 2007)。

2018年9月15日20時50分左右，尼泊爾某水電站2號支洞洞口下游側(cè)自然邊坡發(fā)生高位崩塌。崩塌后形成的滾石擊中項目部自卸車，致使2人死亡， 4人不同程度受傷的嚴(yán)重后果。通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，分析地質(zhì)災(zāi)害成因機制，作出調(diào)查結(jié)論。通過對現(xiàn)場遺留痕跡分析，推測出滾石的運動路徑，并還原出滾石的運動軌跡及運動速度，為防護措施方案的選用提供依據(jù)。

1 環(huán)境地質(zhì)條件

尼泊爾位于印度和歐亞板塊交界處喜馬拉雅弧形構(gòu)造帶內(nèi)。喜馬拉雅構(gòu)造帶經(jīng)歷了廣泛的地殼水平縮短和垂向加厚作用，形成了數(shù)條延伸上千千米以上的構(gòu)造帶，自北向南依次劃分為4個構(gòu)造單元：特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅、低喜馬拉雅和次喜馬拉雅構(gòu)造區(qū)(Megh Raj Dhital， 2015)。工程區(qū)位于高喜馬拉雅構(gòu)造單元內(nèi)，該構(gòu)造單元南部邊界為中央主斷裂(MCT)，北部邊界為藏南拆離系(STDFS)。

印度板塊和歐亞大陸的激烈碰撞作用表現(xiàn)在近南北向相對縮短速率可達(dá)50 mm·a-1，如今的匯聚速率略有降低，但仍以30～40 mm·a-1的速率向北運動，其中近一半的板塊匯聚縮短發(fā)生在喜馬拉雅構(gòu)造帶內(nèi)。沿著喜馬拉雅構(gòu)造弧形帶，已知歷史上發(fā)生過至少8次MW7.5級以上大地震。其中1833年和2015年大地震是對工程區(qū)影響最大的兩次地震，影響烈度達(dá)Ⅸ度。根據(jù)工程地震安全性分析成果，工程區(qū)100年、200年和1000年一遇地震動峰值加速度為0.1g、0.2g和0.4g，屬強震區(qū)。根據(jù)USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)網(wǎng)站資料， 2018年8月1日以來，工程近場區(qū)無大于MW2.5級以上的地震活動。

2018年6月進入雨季， 9月份以來降雨較多。9月1日至15日期間有12天有降雨， 9月15日上午災(zāi)害發(fā)生區(qū)域還有降雨發(fā)生。工程區(qū)緩坡地段植被良好，僅較大沖溝及基巖陡坡段植被較少。引水隧洞于2018年8月20日貫通， 9月份的施工主要在首部和廠房區(qū)域，災(zāi)害發(fā)生區(qū)近1個月來無人類活動。

綜上所述，第四系以來工程區(qū)所在的高喜馬拉雅構(gòu)造區(qū)地殼強烈抬升，造就了高山狹谷的地貌特征，加之多次震動的影響，山坡表層巖體松弛破碎，危巖體眾多，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了充足的地質(zhì)條件，是崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害活動最為強烈的地區(qū)之一。9.15災(zāi)害發(fā)生前災(zāi)害發(fā)生區(qū)無人類活動，災(zāi)害發(fā)生于天然邊坡上，非人類活動的影響，屬自然地質(zhì)災(zāi)害。

2 地質(zhì)災(zāi)害點地質(zhì)條件及活動特征

2號施工支洞下游地質(zhì)災(zāi)害點在前期地質(zhì)災(zāi)害排查中被編為2-4地質(zhì)災(zāi)害點，并設(shè)置有防護措施。地質(zhì)災(zāi)害點邊坡上部(高程約2100 m以上)基巖裸露，多呈弱風(fēng)化狀，為陡立的巖質(zhì)邊坡，部分段坡度大于80°，巖層產(chǎn)狀N10°W NE∠80°，與邊坡走向小角度相交，屬斜向巖質(zhì)邊坡，出露基巖為片麻巖，為硬質(zhì)巖，呈現(xiàn)中厚層-厚層狀。除層面節(jié)理外，尚發(fā)育有兩組節(jié)理，一組與邊坡小角度相交，產(chǎn)狀N70°E SE∠80°，另一組緩傾坡內(nèi)，產(chǎn)狀N50°E NW∠30°。層面節(jié)理與這兩組節(jié)理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體大小不一，有形成大型結(jié)構(gòu)體的條件。根據(jù)赤平投影分析，結(jié)構(gòu)體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不易失穩(wěn)。但在坡頂或地形突出的地段，受卸荷的影響可構(gòu)成傾倒式危巖體，同時當(dāng)下部巖體失穩(wěn)后可能形成墜落式危巖體。邊坡中部依舊為巖質(zhì)邊坡，坡度略緩，約45°左右，大部分地段植被良好，以松樹為主。邊坡中下部為土質(zhì)邊坡，由崩坡積體構(gòu)成，土質(zhì)松軟，植被茂密。邊坡發(fā)育兩條沖溝，近2號施工支洞的沖溝(以下簡稱上游沖溝)，溝內(nèi)多有崩塌堆積，溝內(nèi)陡坎處多基巖出露。下游沖溝規(guī)模較小，溝內(nèi)植被良好。

從邊坡地質(zhì)條件可見，上游沖溝上部基巖裸露的陡立邊坡是崩塌發(fā)生的主要物源區(qū)，初步估算物源區(qū)范圍至少約2000 m2。裸露基巖為中厚-厚層狀片麻巖，多呈弱風(fēng)化狀，巖石強度高，在裂隙的切割下能夠形成較大的塊體，為滾石的產(chǎn)生和運動提供便利條件，邊坡中部為崩塌體滾落區(qū)，中下部為堆積區(qū)。災(zāi)害發(fā)生前崩塌主要發(fā)育于上游沖溝上方，以碎屑的形式沿上游沖溝運移。2015年MW7.8級地震發(fā)生后地震災(zāi)害調(diào)查表明， 2-4地質(zhì)災(zāi)害點溝內(nèi)分布有崩塌形成的塊石，溝口的路面散落較多巖塊。說明地震后邊坡崩塌的物源及運移方式并未發(fā)生大的變化。

對比9.15災(zāi)害發(fā)生前后的照片(圖1～圖2)發(fā)現(xiàn)，崩塌主要發(fā)生于上游沖溝附近，其他區(qū)域崩塌現(xiàn)象不明顯。但9.15地質(zhì)災(zāi)害時崩塌明顯向高高程擴展?？梢姳緟^(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生于沖溝附近，且符合下部巖體失穩(wěn)形成墜落式危巖后巖體崩塌繼續(xù)向高高程擴展的規(guī)律。

圖1 9.15災(zāi)害發(fā)生前邊坡圖

圖2 9.15災(zāi)害發(fā)生后邊坡圖

3 滾石地質(zhì)災(zāi)害成因機制分析

3.1 災(zāi)害發(fā)生經(jīng)過

9.15地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于2018年9月15日20時50分左右，由于天黑，無目擊災(zāi)害發(fā)生過程的人員。根據(jù)受傷人的口述： 20時10分左右， 9名工人步行途經(jīng)2號支洞附近時，發(fā)現(xiàn)施工道路上有落石，于是聯(lián)系裝載機前來清理。在裝載機清理路面落石過程中，約20時50分，在場人員發(fā)覺上部邊坡突然落石，自卸車、裝載機和人員都后退避險。避險過程中，自卸車被滾石砸中并翻落至坡底(坡高約80 m)。據(jù)調(diào)查，災(zāi)害發(fā)生區(qū)對面當(dāng)?shù)鼐用穹从?，事發(fā)時聽到了巨大的響聲。

現(xiàn)場崩塌堆積物主要分布于沖溝內(nèi)，且上部碎石較多，溝口路面也有大量落石，事發(fā)點有回彈坑?？梢姳緟^(qū)總計發(fā)生兩次崩塌事件，且第2次的規(guī)模大于第1次。自卸車被吊起放平，發(fā)現(xiàn)該車左前方有約0.5 m×0.5 m孔洞，孔洞內(nèi)壁鐵皮向下緊貼四周，轉(zhuǎn)向臂斷裂痕跡與路面掉落部分痕跡吻合，其他部位未發(fā)現(xiàn)明顯滾石撞擊痕跡?？梢娷囕v當(dāng)時僅被一塊滾石擊中，且方量較大，與現(xiàn)場只有一個回彈坑的撞擊特征相吻合。

3.2 災(zāi)害現(xiàn)場痕跡分析

通過對9.15地質(zhì)災(zāi)害后現(xiàn)場進行詳細(xì)工程地質(zhì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，崩塌物主要散落于上游沖溝路面上，其他地區(qū)很少見到崩塌的塊石，說明大部分崩塌形成的塊石依然沿上游沖溝運移。事故點僅在車輛側(cè)翻處的路面有回彈坑，但路面無碎石僅有幾個斷裂的松樹枝，道路內(nèi)側(cè)邊坡可見滾石與地面的劃痕。擦痕走向140°，傾角55°，說明擊中車輛的滾石路徑為NW320°，指向沖溝拐彎處。

沿程調(diào)查發(fā)現(xiàn)在這一路徑上有少量的碎石分布，在沖溝下游側(cè)山梁上有石塊卡在較大的樹枝上，其方向指向沖溝下游側(cè)； 根據(jù)被石塊打斷的松樹斷口方向判斷滾石飛行方向也是指向沖溝下游側(cè)。根據(jù)這些現(xiàn)象分析判斷滾石的軌跡線與落點擦痕方向基本一致，滾石在空中斜越兩個沖溝的山梁。滾石與樹木的擦痕高于地面4 m。

通過對上游沖溝的進一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在陡立邊坡下部，沖溝急轉(zhuǎn)向下游側(cè)，且溝面傾向下游，如圖3所示。溝內(nèi)堆積有大量碎石，且在沿溝方向有少量石塊分布。說明沖溝上方崩塌體墜落至此部位后破碎形成滾石，為第1撞擊點(圖4)。

圖3 沖溝流向變化

圖4 第1撞擊點及散落碎石

高位崩塌區(qū)的方量約500m3左右，塌落后的坡形表現(xiàn)為明顯的墜落特征，說明產(chǎn)生了較大規(guī)模的崩塌，強烈撞擊會產(chǎn)生很大的聲響，被對岸的當(dāng)?shù)卮迕衤牭绞钦５摹?/p>

低位崩塌區(qū)邊坡不具備發(fā)生大規(guī)模崩塌的條件?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有撞擊痕跡，且位于滾石飛行的路徑上，分析認(rèn)為此處為滾石的撞擊點，通過現(xiàn)場調(diào)查分析，未發(fā)現(xiàn)該撞擊點至第1撞擊點間有明顯的滾石撞擊痕跡，可認(rèn)定該處為滾石的第2撞擊點。

零星落石點至車輛撞擊點的方向大約為120°，與地面擦痕方向差異較大。故認(rèn)為擊中車輛的滾石來源此處的可能性不大。

根據(jù)以上痕跡分析，高位崩塌區(qū)發(fā)生崩塌，在撞至第1撞擊點后形成滾石，滾石軌跡方向約140°，在沖溝下游側(cè)撞擊第2落點發(fā)生彈跳后砸中位于路面的自卸汽車?，F(xiàn)場整體災(zāi)害痕跡如圖5所示。

圖5 災(zāi)害痕跡圖

3.3 地質(zhì)分析

高陡邊坡危巖塌落形成的滾石具有突然性、運動速度快和路徑不確定的特點。一般崩塌發(fā)生后，巖塊運動方向與地形等高線垂直，當(dāng)發(fā)生撞擊時，運動方向常會發(fā)生改變。根據(jù)崩塌區(qū)地質(zhì)條件分析認(rèn)為其機理如下：

崩塌區(qū)地形坡度陡立。崩塌區(qū)巖體受節(jié)理切割，結(jié)構(gòu)體傾向坡內(nèi)，不易發(fā)生滑動，大部分結(jié)構(gòu)體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。由于巖體卸荷、長期風(fēng)化、雨水侵蝕等作用，在坡頂或地形突出的地段存在傾倒式危巖體，當(dāng)下部巖體失穩(wěn)后，將形成墜落式危巖。經(jīng)過多次崩塌后，崩塌區(qū)高位結(jié)構(gòu)體由傾倒式轉(zhuǎn)變?yōu)閴嬄涫?，具有發(fā)生較大規(guī)模崩塌的地質(zhì)條件。9月15日第1次崩塌后，導(dǎo)致崩塌區(qū)上部巖體的穩(wěn)定性變差，發(fā)生2次崩塌，第2次崩塌體積約500m3，墜落的巖體在高速下落過程中，擊中沖溝谷轉(zhuǎn)彎處傾向下游的溝床，崩塌體分解過程中大部分巖塊沿沖溝以屑碎流的形式運行，部分巖塊運行方向發(fā)生改變，拋向下游，其中一部分散落在邊坡上，個別大塊石向溝谷下游做斜拋運動，在擊中第2撞擊點后發(fā)生跳躍并擊中正避險的車輛而引發(fā)事故。因此，高位危巖體崩塌撞擊溝床后形成滾石是造成事故的直接原因。

3.4 落石軌跡及能量分析

滾石運動與很多不確定性因素相關(guān)，前節(jié)對物源區(qū)規(guī)模與滾石途經(jīng)的邊坡形態(tài)、物質(zhì)組成、植被發(fā)育情況等做了描述說明。滾石的運動軌跡還與滾石本身的塊度、形狀及力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。本節(jié)就滾石本身的這些不確定性因素做簡要的補充說明。

危巖體整體脫離母巖時，體積普遍較大，體內(nèi)裂隙發(fā)育，擊中溝谷溝床后，崩塌體分解，分解后的巖塊完整性好。對比該災(zāi)害點本次和以往的災(zāi)害現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，散落在溝口和路面的滾石塊徑一般為0.2～1.5 m，呈棱角狀，原巖巖性為片麻巖，強度高。

通過對本次災(zāi)害現(xiàn)場痕跡和自卸車底盤上殘留的孔洞分析，擊中自卸車的滾石塊徑約0.5 m，滾石的密度約2.7g·cm-3。

危巖落石的運動狀態(tài)一般分為墜落、滑動、滾動、碰撞彈跳、斜拋運動。危巖落石在空中飛行時，空氣阻力、風(fēng)力及風(fēng)向等都對其有影響，但其影響與飛石的形狀、大小等諸多因素有關(guān)，是非線性的，很難將其量化。且這些因素都會導(dǎo)致飛石的運動速度和能量降低，若不考慮這些因素的影響，對支護措施設(shè)計和防護是有額外安全度的。本節(jié)對落石做如下假設(shè)： ①將巖塊視為均質(zhì)體，不考慮巖塊散體對飛行路徑的影響； ②不考慮巖塊在空中飛行時的自轉(zhuǎn)； ③不考慮空氣阻力、風(fēng)力及風(fēng)向的影響。

(1)墜落。墜落指危巖體脫離母巖后，只在重力作用下的運動。

(2)滑動或滾動。滾石沿著坡面運動時一般分為滑動或滾動。當(dāng)坡角較大，即mgsinα>f時，滾石將沿坡面滑動; 當(dāng)坡角較緩時，則為滾動?；瑒訝顟B(tài)下，滾石的加速度a見式(1)，滾石沿坡面滑動s距離后的速度νt見式(2)。

(1)

(2)

式中：α為邊坡坡角(°)；f為滑體的抗滑力(N)；μ為滑塊與坡面間的摩擦系數(shù)；ν0為滑塊剛開始滑動時的初始速度(m·s-1)。

(3)碰撞彈跳及斜拋運動。滾石撞擊地面時屬于非彈性碰撞，需將撞擊前瞬間的水平速度ν1x和豎直速度ν1y分解為順坡面的切線速度ν′1x和垂直坡面的法向速度ν′1y，相關(guān)公式見式(3)～式(4)，其中α為撞擊點處邊坡坡角。

v′1x=v1xcosα+v1ysinα

(3)

v′1y=v1ycosα-v1xsinα

(4)

根據(jù)前人的研究，切線速度的變化由瞬間摩擦決定，即滾石碰撞后順坡面的切線速度將變?yōu)棣汀?x，式中Rt為切向恢復(fù)系數(shù)。

v′2x=Rtv′1x

(5)

法向速度的變化可根據(jù)牛頓等人提出的碰撞理論來確定，滾石碰撞后法線速度將變?yōu)棣汀?y，且方向由垂直坡面向下變?yōu)榇怪逼旅嫦蛏?，式中Rn為法向恢復(fù)系數(shù)。

v′2y=Rnv′1y

(6)

上述兩個恢復(fù)系數(shù)是估算落石軌跡的重要參數(shù)。實踐經(jīng)驗表明，碰撞點若出露基巖，且強度越高，碰撞越趨向于彈性碰撞，能量損失較小，相應(yīng)的恢復(fù)系數(shù)取值越大； 相反，碰撞點若為松散的覆蓋層或植被茂密，能量損失較大，相應(yīng)的恢復(fù)系數(shù)取值較小。根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗，一般情況下，滾石碰撞彈跳的切向恢復(fù)系數(shù)Rt在0.4～0.9之間，法向恢復(fù)系數(shù)Rn在0.2～0.5之間(呂慶等， 2003)。

然后再將修正后順坡面的切線速度ν′2x和垂直坡面的法向速度ν′2y分解為水平方向速度ν2x和豎直方向速度ν2y，見式(7)～式(8)：

v2x=(Rtcosα2-Rnsina2)v1x+(Rt+Rn)sinαcosαv1y

(7)

v2y=(Rncosα2-Rtsina2)v1y-(Rt+Rn)sinαcosαv1x

(8)

此后滾石將做斜拋運動，當(dāng)豎直方向速度減小至0時滾石到達(dá)最高點，接著滾石將做平拋運動，直到觸碰至下個碰撞點，整個過程軌跡如圖6所示。

圖6 滾石斜拋運動軌跡圖

圖中各個未知量的計算公式見式(9)～式(12)：

(9)

(10)

(11)

H=Smaxtanα

(12)

滾石離開某個碰撞點后做斜拋運動至下一個碰撞點之間的歷時時間t，見式(13)。

(13)

滾石即將撞擊下個碰撞點前瞬間的水平速度ν3x和豎直速度ν3y分別為：

v3x=v2x

(14)

(15)

滾石再次碰撞后，將重復(fù)上述過程運動。當(dāng)滾石沿法向向上的速度趨于0時，滾石將順坡滑動或滾動，直至最終停下來。

(4)落石軌跡及能量計算。無人機具有操作方便，可視化強，工作效率高等優(yōu)點(王帥永等， 2016)，尤其是在類似山高坡陡，地形復(fù)雜，植被相對稀疏的地區(qū)進行地質(zhì)災(zāi)害排查和高精度、高分辨率的地形測量具有得天獨厚的優(yōu)勢。但尼泊爾是無人機管制國家，若想使用，申請手續(xù)相當(dāng)繁瑣，本次工程地質(zhì)調(diào)查未能使用無人機進行調(diào)查與測量。

根據(jù)調(diào)查成果，危巖體崩塌后形成的滾石運動軌跡平面示意圖如圖7所示。根據(jù)調(diào)查出的撞擊點位置、物質(zhì)組成及幾何特征，再運用運動學(xué)原理反分析出撞擊點處的恢復(fù)系數(shù)。落石的運動過程如下：危巖體在O點脫離母巖后沿OA斜面(129°)滑動，到達(dá)A點與基巖面發(fā)生碰撞。由于此時巖塊的體積很大，碰撞產(chǎn)生了巨大的響聲。碰撞后大部分巖塊分解沿沖溝以碎屑流的形式向下滑落，部分大塊石沿145°方向做斜拋運動。在自重作用下，豎直速度迅速增大，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，到達(dá)B點后發(fā)生第2次碰撞，此時落石的動能非常大，碰撞又一次產(chǎn)生了巨大的響聲。第2次碰撞點植被茂密，土質(zhì)松軟，吸收了較大的能量。碰撞后落石再次做斜拋運動，由于碰撞后初始豎直分速度較小，滾石運動軌跡近乎平行于坡面。最終碰撞至C點，而此時自卸車司機根據(jù)山體上傳來的異響正在倒車后退，正退至C點。滾石在C點再次反彈，擊中了自卸車底盤，導(dǎo)致車側(cè)翻后順邊坡滾落至坡底，造成了嚴(yán)重的安全事故。

圖7 巖體崩塌后落石運行軌跡平面示意圖

根據(jù)上述理論公式計算，滾石整個運動過程的幾何及力學(xué)參數(shù)見表1，滾石的運動軌跡見圖8。

表1 滾石幾何參數(shù)及運動參數(shù)

圖8 滾石運行軌跡剖面示意圖

從表1中可知，危巖體整個運動過程不到25 s，尤其是撞至A點產(chǎn)生巨大聲響后到滾石擊中自卸車該過程不足13 s。這個時間不足以讓自卸車司機在天黑慌亂的情況下將車倒退至安全地帶。根據(jù)動能公式可知，擊中自卸車滾石能量E=34 kJ。

3.5 綜合分析

綜合以上分析： 2-4地質(zhì)災(zāi)害點地質(zhì)災(zāi)害活動具有向高高程擴展的特征。9月15日第1次崩塌后，導(dǎo)致超高位的巖體下部臨空，由傾倒式轉(zhuǎn)變?yōu)閴嬄涫?，發(fā)生較大規(guī)模的二次崩塌。部分崩塌體在高速下落過程中，擊中沖溝谷轉(zhuǎn)彎處傾向下游的溝床，分解后部分巖塊運行方向發(fā)生改變，向溝谷下游做斜拋運動，在擊中第2落點后再次彈跳，由于滾石速度快能量大，擊中正避險的車輛引發(fā)事故。

3.6 支護措施建議

物源區(qū)邊坡整體穩(wěn)定，但存在不穩(wěn)定塊體，從不確定性因素角度考慮，年發(fā)生概率較低，但一旦發(fā)生，危害性大。

隨著崩塌災(zāi)害的繼續(xù)發(fā)生，崩塌危巖體的位置有向高高程擴展的趨勢，與前期發(fā)生的災(zāi)害相比，后期落石運動路徑及落石墜落區(qū)域的不確定性增大，災(zāi)害點前期防護措施整體有效，需進一步清理維護，但更重要的是在滾石可能影響范圍內(nèi)進行有效的攔截防護。

為災(zāi)害后設(shè)置有效的防護裝置，需要掌握超高位危巖體崩落后運動至進場道路處的飛行高度及能量大小范圍。利用rocfall軟件對超高位危巖運動軌跡進行隨機模擬分析，假定超高位崩落的危巖體是直徑約為0.5 m，質(zhì)量約175 kg的巖塊，質(zhì)地堅硬； 初始速度為0； 不考慮角速度； 邊坡粗糙度均設(shè)為2°。其余rocfall軟件中所需的邊坡相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 邊坡基本參數(shù)

滾石軌跡如圖9所示，從圖中可知，大多數(shù)滾石離開第2撞擊點后將處于低空飛行狀態(tài)。這與現(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)的滾石與樹木間的擦痕高度相匹配。

圖9 Rocfall軟件模擬滾石運行軌跡

通過rocfall軟件分析計算，滾石運動過程中能量變化如圖10所示。

圖10 滾石運動中的動能變化

可見滾石運動至盤山公路時的能量約200 kJ，且滾石均為硬質(zhì)巖，強度高，塊徑一般為0.2～1.5 m，破壞能力強。普通的鋼絲網(wǎng)無法有效攔截。張口式簾式網(wǎng)具有很強的韌性，防護能級高，且具有攔截和引導(dǎo)的雙重功能(呂漢川等， 2018)，可有效解決傳統(tǒng)攔截系統(tǒng)清理難度大的問題。

隧洞進口及盤山道路上部邊坡可采用張口式簾式網(wǎng)對高陡邊坡滾石進行防護。防護網(wǎng)設(shè)置時，最好直立并略向下游傾斜，這樣能夠更好地對滾石進行攔截。建議防護裝置設(shè)置如圖11所示。

圖11 張口式簾式網(wǎng)支護方案示意圖

除了設(shè)置防護網(wǎng)外，還可以在第2撞擊點一定范圍內(nèi)布置一定厚度的砂土，這對落石的能量有較強的吸收作用，能夠有效降低滾石災(zāi)害的風(fēng)險。

4 防護措施和災(zāi)害評價

2015年4.25大地震后2號洞洞口下游沖溝落石問題比較突出，根據(jù)安全需要項目部采取了以下安全措施：清除洞口邊坡左側(cè)松散的碎屑物質(zhì)并進行噴砼防護； 在洞口邊坡上方建多道防護網(wǎng)，并設(shè)置排水系統(tǒng)； 在下游沖溝上方不同位置處建造三道鉛絲籠擋墻； 在落石頻發(fā)路段完成了預(yù)制混凝土人行通道的修建，并在上部鋪設(shè)了一定厚度的砂土； 所有車輛和移動設(shè)備應(yīng)停放在遠(yuǎn)離洞口及滾石可能出現(xiàn)的位置； 安排了專職安全員24 h值守，主要負(fù)責(zé)人員出入登記和邊坡巡查。

通過本次現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以上預(yù)防邊坡滾石災(zāi)害的安全措施均具有一定的成效。人行通道頂部堆積了大量碎屑物質(zhì)，且外側(cè)有被落石擊中刮擦的痕跡，人行通道內(nèi)部完好無損； 沖溝中建造的鉛絲籠擋墻阻擋了大量順溝滑落的碎屑物質(zhì)； 修建的防護網(wǎng)大部分已被落石擊穿。

9.15地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于前期排查的2-4地質(zhì)災(zāi)害點范圍內(nèi)。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)為天然邊坡，無人類活動的影響，屬自然地質(zhì)災(zāi)害。

9.15地質(zhì)災(zāi)害共發(fā)生兩次崩塌，第1次規(guī)模較小，無人員和財產(chǎn)損失，第2次崩塌發(fā)生在排險過程中，為超高位巖體崩塌，由于滾石速度快，且其落石的范圍超過前期預(yù)測的危險區(qū)，司機在短時間內(nèi)無法完全將車倒至安全地帶，是造成事故的主要原因。

除洞口附近處的危巖體可采取清除或錨固的方法處理，其余區(qū)域均為高陡邊坡，只能采取被動防護措施。

該邊坡屬于超高邊坡，一旦發(fā)生崩塌后，滾石的速度快，能量大，路徑不明確，覆蓋范圍大。需對危險區(qū)范圍進行重新劃定，并在危險區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置被動防護網(wǎng)，應(yīng)采用高度不小于5 m的張口式簾式網(wǎng)代替前期的鉛絲籠攔網(wǎng)； 在危險區(qū)樹立警示牌，拉警戒線，要求行人觀察后快速通過，不允許在危險區(qū)逗留； 嚴(yán)禁夜間處理災(zāi)害不明的崩塌體和落石； 要進一步健全地質(zhì)災(zāi)害防范體系，完善地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)路線，有針對性地加強員工地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置和避險培訓(xùn)。

5 結(jié)論與建議

工程區(qū)邊坡高陡，松散物源豐富。2015年地震后加劇了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有時效性，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生部位和影響范圍可能發(fā)生變化，且滾石災(zāi)害突發(fā)性強，速度快，建議對工程區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進行排查，劃分危險源和危險區(qū)，重新確定地質(zhì)災(zāi)害防范措施。

利用奧維地圖、羅盤、測距儀等進行現(xiàn)場定位有一定的誤差，尤其在滾石的實際運動路徑、碰撞點的實際特征、計算參數(shù)取值及數(shù)值模擬結(jié)果等方面的不確定性較大，建議在條件允許下可用無人機對類似工程物源區(qū)做詳細(xì)調(diào)查，識別崩塌體的位置、規(guī)模并量化風(fēng)險分析中的不確定性因素，測量高精度地形圖，提高定量計算和模擬的可信度，為實際工程災(zāi)害排查與防護提供切實有效的決策建議。

工程區(qū)域大多為高陡邊坡，除洞口附近可采用主動防護措施外，其余均只能采取被動防護措施，張口式簾式網(wǎng)防護能級高，推薦采取張口式簾式網(wǎng)對危險區(qū)高陡邊坡滾石進行防護。