某安置點(diǎn)場地滾石運(yùn)動(dòng)特征及影響范圍

葉圣生, 李會中, 梁 梁, 付調(diào)金

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010)

某安置點(diǎn)場地滾石運(yùn)動(dòng)特征及影響范圍

葉圣生, 李會中, 梁 梁, 付調(diào)金

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010)

以地質(zhì)調(diào)查成果為依據(jù),分析場地滾石形成條件、滾石運(yùn)動(dòng)形式及運(yùn)動(dòng)特征等,選取剖面進(jìn)行滾石運(yùn)動(dòng)范圍計(jì)算,對比分析場地塊石分布范圍及滾石計(jì)算運(yùn)動(dòng)范圍之間的差別,為安置點(diǎn)用地選擇提出建議。

滾石;運(yùn)動(dòng)形式;運(yùn)動(dòng)特征;恢復(fù)系數(shù);影響范圍

某安置點(diǎn)為烏東德水電站建設(shè)征地29個(gè)移民安置點(diǎn)中的一個(gè),位于云南省武定縣金沙江右岸,距縣城直線距離約110 km,有鄉(xiāng)村道路可到達(dá),交通較便利。根據(jù)移民規(guī)劃設(shè)計(jì),安置點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)用地總面積約0.01 km2,安置人口138人。

場地位于坡向金沙江的單面斜坡上,整體地形呈陡—緩—陡形態(tài),江面高程約890 m,高程1 025～1 050 m為緩坡平臺,高程1 150～1 175 m之間為地形陡崖(圖1)。第四系崩坡積物主要分布緩坡位置,其它為基巖出露,基巖為侏羅系益門組(J1y)砂、泥巖,頂部為厚層砂巖。厚層砂巖中裂隙較發(fā)育,優(yōu)勢方向?yàn)镋W向及NNW向,陡傾角,無充填。

安置點(diǎn)建設(shè)用地初步選定于高程1 025～1 050 m緩坡平臺,平臺下伏為基巖,場地穩(wěn)定。場地不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為后緣陡崖的崩塌滾石及小型泥石流沖溝,其中場地后緣的崩塌滾石是安置點(diǎn)用地選擇的主要影響因素。

1 危巖區(qū)基本特征

1.1 分布范圍及規(guī)模

安置點(diǎn)后緣高程1 150～1 175 m之間為地形陡崖,陡崖高差約25 m,出露基巖為三疊系白果灣組砂巖夾泥巖,巖體表層風(fēng)化較強(qiáng)烈。受地形、巖性及裂隙切割影響,在陡崖邊緣部位發(fā)育多個(gè)危巖體,并形成危巖區(qū)。

圖1 場地工程地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the site engineering 1.崩坡積層;2.侏羅系下統(tǒng)益門組;3.第四系與基巖分界;4.斷層;5.褶皺;6.危巖分布范圍;7.塊石堆積范圍;8.安置點(diǎn)建設(shè)范圍;9.巖層產(chǎn)狀;10.正常蓄水位回水線;11.剖面線及編號。

危巖區(qū)順陡崖走向方向長度約200 m,寬度約20 m,裂縫最大發(fā)育深度約8～10 m,估算危巖區(qū)總方量約15 000 m3,分布位置見圖1。危巖區(qū)與安置點(diǎn)建設(shè)用地水平距離約260～350 m,垂直高差約110 m,兩者之間地形坡度總體呈上陡下緩狀,高程1 100 m以上坡度25°～28°,以下較緩,平均坡度16°左右。

1.2 變形失穩(wěn)模式

危巖區(qū)的形成與特殊的地形、地質(zhì)條件是緊密關(guān)聯(lián)的,危巖區(qū)地質(zhì)剖面見圖2。

危巖區(qū)平均地形坡度26°,地層巖性為三疊系白果灣組中厚—厚層砂巖夾泥巖,受斷層構(gòu)造影響,斷層的下盤三疊系巖層有一定程度的抬升,同時(shí),斷層的錯(cuò)動(dòng)使斷層帶內(nèi)巖土相對較破碎,裂隙發(fā)育,為危巖塊體的形成提供條件。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the engineering1.崩坡積層;2.侏羅系下統(tǒng)益門組;3.三疊系上統(tǒng)白果灣組;4.碎塊石夾土;5.泥巖夾中厚層砂巖;6.砂巖夾泥巖。

由于危巖區(qū)地形陡峭,中厚—厚層砂巖抗風(fēng)化能力相對坡下方向的泥巖夾砂巖整體較好,在風(fēng)化營力及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升下,形成陡坎地形,是危巖形成有利的空間條件。另外,危巖區(qū)巖體以中厚—厚層砂巖與薄層泥巖呈軟硬相間分布,砂巖受風(fēng)化、卸荷及裂隙相互切割形成松動(dòng)塊體,在底部薄層泥巖受風(fēng)化剝蝕或形成軟弱層后,上部塊體局部失去支撐,多以傾倒變形的方式發(fā)生間歇性崩塌。

1.3 危巖區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

危巖區(qū)陡崖下部斜坡分布較多崩塌塊石,塊石表面多風(fēng)化呈黑色,未發(fā)生大規(guī)模崩塌現(xiàn)象,危巖區(qū)后緣暫未發(fā)現(xiàn)新增的拉裂縫,在持續(xù)降雨情況下陡崖邊緣有零星崩塌現(xiàn)象發(fā)生,綜合判斷危巖區(qū)現(xiàn)狀整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

因此危巖體整體穩(wěn)定對安置點(diǎn)用地選擇影響較小,主要影響為陡崖邊緣的崩塌滾石。

2 滾石影響范圍

2.1 塊石分布范圍調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,圈定對安置點(diǎn)建設(shè)場地崩塌塊石分布范圍(圖1)。

地質(zhì)調(diào)查顯示:坡面崩塌塊石塊徑一般在0.3～0.5 m,最大可達(dá)0.5～0.8 m,最大塊石體積0.3～0.5 m3,崩塌塊石主要分布于危巖體以下的斜坡地帶,緩坡位置無崩塌塊石分布,距離危巖區(qū)越遠(yuǎn),塊石分布越少。另外地形對崩塌塊石分布也影響較大,如地形坡度大的崩塌塊石平面分布距離較遠(yuǎn),地形坡度小則崩塌塊石平面分布距離較近。

2.2 滾石運(yùn)動(dòng)特征分析

2.2.1 運(yùn)動(dòng)形式

邊坡滾石運(yùn)動(dòng)的形式主要有4種:①滑動(dòng);②自由飛落;③碰撞彈跳;④滾動(dòng)。對于某一具體的邊坡滾石,并不是每一種形式都存在,這取決于邊坡的形狀、邊坡坡面的地質(zhì)力學(xué)特點(diǎn)以及滾石的力學(xué)性質(zhì)等因素。

場地危巖體多以傾倒方式破壞,其初始階段多為自由飛落運(yùn)動(dòng),之后滾石在邊坡坡面上的運(yùn)動(dòng)多為碰撞彈跳形式。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法

碰撞彈跳是滾石運(yùn)動(dòng)過程中最復(fù)雜、最不確定的一種運(yùn)動(dòng),碰撞可能是近乎完全彈性碰撞,也可能是完全的非彈性碰撞,這取決于滾石和邊坡土的物理力學(xué)性質(zhì)、碰撞時(shí)的入射角、滾石的質(zhì)量和入射速度等諸多因素。本文采用恢復(fù)系數(shù)法來描述滾石碰撞的問題,將滾石的碰撞問題當(dāng)成剛體碰撞,通過恢復(fù)系數(shù)來考慮碰撞過程中的能量損失,避免對滾石碰撞過程中非線性變形以及摩擦問題的直接討論。

最常用的恢復(fù)系數(shù)是分別定義法向和切向恢復(fù)系數(shù),即:

(2)

式中:Rn,Rt分別為法向和切向速度恢復(fù)系數(shù);Vin,Vit分別為碰撞前法向和切向速度;Vrn,Vrt分別為碰撞后法向和切向速度。

Rn,Rt為1 時(shí),碰撞過程中無摩擦阻尼作用,碰撞為完全彈性碰撞;Rn,Rt為0時(shí),為完全粘滯阻尼狀態(tài),碰撞為完全非彈性碰撞。對于滾石的碰撞,通過碰撞前的入射速度可以計(jì)算碰撞后的速度和滾動(dòng)問題。

如圖3所示,假設(shè)第i次滾石碰撞的入射速度Vi已經(jīng)由前面的計(jì)算確定,這里當(dāng)成已知條件使用。按照速度矢量的分解,有:

圖3 滾石碰撞彈跳模型Fig.3 Movement model of the rolling-rock

(3)

聯(lián)立式(1)、(2)、(3),可以求得碰撞后滾石速度的水平和豎直分量V1x、V1y以及合速度Vr:

(4)

滾石碰撞恢復(fù)系數(shù)Rt、Rn是正確估算滾石運(yùn)動(dòng)軌跡的兩個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)與邊坡的坡度、邊坡坡面覆蓋層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)、滾石自身的大小等因素有關(guān)。室內(nèi)試驗(yàn)表明,隨著邊坡坡度的增大,法向恢復(fù)系數(shù)略有增大,但是對于切向恢復(fù)系數(shù)的影響卻不是很明顯;邊坡坡面覆蓋土越松散,碰撞就越趨向完全非彈性碰撞,相應(yīng)的法向和切向恢復(fù)系數(shù)就越小；相反,邊坡坡面出露的基巖越硬,碰撞就越趨向彈性碰撞,相應(yīng)的法向和切向恢復(fù)系數(shù)就越大;小質(zhì)量的滾石比起在同一邊坡上的大質(zhì)量的滾石碰撞恢復(fù)系數(shù)要大。恢復(fù)系數(shù)的取值直接關(guān)系到所估算的滾石運(yùn)動(dòng)軌跡的可靠度。而由于滾石問題的復(fù)雜性,使得滾石碰撞的恢復(fù)系數(shù)非常離散,所以要得到可靠的滾石碰撞恢復(fù)系數(shù),必須依賴于試驗(yàn),在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過反分析得到恢復(fù)系數(shù)。

目前尚沒有規(guī)范明確給出Rt、Rn的取值范圍。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:滾石碰撞的法向恢復(fù)系數(shù)在0.2～0.4之間,切向恢復(fù)系數(shù)在0.8～0.9之間。一般邊坡坡面有基巖出露時(shí),取大值;坡面為沒有植被覆蓋或有少量植被覆蓋的礫巖或硬土?xí)r,取中間值;坡面為松散殘積土或粘土?xí)r,取小值。表1給出了鐵道部推薦的法向和切向恢復(fù)系數(shù)的取值。

表1 不同坡面特征的法向及切向恢復(fù)系數(shù)取值范圍

2.3 滾石影響范圍分析

根據(jù)以上邊坡滾石運(yùn)行形式的理論,選擇滾石計(jì)算剖面1、2進(jìn)行滾石運(yùn)動(dòng)范圍計(jì)算。

假設(shè)危巖自陡崖頂部開始傾倒崩塌,初始速度為零,陡崖高差約15 m,實(shí)際調(diào)查最大塊石約1 000 kg;陡崖下斜坡多為基巖出露,無植被生長,因此按表1取基巖坡面(無植被)法向恢復(fù)系數(shù)為0.33～0.37,切向恢復(fù)系數(shù)為0.83～0.87;第四系坡面法向恢復(fù)系數(shù)為0.28～0.30,切向恢復(fù)系數(shù)為0.78～0.80。計(jì)算結(jié)果見圖4。

從計(jì)算結(jié)果來看,滾石運(yùn)動(dòng)水平距離最大約100～120 m,計(jì)算結(jié)果小于實(shí)際調(diào)查的塊石分布距離。其原因可能為:

(1) 實(shí)際調(diào)查的塊石分布范圍是邊坡崩塌長期歷史過程中形成的,在形成過程中邊坡可能經(jīng)歷了較為極端的破壞條件,如高烈度地震、強(qiáng)暴雨等,致使計(jì)算參數(shù)與極端破壞時(shí)有一定的差距,從而造成計(jì)算結(jié)果偏小。

(2) 邊坡在長期的崩塌后退過程中,崩塌一方面減緩了邊坡的地形坡度且增大了水平距離,另一方面實(shí)際調(diào)查的塊石分布范圍也包含早期崩塌過程中形成的塊石。

從圖4可以看出安置點(diǎn)建設(shè)用地位于滾石運(yùn)動(dòng)計(jì)算范圍外約150～200 m,場地后緣危巖區(qū)崩塌形成的滾石對安置點(diǎn)無影響,可不考慮工程防治措施,但考慮到后期居民的活動(dòng)范圍較大,因此建議在滾石運(yùn)動(dòng)計(jì)算范圍內(nèi)進(jìn)行警示標(biāo)識,提示居民遠(yuǎn)離崩塌滾石運(yùn)動(dòng)范圍。

圖4 滾石運(yùn)動(dòng)計(jì)算成果Fig.4 Calculation results of rolling-rock movement

3 結(jié)語

(1) 受斷裂構(gòu)造及地形影響,場地后緣陡崖發(fā)育危巖體,危巖區(qū)陡崖下部斜坡分布較多崩塌塊石,場地后緣崩塌災(zāi)害較為明顯。

(2) 分析危巖運(yùn)動(dòng)形式,采用恢復(fù)系數(shù)法計(jì)算滾石運(yùn)動(dòng)范圍,計(jì)算結(jié)果表明:滾石運(yùn)動(dòng)水平距離最大約100～120 m,計(jì)算結(jié)果小于實(shí)際調(diào)查的塊石分布距離。

(3) 安置點(diǎn)建設(shè)用地位于滾石運(yùn)動(dòng)計(jì)算范圍外約150～200 m,場地后緣危巖區(qū)崩塌形成的滾石對安置點(diǎn)無影響。

[1] 陳洪凱,唐紅梅,王林峰,等.危巖崩塌演化理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[2] 葉圣生,衛(wèi)俊杰,付調(diào)金,等.金沙江烏東德水電站下普利安置點(diǎn)詳細(xì)規(guī)劃階段工程地質(zhì)報(bào)告[R].武漢:長江三峽勘測研究院有限公司,2015.

[3] 黃潤秋,劉衛(wèi)華,周江平,等.滾石運(yùn)動(dòng)特征試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(9):1296-1302.

[4] 呂慶,孫紅月,翟三扣,等.邊坡滾石運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型 [J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2003,12(3):79-84.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Analysis of Rolling-rock Movement Characteristics and Scope ofInfluence in a Resettlement Site

YE Shengsheng, LI Huizhong, LIANG Liang, FU Diaojin

(ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearchCo.Ltd,Wuhan,Hubei430074)

On the basis of achievements of geological survey,the paper analyzes formation conditions of rolling-rock,rolling-rock movement and the movement features,selects the profile to calculate movement range of rolling-rock movement,comparatively analyzes distribution range of the site stone and difference of the range of motion of rolling-rock,puts forward suggestions for the choice of the final placement.

rolling-rock; movement type; motion characteristics; recovery coefficient; scope of influence

2016-04-22;改回日期:2016-04-27

葉圣生(1970-),男,高級工程師,工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程勘察、設(shè)計(jì)研究和地質(zhì)災(zāi)害防治等工作。E-mail:shenthy@163.com

P642.2; TU45

A

1671-1211(2016)03-0262-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.002

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.016.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24