溜石坡崩塌體運動過程與防治措施研究*

李 壯，楊志全，朱穎彥，雨德聰

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093;2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093;3.昆明理工大學(xué) 云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質(zhì)病害早期快速判識與防控重點實驗室，云南 昆明 650093;4.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

中巴經(jīng)濟走廊是“一帶一路”建設(shè)的先行先試區(qū)，戰(zhàn)略意義重大[1]。溜石坡是中巴公路北部地區(qū)發(fā)育的1類特殊高寒高山冰川地帶的邊坡地質(zhì)災(zāi)害類型,在中巴公路北段，溜石坡成為交通安全的嚴(yán)重威脅。溜石坡在天然條件下形成休止角，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，一旦該狀態(tài)遭到破壞，會引起坡面連續(xù)不斷地溜滑與垮塌。天然坡面成為巖崩或滾石的輸運通道，直接將落石傳輸至路面，過往車輛頻繁被滾落的巨石或跳躍的石塊擊中，可能造成車量損毀和人員傷亡[2-5]。

目前眾多學(xué)者針對滾石運動及溜砂坡防治開展大量研究：何思明等[6-7]針對滾石災(zāi)害推導(dǎo)滾石沖擊力公式，計算對防護結(jié)構(gòu)的沖擊力，模擬并研究滾石法向沖擊力及其動力響應(yīng)特征；畢鈺璋等[8]針對高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流采用二維離散元進行模擬得出防護結(jié)構(gòu)對碎屑流消耗動能的防護作用；孫新坡等[9]通過離散元與有限差分耦合的計算方法，分析崩塌體與攔石墻動力沖擊響應(yīng)，優(yōu)化攔石墻的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)模型；來志強等[10]運用離散元法模擬溜砂坡堆積過程，建立顆粒形態(tài)及粒間摩擦因數(shù)與溜砂坡堆積形態(tài)的相關(guān)關(guān)系。但是針對中巴公路溜石災(zāi)害的研究較少，需進一步研究其防護措施并進行驗證。

本文通過分析溜石坡特征與災(zāi)害發(fā)生過程提出針對溜石災(zāi)害的防護措施，基于有限差分與離散元耦合方法，對在溜石災(zāi)害發(fā)生過程中溜石崩塌體受防護裝置影響后的運動狀態(tài)與公路擋墻動力沖擊響應(yīng)進行分析，從而獲得溜石崩塌體運動特征，完善防護裝置在溜石災(zāi)害防治中的設(shè)計理論。

1 溜石崩塌體沖擊防護結(jié)構(gòu)數(shù)值模型及參數(shù)確定

1.1 區(qū)域概況

中巴公路地處帕米爾高原腹地，穿越喀喇昆侖山脈、興都庫什山脈和喜馬拉雅山脈，地形起伏較大，整體地勢北高南低。該區(qū)域的冰川、河流、干燥、冰緣等地貌均較發(fā)育，此外存在湖泊、重力等多種地貌組合類型[11-12]。中巴公路沿線典型溜石坡分布如圖1所示。由圖1可知，溜石坡主要分布在蘇斯特(Sost，K726)至紅其拉甫(Khunjerab Pass，K811)路段，蘇斯特以南部分路段也有分布，但規(guī)模較小。K777 樁處板巖類溜石坡如圖2所示，其形態(tài)上呈現(xiàn)上陡下緩的地貌特征。中巴公路沿線溜石坡剖面如圖3所示。

圖1 中巴公路沿線典型溜石坡分布

圖2 K777樁處板巖類溜石坡

圖3 中巴公路沿線溜石坡剖面

溜石坡發(fā)育在泥巖、板巖及石灰?guī)r分布區(qū)。泥巖、板巖及石灰?guī)r的巖性決定溜石坡崩積物顆粒的尺寸粒度與形態(tài)隨巖石類型不同而變化，同一區(qū)域內(nèi)溜石崩塌體形態(tài)統(tǒng)一，是中巴公路沿線巖體受冰劈風(fēng)化作用下形成的1種獨特的山體崩塌現(xiàn)象。

溜石坡堆積區(qū)存在“二元結(jié)構(gòu)”。溜石坡坡面堆積層結(jié)構(gòu)由表礫層與底粒層2層組成，上層表礫層由巖礫組成，粒徑0.05～0.20 m，厚度約0.15～0.20 m；下層底粒層由含有黏粒的連續(xù)級配巖屑組成，相比表層，粒徑相差1個數(shù)量級以上，有一定層度的固結(jié)。從坡頂?shù)狡轮?，溜石坡無明顯的重力分選作用，坡頂顆粒粒徑、堆積層結(jié)構(gòu)與坡腳處無明顯變化[13]。

1.2 降速格柵防擋裝置介紹

溜石坡由于自身特點導(dǎo)致工程防治較困難，目前常用的穩(wěn)定措施包括深部固砂、圍欄固表、生物治理以及設(shè)置重力式擋土墻、棚硐、防沖擋水物、落石臺等。結(jié)合溜石坡實際情況，提出設(shè)置降速格柵擋墻的防護措施，用于減少溜石對公路或橋梁的沖擊破壞，同時減少巨石滾落中對過往車輛及行人的潛在威脅。中巴公路降速擋墻模型如圖4所示。溜石降速格柵擋墻可選用C30混凝土澆筑，其上均勻分布方孔，孔徑與溜石平均粒徑相同，可根據(jù)實地情況選用的孔徑范圍為0.1～0.2 m。當(dāng)坡頂大量溜石夾帶巨大滾石突發(fā)向下滾落時，大量的溜石和巨大滾石帶有巨大的沖擊力，若其全部沖到路面上可嚴(yán)重破壞路面堵塞交通，采用降速格柵擋墻，可達(dá)到降低溜石滾動速度、減小沖擊力、阻止溜石坡規(guī)模進一步擴大的目的。

圖4 中巴公路降速擋墻模型

1.3 模型概況

根據(jù)實地勘測及現(xiàn)場調(diào)查報告，K777樁處板巖類溜石坡高程差53.8 m，坡長62.8 m。溜石災(zāi)害模擬計算模型如圖5所示，大規(guī)模溜石體采用PFC中顆粒模擬，根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]對顆粒體構(gòu)建過程進行優(yōu)化，溜石降速格柵擋墻、底部基巖、公路擋墻皆由FLAC3D中實體單元模擬，將滑動面與溜石降速擋墻，由zone-wall單元全部覆蓋，在模擬過程中進行力的傳遞，以達(dá)到離散元與有限差分單元耦合的目的。溜石崩塌體體積為9.3 m3，為對比不同直徑顆粒對降速格柵擋墻和公路擋墻的沖擊效果，以及降速格柵擋墻對不同粒徑溜石的降速效果，需進行多次模擬，故溜石粒徑選取0.15～0.20 m并進行5次模擬，由于溜石坍塌體體積固定，且受半徑影響，顆粒數(shù)設(shè)為1 054～2 466。同時進行1次混合顆粒模擬，顆粒半徑選取為0.15～0.20 m，共2 227個顆粒，顆粒半徑服從高斯分布。

圖5 溜石災(zāi)害模擬計算模型

1.4 模型參數(shù)選取

Itasca公司為FLAC3D和 PFC3D 提供1種基于Socket(I/O)規(guī)則的計算耦合方法。其基本的原理是在 FLAC3D和PFC3D之間建立數(shù)據(jù)信息通道，通過相互傳遞信息實現(xiàn)同步耦合計算[16]。

有限差分與離散元耦合溜石坡模擬流程如圖6所示。通過此方法可實現(xiàn)大規(guī)模溜石垮塌模擬計算。本文所進行的一系列模擬是通過2種軟件耦合計算實現(xiàn)溜石與底部基巖、降速格柵擋墻之間力的相互作用，模擬在溜石崩塌發(fā)生過程中溜石對底部基巖應(yīng)力的影響以及降速格柵擋墻對溜石運動過程的影響。在溜石崩塌發(fā)生過程中所關(guān)心的對象主要為溜石本體，采用有限差分與離散元耦合方法可在達(dá)到模擬目的基礎(chǔ)上加快運算速率，大幅節(jié)約計算時間。文獻(xiàn)[17]也表明研究有限差分網(wǎng)格可提高運算精度。

圖6 有限差分與離散元耦合溜石坡模擬流程

模擬的參數(shù)分為有限差分網(wǎng)格參數(shù)與離散元宏微觀材料參數(shù)。其中有限差分網(wǎng)格參數(shù)又分為底部板巖基巖參數(shù)與C30混凝土參數(shù)，底部板巖參數(shù)采用庫倫-摩爾(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型，通過對板巖實驗獲得參數(shù)，通過單軸壓縮實驗驗證模擬結(jié)果，單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。C30混凝土在整個模擬過程中屬于強度界限以下的人造材料且物理力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定，所以采用各向同性彈性模型(Elastic Isotropic Model)，并根據(jù)文獻(xiàn)[18]選取參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

圖7 單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

表1 有限差分區(qū)域材料參數(shù)

關(guān)于阻尼系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]的數(shù)據(jù)統(tǒng)一選取切向與法向阻尼系數(shù)，均為0.2。離散元顆粒密度采用實驗測得板巖顆粒密度，由于在離散元求解方法中，顆粒的接觸微觀參數(shù)決定其宏觀運動行為，但是目前針對板巖微觀參數(shù)的選取并無有效且快速的選取辦法，通過分析文獻(xiàn)[20-22],對原始參數(shù)進行修正標(biāo)定得到適用于溜石邊坡的微觀力學(xué)參數(shù)。在模擬溜石崩落垮塌過程中，顆粒之間呈現(xiàn)松散體狀態(tài)，模擬顆粒間的接觸關(guān)系采用線性接觸模型(Linear contact model)，離散元顆粒參數(shù)見表2。

表2 離散元顆粒參數(shù)

2 溜石崩塌體降速效果及防護結(jié)構(gòu)沖擊模擬結(jié)果分析

2.1 溜石崩塌體運動過程分析

為探究降速格柵擋墻在溜石崩塌體運動過程中的影響作用，選取0.15～0.20 m溜石顆粒進行模擬對比。溜石崩塌體在重力作用下運動的全過程如圖8所示。因基巖形變量對應(yīng)底部有限差分網(wǎng)格變形量，故溜石位移量對應(yīng)離散元顆粒位移量。由圖8可知，在溜石堆積體崩塌過程中溜石崩塌體底部首先滑落，使穩(wěn)定形態(tài)發(fā)生破壞，頂部顆粒體隨之運動，溜石崩塌體各處顆粒在起始過程中因運動態(tài)不同導(dǎo)致后續(xù)顆粒體分布于坡面之上。

圖8 擋墻作用溜石體滑動演化過程對比

在無降速格柵擋墻防護裝置情況下，溜石繼續(xù)下滑撞擊公路擋墻，由于速率較大，部分顆粒飛濺，溢出擋墻落于公路之上，造成安全隱患。

在布置降速格柵擋墻后，溜石在坡面運動中受到擋墻降速作用，粒徑小于格柵孔徑的溜石顆粒徑順利通過，并在通過擋墻過程中消耗內(nèi)能降低速率，粒徑大于格柵孔徑的溜石被阻擋。即使后續(xù)溜石部分落于公路，由于溜石粒徑較小、速度較低并不會對過往車輛造成影響。

2.2 格柵擋墻降速效果分析

通過ITASCA公司開發(fā)的FISH語言撰寫程序，利用該程序?qū)崟r記錄每個顆粒瞬時速度，并計算其平均值(運動過程中全部顆粒平均速度變化)。

溜石粒徑為0.15～0.20 m情況下，在溜石災(zāi)害發(fā)生時，有無格柵降速擋墻2種情況下全部溜石平均速度變化情況如圖9所示。安裝降速格柵擋墻后溜石顆粒對比自然情況提前進入減速狀態(tài)，在溜石粒徑為0.15～0.20 m情況下平均速度峰值下降9.39%。

圖9 0.15～0.20 m混合粒徑溜石運動平均速率對比

溜石堆積體在0.15～0.20 m不同均勻粒徑條件下，有無格柵降速擋墻2種情況下，災(zāi)害發(fā)生過程中溜石平均速度峰值情況如圖10所示，平均運動速度峰值與溜石粒徑呈正相關(guān)。各均勻粒徑下溜石災(zāi)害發(fā)生過程中，全部均勻溜石顆粒平均速度變化過程與溜石粒徑為0.15～0.20 m混合情況下基本相同。

圖10 不同均勻溜石粒徑運動平均速率對比

不同均勻溜石粒徑運動平均速率峰值對比及其降速比變化如圖11～12所示。

圖11 不同均勻溜石粒徑運動平均速率峰值對比

圖12 不同均勻溜石粒徑運動平均速率峰值降速比

由圖11～12可知，降速格柵擋墻對于溜石災(zāi)害防護效果隨著溜石粒徑增大而降低。降速格柵擋墻在溜石災(zāi)害發(fā)生過程中能夠有效降低溜石顆粒動能，降低溜石災(zāi)害危險性，且溜石顆粒粒徑越小降速效果越明顯，降速效果與溜石粒徑呈負(fù)相關(guān)。

2.3 溜石沖擊力分析

采用有限差分模擬可計算溜石災(zāi)害發(fā)生過程中公路擋墻的受力情況，通過公路擋墻受力變化可側(cè)面驗證降速格柵擋墻對于溜石災(zāi)害的防護作用。

在0.15～0.20 m溜石混合崩塌體運動全過程中，布置格柵擋墻前后公路擋墻應(yīng)力變化情況如圖13所示。由圖13可知，布置降速格柵擋墻前存在單一峰值最大沖擊力，為1.645 MPa；布置降速格柵擋墻后出現(xiàn)多個峰值且均低于0.6 MPa。故可知在布置降速格柵擋墻后能有效分散溜石集中沖擊荷載，將短時高能沖擊轉(zhuǎn)換為持續(xù)時間穩(wěn)定沖擊荷載，降低溜石崩塌體對于公路擋墻的沖擊損傷，提高公路擋墻穩(wěn)定性，降低溜石災(zāi)害風(fēng)險。

圖13 布置格柵擋墻前后公路擋墻應(yīng)力變化

3 結(jié)論

1)布置降速格柵擋墻可通過篩分溜石顆粒有效影響溜石崩塌體運動，避免大粒徑溜石落入公路，降低溜石災(zāi)害風(fēng)險。

2)混合粒徑溜石與平均粒徑溜石在災(zāi)害發(fā)生過程中平均速度變化趨勢基本相同。相同體積溜石崩塌體，溜石粒徑與平均運動速度峰值呈正相關(guān)，溜石粒徑越大平均速度峰值越大，布置降速格柵擋墻能夠降低溜石平均運動速度峰值，降速效果與溜石粒徑呈負(fù)相關(guān)。

3)在溜石崩塌體沖擊公路擋墻過程中，溜石一次性沖擊公路擋墻受應(yīng)力較大，通過布置降速格柵擋墻可分散沖擊過程，降低公路擋墻所受應(yīng)力，提高穩(wěn)定性，降低由于溜石崩塌體沖擊導(dǎo)致公路擋墻損毀引起交通事故的風(fēng)險。