都汶路震災后邊坡崩塌落石運動特征分析及防治

陳俊安

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院, 四川成都 610017)

?

都汶路震災后邊坡崩塌落石運動特征分析及防治

陳俊安

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院, 四川成都 610017)

【摘要】崩塌落石是山區常見的一種地質災害。文章在地質調查分析的基礎上，通過模擬計算巖塊運動途徑，獲取其可能的落點、回彈高度等特征，以此為基礎進行防護設計，使防治措施合理有效，并簡單介紹了一個實例的分析過程。

【關鍵詞】公路；邊坡；崩塌落石；運動路徑；防治措施

目前的高速公路越來越往山區發展，在高速公路建設中，多有遇到崩塌落石等自然災害，對公路建設、行車安全造成極大的危害。目前對崩塌落石的防治技術可分為兩大類：主動防護技術和被動防護技術。前者包括對單個危巖體進行錨固、支撐等防止落石發生，并置防護網；而后者防止理念在于落石發生后進行有效攔截，使其不致產生危害。兩類防護技術在實際工程多有應用，但實際上崩塌落石的發生具有較多不確定性因素，其來源、大小、影響運動路徑的因素等事先不可預知，這使準確地預測落石的發生、運動路徑變得很困難。本文通過野外的工程地質調查，查明崩塌的產生原因、落石來源、邊坡巖體組成、形狀、巖體特征、落石分布及大小等資料，進行綜合分析研究落石的運動特征，隨機模擬計算落石的運動路徑，統計落石的分布、運動過程中回彈高度、落石的能量大小等分布規律，以此為基礎進行防治設計。

1邊坡防護區工程地質條件簡述

根據勘察資料和現場踏勘，將K30+500～K30+618邊坡的地質條件簡述如下：

1.1地形地貌

本段邊坡位于麻柳灣，岷江左側，邊坡走向與岷江基本上一致。工程區山高谷深，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌。邊坡下部為垮塌堆積體和沖溝泥石流堆積體，上窄下寬，呈扇形狀。邊坡下部堆積體坡度為30°左右，后緣斜坡及沖溝兩側斜坡陡峻。

1.2地層巖性

1.3地質構造

場地靠近龍門山主斷裂-映秀斷裂，該斷裂是“5·12汶川大地震”的發震斷裂，場址區受龍門山主斷裂影響強烈，巖體節理裂隙發育，異常破碎。

1.4地震

根據震后6月份頒發的最新《中國地震動參數區劃圖》，本區場地地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應譜特征周期為0.35s。

1.5水文地質條件

防護區水文地質條件較為簡單，以基巖裂隙水為主，未見出露，地下水埋大于10m，主要來源于地表降雨及后緣山體裂隙水補給，地下水排泄于坡下岷江。根據鄰近工點水質分析資料，地下水及河水對混凝土均無腐蝕性。

1.6邊坡穩定性評價

根據勘察資料和現場踏勘查明：此段邊坡下部為垮塌堆積體，主要物質成分為塊碎石，充填物為粉土及巖屑，含量較少，因此，堆積體表層多為無膠結狀態，松散堆積，但由于堆積體橫坡較緩，自身整體穩定性較好。下部堆積體邊坡的主要工程地質問題為局部表層的巖石塊體的不穩定，在不利條件下會導致失穩而向下滾落。堆積體后緣以上為一沖溝，溝內堆積了大量的沖洪積的塊碎石，結構松散，溝兩側主要為基巖，局部表層為少量的崩坡積物，由于地處大的活動斷裂帶內，巖體受構造作用強烈，節理裂隙發育，加之在“5·12”特大地震作用下后緣邊坡發生了大規模的崩塌，目前邊坡巖體十分破碎，危石發育，在地震余震及不利氣候條件下易發生巖塊的崩落。由于邊坡后緣陡壁距離公路高差大，具有強大的重力勢能，因此，即使是很小的巖塊順坡滾落到公路也會殘留較大的動能，對路面造成破壞，對行人和車輛造成生命財產的威脅。后緣沖溝堆積體物質豐富，在暴雨作用下可能發生“水石流”。

2崩塌落石的運動特征

崩塌常產生于陡坡地段，巖塊受一組外傾節理影響，脫離山體，形成崩塌。

巖塊在懸崖前墜落是服從自由落體運動規律的，沿斜坡的運動形式主要是跳躍和滾動。巖塊的運動受山坡形狀、覆蓋層等較多因素影響，為便于研究分析，做以下假定：

(1)落石運動過程中不考慮空氣阻力；

(2)落石運動為豎向平面二維問題，且忽略落石問的相互影響；

(3)不考慮落石在運動過程中解體，不考慮落石形狀、體積影響。

2.1跳躍運動

巖塊剛脫離山體后，以自由落體運動落到斜坡上，與斜坡碰撞。建立如圖1所對應的落石質心的坐標系進行研究。

圖1　落石跳躍運動分析模型

依據運動學有關原理，建立落石運動特征方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)、式(2)為落石每時刻的路徑，式(3)、式(4)為落石每時刻的速度變化。

式中：x0、y0為落石初始位置；Vx0、Vy0為落石初始速度；Vx1、Vy1為碰撞前速度；t為時間；g為重力加速度，取9.81m/s2。

巖塊與斜坡產生碰撞，屬于非彈性碰撞，碰撞后速度大小和方向都會發生變化。在碰撞過程中，通常情況下落石與斜坡接觸點的相對速度沒有在它們的公法線上，為斜碰撞，因此必須將前述落石速度Vx1、Vy1用邊坡法向和切向速度表示：

(5)

(6)

式中：VN1、VT1為落石碰撞前速度；β為邊坡坡度。

落石在與斜坡碰撞過程中，影響速度變化的因素較為復雜，碰撞后的速度可由法向和切向恢復系數確定，如下式：

(7)

(8)

其中：VN2、VT2為碰撞后的落石法向、切向速度；RN、RT為落石與斜坡碰撞的法向、切向恢復系數，一般可根據經驗確定，也可依據已知落石條件反分析確定。

在落石與斜坡碰撞之后，若VN2值接近于0，則落石會沿斜坡滾動或滑動，否則繼續作跳躍運動。將碰撞后的落石法向、切向速度采用x—y坐標系表示：

(9)

(10)

其中，Vx2、Vy2為落石與斜坡碰撞后的速度。

此時落石繼續做斜向上拋射，在此過程中，當豎直方向上速度為0時，落石反彈高度最大(圖1)：

(11)

碰撞過程中在同一斜面所能達到的最遠水平距離為Smax：

(12)

此時落石垂直移動距離為：

(13)

2.2滾動運動

若落石與斜坡碰撞后，坡面法向分速度VN2趨近于0時，落石繼續沿坡面滾動或滑動，一般情況下，落石運動后期所處的邊坡坡角比較小，此時落石運動多為滾動，其方程為：

(14)

式中，f為滾動摩擦系數。

隨著落石的滾動、斜坡的變緩，落石加速度逐漸減小，滾石速度會逐漸減小至0。

3工程實例

國道213(317)線都汶路映秀至汶川段二級公路災后復建工程(二期)，位于K30+500～K30+618，此段邊坡下部為垮塌堆積體，主要物質成分為塊碎石土，堆積體橫坡較緩，穩定性較好，但位于堆積體后緣以上的沖溝表層含有大量的松散塊碎石，溝兩側基巖表面非常破碎，含有大量的不穩定巖塊。由于高差較大，巖塊滾落后將順坡而下形成飛石，威脅到行車的安全。

陡崖巖體受重力作用，裂隙張開形成危巖，危巖體多被節理裂隙切割成塊體，部分塊體側壁與母巖完全脫離，易發生傾倒式破壞；部分塊體下部脫空，呈懸挑狀，易發生墜落式破壞。山坡上植被發育，落石在運動途徑中多受樹木、草叢緩沖，運動受到較大的緩沖作用，經多次碰撞，停留在山坡或坡腳。需要通過巖塊運動途徑分析確定巖塊的最終落點分布、最大反彈高度、巖塊能量等特征，并以此作為防治措施的依據。

邊坡簡化如圖2所示，高約150m，邊坡上部以易段為裸露基巖，巖體節理裂隙發育，崩塌落石時有發生，為崩塌落石來源，水平距離公路邊緣約180m；cde段為斜坡，堆積碎石混亞黏土，結構松散，長有低矮灌木叢，植被發育中等，斜坡上見有散落的碎、塊石，為崩塌堆積，大小極不均勻，約10～100cm均有分布，四處散落，多分布于cd段。

圖2　邊坡斷面示意

不同邊坡段法向、切向恢復系數的取值見表1。

表1　恢復系數

本次模擬計算1 000次，巖塊的大小隨機選取，巖塊崩塌源為斜坡ab段，巖塊初始速度為零，當巖塊脫離山體后，呈自由落體運動，與斜坡碰撞后開始作跳躍和滾動運動形式。通過統計多次巖塊運動分析，得出的結果如圖3～圖5所示。

圖3　落石終點位置分布

圖4　落石在不同斜坡地段的最大高度

圖3顯示落石主要堆積在斜坡cd段，這符合野外調查的結果。圖4顯示出巖塊距離斜坡最大高度出現于斜坡bc段，這是由于斜坡abc段為陡崖，巖塊從山體脫離后即呈自由落體運動，最大高度即是陡崖高度；斜坡cd段落石最大高度才是巖塊與斜坡碰撞后的回彈高度，由圖4可知，回彈高度是逐漸降低，到了該斜坡末段回彈高度為零，表明落石已呈滾動狀態。圖5顯示的落石的總動能和總勢能，其中落石能量降低很快，在斜坡cd末段較低，到了斜坡de段稍有升高，是因為斜坡de段較斜坡cd段陡，對巖塊速度有所提升。

圖5　落石在不同斜坡地段的總能量

計算結果顯示，落石大部分堆積在斜坡cd段，危害公路安全的落石僅為極少數，這極少數落石的運動形式為滾動。由圖5可知，落石的能量在斜坡d斷面處為最小。建議在斜坡cd末段和 de前段設置攔石墻是較合理的，此處落石運動能力小，運動高度很低，也可以充分攔截進入公路范圍的滾石。攔石墻必須具備一定的強度，采用了C15的片石混凝土，墻頂寬1.2m，且在墻背按1∶1坡比填筑1.5m高的卵礫石緩沖層，以起到一定的消能作用。攔石墻基礎進入公路邊溝溝頂以下1.2m，攔石墻內側接落石槽，落石槽基底寬2m。攔石墻墻體施工時預留一排泄水孔，其尺寸為15cm×15cm方孔，泄水孔出口緊貼邊溝內側地面，仰坡3 %，間距2m。攔石墻墻背基礎開挖時，距墻身30cm開始按1∶0.3坡比放坡，墻背及時回填石灰土。

4結束語

目前工程建設已逐漸向山區發展，崩塌落石是山區常見的一種地質災害，常危及工程建設、生命安全。通過野外的工程地質調查分析，查明崩塌的產生原因、落石來源、分布等特征，通過對巖塊運動途徑的分析計算、統計，獲取其可能的落點、回彈高度等特征要素的規律，以此為基礎進行防護設計，使防護設計更加科學和合理。

參考文獻

[1]四川省交通廳交通勘察設計研究院公路一處.國道213(317)線都汶路映秀至汶川段二級公路災后復建工程(二期)[R].2008

[2]張天寶，周良慧. 高速公路邊坡崩塌落石運動特征分析及防治[J]. 水電站設計, 2009, 25(3).

[3]鄭春明，張映輝 . 山區滑坡、崩塌、泥石流成因分析及防治對策[J]. 浙江水利科技, 2008(2).

[4]曹興松.碎裂巖體路塹高邊坡失穩機理及防治技術研究[D]. 西南交通大學, 2006.

[作者簡介]陳俊安(1983～)，男，本科，工程師，主要從事特殊路基設計工作。

【中圖分類號】U419.2

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-05-20