老河口市紅層邊坡崩塌危巖體運動軌跡及沖擊能量分析

常亮CHANG Liang；平明明PING Ming-ming；周艷松ZHOU Yan-song；肖宇煌XIAO Yu-huang；易春瑤YI Chun-yao；楊穎YANG Ying；楊登YANG Deng；文美霞WEN Mei-xia；楊虎成YANG Hu-cheng；孫亮SUN Liang

（①資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室（湖北省地質(zhì)局），武漢 430034；②湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，武漢 430034；③湖北省協(xié)誠交通環(huán)保有限公司，武漢 430050；④湖北省生態(tài)環(huán)境廳恩施州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，恩施 445000；⑤湖北省地質(zhì)實驗測試中心（國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心），武漢 430000）

0 引言

老河口市境內(nèi)紅層主要分布于老河口市西北部洪山嘴鎮(zhèn)。由于城鎮(zhèn)房屋和道路交通建設(shè)，集鎮(zhèn)留下較多的紅層高陡邊坡，受多組結(jié)構(gòu)面切割形成危巖體。據(jù)調(diào)查，洪山嘴鎮(zhèn)在紅層內(nèi)發(fā)育6 處崩塌，占集鎮(zhèn)災(zāi)害點數(shù)的24%，威脅124 人、資產(chǎn)7499.48 萬元。針對洪山嘴鎮(zhèn)特殊的紅層地質(zhì)條件，開展變形破壞模式的研究，有針對性地提出集鎮(zhèn)地質(zhì)環(huán)境開發(fā)利用建議，為集鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。程強(qiáng)等將近年來紅層軟巖地區(qū)工程建設(shè)中的主要巖土工程問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分類，為紅層地區(qū)公路建設(shè)邊坡穩(wěn)定性評價及防護(hù)技術(shù)提供了參考[1]。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

洪山嘴鎮(zhèn)地處南陽盆地邊緣，地勢北高南低，地形分為丘陵、崗地、平原三種地形。境內(nèi)最高點三尖山位于肖灣村薛溝，海拔462m；最低點唐家洲位于太山廟村，海拔91m。

1.2 地層巖性

老河口市境內(nèi)出露地層在洪山嘴鎮(zhèn)幾乎全部涵蓋，從北至南依次出露奧陶系、寒武系、震旦系、第三系和第四系。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)斷裂、褶皺構(gòu)造未發(fā)育在第三系地層中，故本次選取對紅層巖體影響顯著的節(jié)理裂隙進(jìn)行研究。在研究區(qū)內(nèi)選取基巖露頭較好、節(jié)理裂隙發(fā)育較好且方便人工測量的地點進(jìn)行節(jié)理裂隙特征統(tǒng)計，選取地點為漢丹鐵路切坡坡腳未護(hù)坡處。

由裂隙統(tǒng)計可見，泥質(zhì)砂巖具有密度大、規(guī)模小，延伸短的特點，在降雨沖刷和風(fēng)化卸荷作用下，易剝落形成凹巖腔，導(dǎo)致上覆泥質(zhì)灰?guī)r底部懸空，泥質(zhì)灰?guī)r裂隙發(fā)育密度相對較小，其主控結(jié)構(gòu)面延伸較長，易貫穿該巖層組成的危巖體形成崩塌。同樣在砂巖中，裂隙發(fā)育密集，各種斜傾互交的結(jié)構(gòu)面（含巖層層面）互切巖體，使巖體呈塊裂狀，降雨沿邊坡表面裂隙滲入，極易使邊坡失穩(wěn)。

2 紅層邊坡特征

研究區(qū)內(nèi)紅層主要為第三系玉皇頂組（E2y）沉積的一套紫紅、棕紅色和雜色的砂巖、粉砂巖、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥質(zhì)灰?guī)r。紅層具有巖體強(qiáng)度低、工程性質(zhì)差、透水性差、親水性強(qiáng)、浸濕后巖體強(qiáng)度降低、失水后容易產(chǎn)生崩解等特征，其分布面積廣，在洪山嘴鎮(zhèn)艾家溝村至蘇家河村直接露頭，洪山嘴村屋后切坡處見有露頭，研究區(qū)地層發(fā)育平緩，巖層傾角普遍小于5°，近水平層狀。巖性組合以互層為主，總體呈“軟硬巖互層”的特征。

3 成因分析及破壞機(jī)理

3.1 成因分析

區(qū)內(nèi)崩塌發(fā)生的構(gòu)造條件和巖體內(nèi)發(fā)育結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、發(fā)育程度以及各結(jié)構(gòu)面之間的組合關(guān)系有著密切聯(lián)系。根據(jù)野外數(shù)據(jù)顯示，泥質(zhì)灰?guī)r內(nèi)主要發(fā)育結(jié)構(gòu)面3 組，泥質(zhì)砂巖內(nèi)主要發(fā)育結(jié)構(gòu)面4 組（表1），并制作主要結(jié)構(gòu)面典型赤平投影進(jìn)行分析（圖1、圖2）。

圖1 泥質(zhì)灰?guī)r結(jié)構(gòu)面赤平投影

表1 主要結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計表

泥質(zhì)灰?guī)r中的L1、L2 結(jié)構(gòu)面組合交棱線順傾坡外，且傾角小于坡度角，組成外傾坡腳的楔形體，為不利組合形式，L3 反向切割形成危巖的基座。3 組結(jié)構(gòu)面的組合對危巖體的穩(wěn)定性極為不利。

泥質(zhì)砂巖中發(fā)育的4 組結(jié)構(gòu)面密度多在4～7 條/m，在重力和降雨的作用下，坡體上易形成長約2～4cm、寬1～3cm、厚1.5～4cm 的碎粒、碎塊剝落。

3.2 破壞機(jī)理

由上述成因分析可知，邊坡中泥質(zhì)砂巖風(fēng)化作用強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，在邊坡開挖形成后未及時進(jìn)行防護(hù)的段落易發(fā)生不同程度的風(fēng)化剝落現(xiàn)象，破壞過程可分為：風(fēng)化-泥質(zhì)砂巖剝落-形成巖腔-泥質(zhì)灰?guī)r落石-坡面線后退-風(fēng)化，如此循環(huán)，坡面線逐漸后退，坡腳風(fēng)化堆積物逐漸加寬加厚形成松散堆積體。同時裂隙發(fā)育的產(chǎn)狀導(dǎo)致凹巖腔進(jìn)一步演變成傾倒或錯斷式崩塌，傾倒式破壞過程可以概括為：后緣陡傾裂隙貫通-下部巖腔形成-危巖體重心向外-發(fā)生傾倒崩塌，錯斷式破壞過程可概括為：后緣裂隙發(fā)育-下部巖腔深度切過裂隙面-裂隙逐漸貫通-危巖體發(fā)生墜落。

4 邊坡崩塌安全距離研究

崩塌落石的運動距離是劃分安全范圍的重要依據(jù)[2]。如前述，洪山嘴鎮(zhèn)廣泛發(fā)育的危巖帶是影響集鎮(zhèn)安全的主要地質(zhì)問題之一，為科學(xué)合理地劃分洪山嘴鎮(zhèn)危巖崩塌的影響范圍，本文選取典型互層的泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r組成的陳零溝崩塌II 作為研究對象，采用崩塌落石統(tǒng)計分析軟件Rockfall 對落石的運動特征進(jìn)行計算模擬。

4.1 邊坡幾何模型建立

利用陳零溝崩塌II 剖面圖建立模型分析，邊坡幾何模型如圖3 所示。其中剖面穿過位于一級陡崖的崩塌（危巖）帶和二級陡坡段，且該剖面頂部局部危巖體已經(jīng)崩落。

圖3 陳零溝崩塌II 模型

4.2 地表（坡面）巖性材料

斜坡地表巖性條件將直接影響崩塌落石的運動規(guī)律和特征，RockFall 模擬軟件對各種材料的切向、法向阻尼系數(shù)劃定了取值范圍。根據(jù)剖面地層巖性及地表材料特征，將陳零溝崩塌II 模型地表材料從上至下依次設(shè)置為基巖表面、光滑堅硬的表面、無植被的崩塌堆積體、植被稀少的土質(zhì)邊坡和柏油路面5 種材料，材料參數(shù)最終取值如表2 所示。

表2 邊坡地表巖性材料

4.3 崩塌落石初始運動條件

崩塌落石的初始運動條件包括其起動位置、質(zhì)量和初始速度（水平和垂直）。在本次計算中，崩塌落石的起動位置設(shè)置在二級陡崖處；落石質(zhì)量根據(jù)其天然密度和已發(fā)生的最大崩塌體積（假設(shè)整塊崩落）求得，即泥質(zhì)灰?guī)r為2570（kg/m3）×12（m3）=30840（kg）；考慮危巖在自重作用下失穩(wěn)破壞，因而其初始水平和垂直速度均設(shè)為0。

4.4 運動軌跡和沖擊能量分析

根據(jù)野外實測得到的崩塌模型及泥質(zhì)灰?guī)r和地表巖性材料計算參數(shù)，采用Rockfall 軟件能量分析法進(jìn)行滾石運動軌跡和沖擊能量的分析（圖4）。

圖4 滾石在B 點處的沖擊與回彈

體積12m3的滾石從A 點垂直落體，接觸坡面滾動加速后，以入射角37°入射坡面B 點后發(fā)生彈跳，此時塊石速度4.52m/s，動能360kJ，彈跳飛出角度12°，在空中飛行軌跡為拋物線；飛行1.7m 后，沖擊到坡面C 點處，撞擊C點處時各項瞬時數(shù)據(jù)達(dá)到最大值，塊石速度18.66m/s，動能6680kJ；撞擊C 點后能量快速得到釋放，各項數(shù)據(jù)值急劇下降，動能1146kJ，速度7.6m/s，彈跳高度2.08m；塊石繼續(xù)向坡腳滾動，在D 點處塊石能量消散。根據(jù)區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙切割巖體情況，崩落塊石直徑降至0.3～0.8m，取被切割后可能形成的塊石進(jìn)行最大影響距離分析（表3），能更加準(zhǔn)確地判斷該區(qū)域崩塌的影響范圍。

表3 研究區(qū)滾石沖擊能量綜合預(yù)測

4.5 崩塌落石危害區(qū)域

Rockfall 模擬軟件在進(jìn)行落石運動分析時，采用了隨機(jī)數(shù)生成方法，即默認(rèn)50 塊巖石（崩塌落石）從同一起始點開始運動，以此來考慮落石運動過程中的隨機(jī)性，從而求得落石運動特征的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律。

在落石運動特征分析中，最重要的運動特征參數(shù)是落石的水平運動距離，它是預(yù)測崩塌影響范圍的直接依據(jù)[3]。圖5、圖6 為落石水平運動距離統(tǒng)計分布圖，從圖中可以看出，多數(shù)落石的最大水平運動距離在15m 左右，最遠(yuǎn)的運動距離接近32m，與現(xiàn)場調(diào)查在坡腳處一塊徑0.8m 的塊石距危巖體的距離較為吻合。漢丹鐵路沿線危巖帶和下方居民建筑之間的水平距離分別為31.2m、36.9m，即沿線危巖體直接威脅平臺處的漢丹鐵路和下方居民建筑安全，不威脅S302 省道及省道過往行人和車輛。

圖5 陳零溝崩塌II 落石運動軌跡圖

圖6 落石水平運動距離統(tǒng)計分布圖

5 防治建議

泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r互層邊坡主要分布在洪山嘴鎮(zhèn)西側(cè)漢丹鐵路沿線，此區(qū)域邊坡高差大，沿線最小安全距離為32m，變形破壞模式為落石、傾倒式和錯斷式，變形規(guī)模有限，受鐵路沿線施工條件限制，此區(qū)域防治手段可采取以下幾種：①專業(yè)監(jiān)測，主要監(jiān)測泥質(zhì)灰?guī)r形成的危巖體。②輔以工程防護(hù)，對局部風(fēng)化程度高、裂隙發(fā)育的泥質(zhì)砂巖段進(jìn)行噴漿護(hù)坡；對較不穩(wěn)定的泥質(zhì)灰?guī)r段采用主動防護(hù)網(wǎng)對其圍護(hù)、加固。

6 結(jié)論與建議

①經(jīng)過危巖段邊坡特征分析，研究區(qū)崩塌主要發(fā)育在泥質(zhì)灰?guī)r邊坡中，危巖塊結(jié)構(gòu)類型主要為楔形體，邊坡破壞模式主要為落石、傾倒式和錯斷式。②運用Rockfall 軟件對滾石運動軌跡和沖擊能量進(jìn)行了模擬，在墜落過程中，巖塊受斜坡影響運動軌跡存在跳躍、彈跳型墜落。③危險性評估及防治建議：經(jīng)計算得出典型坡面滾石運動軌跡，確定落石的影響范圍最遠(yuǎn)可到邊坡坡腳32m 處。受鐵路沿線施工條件限制，此區(qū)域防治手段建議以專業(yè)監(jiān)測為主，局部輔以工程防護(hù)。