某边坡崩塌落石运动特征分析

某边坡崩塌落石运动特征分析

宋波
（四川省蜀通岩土工程公司，成都 610081）

【摘 要】G318线是通往西藏的咽喉要道，在天全县内全线为山岭重丘区二级公路。2014年9月24日，G318线天全段两路乡K2714+800m处发生塌方。论文以该处崩塌为例，对其地质条件进行了详细分析，阐述了边坡岩体特征、边坡形态雨水、风化、人类工程活动等内外力的综合影响是崩塌产生的原因；并运用Rockfall软件对其运动速度和运动轨迹进行了模拟分析，在此基础上提出了“主动防护”的防治措施。

【关键词】危岩体；崩塌；Rockfall软件；崩塌机制

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2017.03.043

1 引言

“4·20”芦山强烈地震使得震中及周边山体地质结构受损十分严重，地质环境变得更加脆弱，诱发新增了大量崩塌、滑坡、泥石流、不稳定斜坡等次生地质灾害，原有地质灾害隐患点绝大部分变形加剧、险情加重，对灾区恢复重建和交通生命线的安全保畅构成严重威胁。2014年9月24日，G318线天全段两路乡K 2714+80 0m处塌方，公路上土石堆积量约4000m3。因此，有必要通过实地地质调查，研究该区域地形地貌、地质构造、岩土体及斜坡结构类型等成灾地质环境条件，查明该地区的地质灾害发育分布规律及其主控因素。

2 研究区概况

根据现场勘查，所处地貌为冲沟切割较深的中山地貌，崩塌灾害点位于山脊南侧，最高点高程约1382m，山脚底部高程约1312m，相对最大高差约70m，区内自然斜坡均呈陡崖状，平均坡度大于50°，局部坡度可达75°以上。

勘查区主要分布第四系全新统（Q4）残坡积层、崩积层以及远古代侵入岩花岗岩(r2～ro2)。残坡积层主要为含碎石粉质黏土，主要分布在坡体后部坡度较缓地带表层，厚度1～2m，多为粉质黏土夹少量碎石。崩积层主要是碎块石土，厚度2～6m；碎块石多呈单独块石状、棱角状，母岩主要为花岗岩；粒径为0.1～0.3m的块体含量约占20%～30%；粒径为0.6～1.0m块体约占30%～50%，个别块石粒径可达1.5m～4.0m。下覆基岩主要为紫红色薄至中层泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。其中，以粉砂质泥岩为主，泥岩和泥质粉砂岩成薄层状分布于泥质粉砂岩中。岩体节理裂隙较发育，抗风化能力差，完整度较低，物理力学性质较差。

3 崩塌体特征

大柏牛桥头崩塌平面形态呈矩形，大柏牛桥头范围宽度约53m，长度约98m，高差近70m，斜坡岩体中主要发育3组裂隙，表层岩体风化强烈。前缘为G318公路，后缘至陡崖上部，斜长约50m，宽约45m，此次滑塌方量约4000m3(见图1)。

图1 危岩体塌方

斜坡岩体中主要发育3组控制面，产状分别为137°～142°∠65°～79°；265°∠22°～25°；25°∠60°。

3.1 崩塌落石发生机制

影响区内危岩体形成的因素主要是人为工程扰动和自然因素。自然因素包括地形地貌、地质构造、降雨等。其中地形地貌、地层岩性、地质构造是内因，对危岩的形成和发展起控制性作用；降雨、地震是外因，对危岩的形成和发展起促进作用。

3.1.1 地形地貌

山脚下危岩地形坡度较大，表现为陡崖～陡坡地貌，其中陡崖坡度一般为50°～75°。陡崖段多处形成小岩腔，地形陡峻，是危岩形成的必要条件。陡峻的地形使得失稳岩体岩斜坡快速往下运动（滚动），对坡脚处G318线国道造成严重威胁。

3.1.2 地层岩性

危岩处岩层陡倾，岩性为远古代侵入岩花岗岩，该类岩石岩体节理裂隙发育，易产生风化，为崩塌的形成提供了物质及结构基础。

3.1.3 地质构造

地质构造的作用表现为构造运动致使岩体发育多组节理裂隙，完整性差，当发育外倾节理面成为岩体的不利外倾结构面，危岩块体易于沿外倾节理面产岩块崩落。

3.1.4 降雨

天全县全年降雨量主要集中在雨季(5月～9月)，短时的强降雨表现较为频繁，降雨量大。破坏岩体的稳定性，加剧润滑作用，促进危岩体失稳。

3.2 危岩失稳模式分析

由于结构面与危岩体临空面倾向一致，在自重应力、地震力和水压力作用下，沿外倾结构面产生水平和垂直位移变形的滑移运动，岩体重心脱离母岩形成的崩塌破坏。危岩体发育1组陡倾坡外的卸荷裂隙和1组与坡倾向相同的缓倾裂隙，坡体表面破碎的岩体易沿着倾坡外的结构面产生整体滑移，该处破坏模式以滑移式为主。

4 分析方法

4.1 计算参数及模型选取

4.1.1 运动速度

坡段终端速度为[1]：

式中,V琢(i)为石块运动所考虑的坡段起点的初速度，可按下列不同情况考虑，若ai-1＞ai时，

则V琢(i)=Vi-1cos(琢i-1-琢i)；若ai-1＜ai时，则V琢i=Vi-1；ai为所考虑i坡段的坡度角；ai-1所考虑i-1坡段坡度角；Vi-1为石块在i-1坡段终端的运动速度。系数Ki、ε可查表。

Hi为计算i坡段的垂直坡度；Ki为阻力特性系数；g为重力加速度；ε2=2g（1-Kicot琢i）。

模型参数中阻力特性系数Ki值[2]为Ki=0.543-0.0048琢i+ 0.000162琢i2，琢i取值为35°。

4.1.2 弹跳高度

崩塌落石在支挡结构设置处落地后会向外弹跳，因此必须进行弹跳计算，以便在坡脚设置防护结构提供拦挡的高度和平距。

当崩塌体撞击地面之后，其运动轨迹的曲线方程根据运动学原理为：

式中，酌为反射角，其中瞬间摩擦系数λ取值为0.4和恢复系数籽取值为0.3。v0为反射速度为岩石撞击地面的速度；y为弹跳后垂直方向高度；x为弹跳后水平方向距离；渍为山坡坡度入射角。

4.2 Rockfall软件计算

根据上述公式及Rockfall软件分析，选取危岩体崩落方向的主剖面，进行运动速度、弹跳高度和冲击能计算（见图2～图4）。根据现场调查，大柏牛桥头崩塌落石最大粒径为1.5m× 1.5m×1m，故计算中危岩体体积选2.25m3。经过计算，危岩体在坡脚公路处的运动速度为11.62m/s。最大弹跳高度为2.28m，冲击动能为462.47kJ。

图2 落石弹跳轨迹图

图3 落石弹跳高度分析图

5 防治方案建议

根据斜坡现状变形特点及崩塌斜坡结构特征，拟对大柏牛桥头崩塌采取以下综合措施：

图4 落石运动速度分析图

1)拦挡措施：针对各危岩区坡脚前缘有拦挡空间的情况，在坡脚前缘布设拦石墙。

2)喷浆锚固：斜坡顶部分布较多危岩，受结构面控制，裂隙发育，建议对其进行锚杆锚固；由于花岗岩风化等影响，有些危岩单体，方量小，数量多，清危难度大，可对其进行喷浆防护。

3)清方工程：崩塌体表面有大量的松散崩破积物，在暴雨或地震作用下，随时都有可能出现崩落，危及G318公路的车辆和行人安全，需要进行清方处理。

6 结论

1）Rockfall软件计算方法通过输入不同参数和不同坡面特性，考虑的参数与实际工况较接近，模拟结果较合理。

2)灾害治理工程应以保护环境、美化环境为原则，密切配合当地总体发展规划，精心布置，合理设计，力求工程技术措施可行，特别应与当地实际地形结合起来。

【参考文献】

【1】周维垣.岩石高边坡的稳定与治理——岩土工程的回顾与前瞻[M].人民交通出版社,2001.

【2】韦启珍，雷秀丽.崩塌落石运动参数的数值模拟研究[J].中国水运,2008,8(3):165-166.

Analysis of a Slope Rockfall Movement Characteristics

SONGBo
(SichuanShutongGeotechnicalEngineeringCompany,Chengdu 610081,China)

【Abstract】TheG318lineisanimportantroadtoTibet,inTianquanCountyinlineformountainousareahighwaytwo.InSeptember 24,2014,the Road collapse occurred Tianquan line of two Xiang K2714+800m.In this paper,the landslide as an example,the geologicalconditionsareanalyzedindetail,describesthecomprehensiveinfluenceofrockslopecharacteristics,theslopeshaperain and weathering,human engineeringactivitiesand the external force is the reason ofcollapse.And the use of rockfall software on its movementspeedandtrajectoryofthesimulationanalysis,onthebasisofthe'activeprotection'ofthepreventionandcontrolmeasures.

【Keywords】rockmass;landslide;Rockfallsoftware;collapsemechanism

【中图分类号】P642.21

【文献标志码】A

【文章编号】1007-9467（2017）03-0136-03

【收稿日期】2016-10-14

【作者简介】宁波（1984～），男，河南新安人，工程师，从事岩土与地质灾害治理研究。