喀斯特山區崩塌落石運動特征分析
——以貴州省六盤水市獨山崩塌為例

李陽春，楊麒麟

（貴州省地質環境監測院，貴州貴陽550004）

喀斯特山區崩塌落石運動特征分析
——以貴州省六盤水市獨山崩塌為例

李陽春*，楊麒麟

（貴州省地質環境監測院，貴州貴陽550004）

喀斯特山區巖溶發育，在高陡巖質斜坡中，崩塌災害極發育，具有突發性、高速度、難預測等特點[1]。崩塌體在重力作用下，從高陡坡突然加速崩落、跳躍，具有明顯的拉斷、傾覆現象[2]。落石在斜坡上的運動規律受到諸多復雜因素影響[3]，具有很大的隨機性。以貴州省六盤水市鐘山區獨山崩塌為例，通過實地調查，運用數值模擬與實際情況類比，綜合分析典型喀斯特山區崩塌落石的運動軌跡、彈跳高度、運動能量等特征，并對該類典型崩塌落石的防治提出建議。

崩塌；落石；數值模擬；運動特征

1 概述

貴州省六盤水市獨山崩塌位于鐘山區東北側，工程區地處滇東高原向黔中高原過渡，黔西北高原向廣西丘陵過渡之梯級狀大斜坡地帶，總體地勢為西北高東北低。這類地形、地貌組合及相關的巖性組合形成的崩塌災害在喀斯特山區極具代表性。經實地調查走訪，該崩塌歷史上多次發生落石現象，崩塌堆積體（落石）多分布于高陡斜坡下部低緩地帶，局部越過底部公路，彈跳至河溝一側，落石塊徑一般為0.5～1.2m。獨山崩塌主要威脅對象為沿線公路及低緩處居民及獨山小學等，潛在經濟損失巨大。

2 地質環境條件

（1）地形地貌。區內巖石主要以石炭系和二疊系地層分布最為廣泛。主要巖性有石灰巖、白云巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖。獨山崩塌北部陡崖頂部標高多分布在1884～1975m一帶，底部坡度較緩，標高多在1723～1740m一帶。

該地區為溶蝕、侵蝕低中山地貌。地形切割深度深，獨山崩塌北部陡崖頂部標高1884～1975m，底部坡度較緩，標高1723～1740m。斜坡坡度總體上陡下緩，中上部陡崖坡度50°～70°，下部小于25°，為緩坡地貌。中上部陡崖為喀斯特山區典型的巖溶發育帶，植被不發育，多為裸露巖壁。緩坡位置多為旱地及房屋，呈臺階狀。

（2）地層巖性。區內巖石主要以石炭系和二疊系地層分布最為廣泛。主要巖性有石灰巖、白云巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖；巖層總體產狀258°～265°∠8°～15°，巖溶較發育。巖壁上可見溶洞、溶槽發育。下部緩坡主要分布二疊系下統梁山組灰白色粉砂巖、泥巖。

（3）水文地質條件。地質災害點附近地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水2大類：碳酸鹽巖巖溶水分布于二疊系中統棲霞組組灰巖及石炭系中統馬平組灰巖巖溶管道及裂隙中；基巖裂隙水分布于二疊系下統梁山組粉砂巖、泥巖基巖裂隙中。地下水主要由大氣降水補給。在低洼處以泉點形式排泄，匯成小溪向北流入三岔河。災害點附近地表水不發育，地下水埋深大，對崩塌體穩定性影響較小。

（4）地質構造。鐘山區處于鄂渝黔侏羅山式褶皺區畢節—安順NE鄉變形區及烏蒙山NW向走滑變形區接觸地帶，地質構造復雜，以北西向褶皺、斷裂構造占主導地位。主要的構造有威水背斜、大灣向斜和威水斷裂。局部有近南北向構造，如大河邊向斜鐘山北部還發育有北東向、北北東向次級斷裂構造。地質災害點位于這些北東向、北北東向次級斷裂構造上。

調查區整體位于北東向、北北東向次級斷裂構造影響區，測區沒有大的斷裂，由于構造作用結果，大體發育二組節理，其中一組產狀90°∠85°，線密度0.7～1條/m，結構面粗糙，無填充，張開度5～6mm。第二組節理產狀0°∠75°，線密度1～1.5條/m，結構面粗糙，無填充，張開度4～5mm。

3 崩塌基本特征

危巖體主要分布在自然風化形成陡崖區域，差異性風化與巖體本身不利結構面組合形成多處凹巖腔。2處典型危巖體W1、W2。危巖體W1中，一組節理，產狀90°∠85°，構成危巖體后緣控制邊界，一組節理產狀0°∠75°，切割巖體，構成危巖體的側部邊界。兩側緣已經臨空，節理裂隙清晰可見，一直向下延伸，裂縫張開度5～8mm，無充填，裂面較起伏，裂面粗糙。后緣發育植被，后緣裂隙被粘土。危巖體W2頂部高程1784.5m，底部高程1781m。危巖體高3.5m，寬3m，頂部厚0.8m，體積約8.4m3。主崩方向70°。此處出露的是二疊系中統棲霞組中厚層—厚層灰巖地層，巖層產狀250°∠8°。一組節理，產狀88°∠84°，構成危巖體后緣控制邊界，另外一組節理，產狀1°∠76°，切割巖體，構成危巖體的側部邊界。兩側緣已經臨空，后緣節理裂隙清晰可見，裂縫張開度8～12mm，無充填，裂面較起伏，裂面粗糙。后緣發育植被。底部形成小臺階，為巖體崩落所致。凹腔深度為0.3m。隨著底部泥頁巖進一步風化即凹巖腔深度發育，將會產生傾倒式破壞。

4 崩塌形成機理

該危巖的形成與地質構造、不利的結構面組合、臨空面條件、植被根劈作用等因素有關。

（1）地質構造：測區整體位于北東向、北北東向次級斷裂構造影響區，測區內無大的斷裂。受構造影響，發育2組節理，構成危巖體的界面。其中一組產狀90°∠85°，線密度0.7～1條/m，結構面粗糙，無填充，張開度5～6mm。第二組節理產狀0°∠75°，線密度1～1.5條/m，結構面粗糙，無填充，張開度4～5mm。

（2）地層巖性：測區危巖體所在陡崖出露二疊系中統棲霞組中厚層—厚層灰巖，夾10～15cm厚的黑色泥頁巖。由于巖性差異性風化，往往形成凹巖腔，構成危巖體的底部邊界。

（3）植物的根劈作用：在巖體節理裂隙發育地方植被較為發育，使得節理裂隙寬度及貫通率提高。

（4）降水及風化作用影響：降水一方面滲入裂縫，會降低結構面的力學強度，另外一方面，冬季在低溫影響，水分滲入巖體裂縫產生凍脹作用，也會破壞巖體結構，使裂縫變寬。隨著長時間溶蝕及風化作用，巖體變的更加破碎，下部逐漸松動崩落，從而加劇倒巖腔發育。

5 穩定性分析及發展趨勢

根據大量野外調查，結合邊坡地形地貌、巖體結構的特點，獨山小學陡崖處巖體失穩模式主要為傾倒式。計算參數，灰巖飽和重度取26.43kN/m3，自然重度按工程地質手冊取26kN/m3。危巖體抗拉強度取巖石的抗拉強度的0.4倍，取920kPa。根據《建筑邊坡工程技術規程》（GB50330-2013）對結構面的取值，斜坡結構面屬于硬性結構面且結合差，考慮長期風化影響取低值[4]，暴雨狀態內摩擦角取20°，內聚力取50kPa。天然狀態內摩擦角取25°，內聚力取80kPa。采用ROCKFAIL進行數值模擬[5]，結合經驗計算方法[6]，模擬危巖體失穩后落石運動路徑，計算落石各點的彈跳高度、運動速度、動能等參數。模擬時按照已失穩塊體的實際情況，確定剖面上危巖體實際分布位置、可能的最大失穩塊體體積等進行模擬。

經驗計算方法：危巖破壞由后緣巖體抗拉強度控制時，按下式計算：

危巖體重心在傾覆點之外時：

危巖體重心在傾覆點之內時：

當危巖的破壞由底部巖體抗拉強度控制時，按下式計算：

式中：h——后緣裂隙深度，m；

hw——后緣裂隙充水高度，m；

H——后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離，m；

a——危巖體重心到傾覆點的水平距離，m；

b——后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離，m；

h0——危巖體重心到傾覆點的垂直距離，m；

flk——危巖體抗拉強度標準值，kPa，根據巖石抗拉強度標準值乘以0.4的折減系數確定；

θ——危巖體與基座接觸面傾角，（°），外傾時取正值，內傾時取負值；

β——后緣裂隙傾角，（°）。

經過計算，穩定性系數K為1.15～1.27，危巖體處于欠穩定狀態。

ROCKFALL模擬后，崩塌危巖體的運動特征見圖1～圖4：

圖1 計算剖面及運動軌跡模擬

圖2 巖塊破壞時下方不同位置平動速度情況

圖3 巖塊破壞時彈跳高度情況

圖4 巖塊破壞時下方不同位置總能量情況

通過模擬分析，落石的最大反彈高度位于距起點27m位置，反彈高度與落石啟動位置的高程、運動路徑坡度、巖性等因素有關，一般危巖體分布越高、下部地層越堅硬，落石反彈的高度越大。根據模擬，落石滾動距離大于84m，可運動到小溪底部位置，實際上在小溪底發現不少落石。最大動能位于15.2m位置，最大總動能可達2579kJ；彈跳高度最高在距起點27m位置，彈跳高度6.47m。平動速度在距起點13m位置達到最大值，可達29.5m/s。模擬計算結果與實際情況較吻合。

根據調查分析，區內危巖受巖石差異風化及在結構面切割之下形成的危巖體，在巖石差異風化、溶蝕、水的作用下，穩定性將會越來越差，最終發生小規模崩塌破壞，威脅周邊居民及獨山小學的安全。

6 防治建議

類似于獨山崩塌這一類災害，在喀斯特山區非常常見。該類崩塌體多處于高陡斜坡，相對高差動輒上百米，且坡度一般大于45°。因施工場地及地形條件等限制，對危巖體采用清除、錨固等手段進行治理時，施工難得大，危險系數大，因此這類高陡斜坡上的崩塌災害，不宜采用主動防護的方式進行治理。根據近年設計的一點經驗，在弄清崩塌形成機理、運動特征等前提下，由于構造運動及外部營力的共同作用，形成陡峭陡崖，巖石屬于硬質巖石，下部植被不發育，主要為坡地，落石運動以滾動和彈跳下落為主，最后受能量衰減而停止下來。由Rockfall模擬該類崩塌危巖體的運動軌跡及能量示意圖，可知在坡底低緩地段，危巖體的彈跳高度、沖擊能量、運動速度等均已衰減至最小值。因此，該類崩塌災害的防治工程中，采用“緩坡段攔截”[7]的被動攔擋工程措施，效果明顯。如：被動防護網、落石槽、攔石墻等。以獨山崩塌為例，該崩塌已采用以上被動攔擋措施進行了綜合治理。尤其是在攔石墻的設計中，根據數值模擬的結果，結合實際落石調查，在低緩地段設置落石槽，并在槽體以外設置攔石墻、緩沖層及被動防護網，達到了安全防護的目的。

7結論 喀斯特山區巖溶發育，巖體抗風化能力弱，節理發育，多組巖體結構面相互組合構成穩定性較差的危巖體[8]，且多發育于高陡斜坡上。該類崩塌一旦發生失穩，危險性高，危害性大。該類崩塌多位于高陡斜坡頂部，相對高差大，治理過程中施工難度大。采用實地調查、經驗方法計算與數值模擬相結合的方式，查清崩塌形成機理、運動特征，采取“緩坡地段攔截”的思路，科學合理地對該類崩塌災害進行防治，可達到這類崩塌地質災害防護的要求。

[1]韋啟珍.崩塌落石運動特征分析及應用——以景鷹高速公路為例[D].中國地質大學（武漢），2007.

[2]RitchieAM.Evaluation of Rockfall and its Control.Highway ResearchRecordof USA，Record17，WashingtonD.C.，1963：13-28.

[3]袁志輝.延長縣崩塌的數值模擬和運動機理研究[D].長安大學，2008.

[4]袁志輝，倪萬魁，陳志新.拉裂式崩塌的運動特征分析——以陜西延長縣為例[J].災害學，2014（4）：21.

[5]賈振華，張永，傅靜雯.危巖崩塌運動軌跡特征的Rockfall數值模擬研究[J].災害學，2011（8）：69.

[6]梁璋彬.崩塌落石的運動特征研究[D].成都理工大學，2008：57-61.

[7]劉永平，佴磊，李廣杰.某高陡邊坡崩塌落石運動特征分析及其防治[J].水文地質工程地質，2005（1）.

[8]陳洪凱，王蓉，唐紅梅.危巖研究現狀及趨勢綜述[J].重慶交通學院學報，2003（3）：2-4.

P642.21

A

1004-5716(2015)11-0101-04

2015-05-26

李陽春（1984-），男（漢族），湖北武漢人，工程師，現從事水工環地質相關工作。