溜石坡崩塌體運動過程與防治措施研究*

李 壯，楊志全，朱穎彥，雨德聰

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093;2.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093;3.昆明理工大學 云南省高校高烈度地震山區交通走廊工程地質病害早期快速判識與防控重點實驗室，云南 昆明 650093;4.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

中巴經濟走廊是“一帶一路”建設的先行先試區，戰略意義重大[1]。溜石坡是中巴公路北部地區發育的1類特殊高寒高山冰川地帶的邊坡地質災害類型,在中巴公路北段，溜石坡成為交通安全的嚴重威脅。溜石坡在天然條件下形成休止角，處于臨界穩定狀態，一旦該狀態遭到破壞，會引起坡面連續不斷地溜滑與垮塌。天然坡面成為巖崩或滾石的輸運通道，直接將落石傳輸至路面，過往車輛頻繁被滾落的巨石或跳躍的石塊擊中，可能造成車量損毀和人員傷亡[2-5]。

目前眾多學者針對滾石運動及溜砂坡防治開展大量研究：何思明等[6-7]針對滾石災害推導滾石沖擊力公式，計算對防護結構的沖擊力，模擬并研究滾石法向沖擊力及其動力響應特征；畢鈺璋等[8]針對高速遠程滑坡碎屑流采用二維離散元進行模擬得出防護結構對碎屑流消耗動能的防護作用；孫新坡等[9]通過離散元與有限差分耦合的計算方法，分析崩塌體與攔石墻動力沖擊響應，優化攔石墻的設計參數和結構模型；來志強等[10]運用離散元法模擬溜砂坡堆積過程，建立顆粒形態及粒間摩擦因數與溜砂坡堆積形態的相關關系。但是針對中巴公路溜石災害的研究較少，需進一步研究其防護措施并進行驗證。

本文通過分析溜石坡特征與災害發生過程提出針對溜石災害的防護措施，基于有限差分與離散元耦合方法，對在溜石災害發生過程中溜石崩塌體受防護裝置影響后的運動狀態與公路擋墻動力沖擊響應進行分析，從而獲得溜石崩塌體運動特征，完善防護裝置在溜石災害防治中的設計理論。

1 溜石崩塌體沖擊防護結構數值模型及參數確定

1.1 區域概況

中巴公路地處帕米爾高原腹地，穿越喀喇昆侖山脈、興都庫什山脈和喜馬拉雅山脈，地形起伏較大，整體地勢北高南低。該區域的冰川、河流、干燥、冰緣等地貌均較發育，此外存在湖泊、重力等多種地貌組合類型[11-12]。中巴公路沿線典型溜石坡分布如圖1所示。由圖1可知，溜石坡主要分布在蘇斯特(Sost，K726)至紅其拉甫(Khunjerab Pass，K811)路段，蘇斯特以南部分路段也有分布，但規模較小。K777 樁處板巖類溜石坡如圖2所示，其形態上呈現上陡下緩的地貌特征。中巴公路沿線溜石坡剖面如圖3所示。

圖1 中巴公路沿線典型溜石坡分布

圖2 K777樁處板巖類溜石坡

圖3 中巴公路沿線溜石坡剖面

溜石坡發育在泥巖、板巖及石灰巖分布區。泥巖、板巖及石灰巖的巖性決定溜石坡崩積物顆粒的尺寸粒度與形態隨巖石類型不同而變化，同一區域內溜石崩塌體形態統一，是中巴公路沿線巖體受冰劈風化作用下形成的1種獨特的山體崩塌現象。

溜石坡堆積區存在“二元結構”。溜石坡坡面堆積層結構由表礫層與底粒層2層組成，上層表礫層由巖礫組成，粒徑0.05～0.20 m，厚度約0.15～0.20 m；下層底粒層由含有黏粒的連續級配巖屑組成，相比表層，粒徑相差1個數量級以上，有一定層度的固結。從坡頂到坡趾，溜石坡無明顯的重力分選作用，坡頂顆粒粒徑、堆積層結構與坡腳處無明顯變化[13]。

1.2 降速格柵防擋裝置介紹

溜石坡由于自身特點導致工程防治較困難，目前常用的穩定措施包括深部固砂、圍欄固表、生物治理以及設置重力式擋土墻、棚硐、防沖擋水物、落石臺等。結合溜石坡實際情況，提出設置降速格柵擋墻的防護措施，用于減少溜石對公路或橋梁的沖擊破壞，同時減少巨石滾落中對過往車輛及行人的潛在威脅。中巴公路降速擋墻模型如圖4所示。溜石降速格柵擋墻可選用C30混凝土澆筑，其上均勻分布方孔，孔徑與溜石平均粒徑相同，可根據實地情況選用的孔徑范圍為0.1～0.2 m。當坡頂大量溜石夾帶巨大滾石突發向下滾落時，大量的溜石和巨大滾石帶有巨大的沖擊力，若其全部沖到路面上可嚴重破壞路面堵塞交通，采用降速格柵擋墻，可達到降低溜石滾動速度、減小沖擊力、阻止溜石坡規模進一步擴大的目的。

圖4 中巴公路降速擋墻模型

1.3 模型概況

根據實地勘測及現場調查報告，K777樁處板巖類溜石坡高程差53.8 m，坡長62.8 m。溜石災害模擬計算模型如圖5所示，大規模溜石體采用PFC中顆粒模擬，根據文獻[14-15]對顆粒體構建過程進行優化，溜石降速格柵擋墻、底部基巖、公路擋墻皆由FLAC3D中實體單元模擬，將滑動面與溜石降速擋墻，由zone-wall單元全部覆蓋，在模擬過程中進行力的傳遞，以達到離散元與有限差分單元耦合的目的。溜石崩塌體體積為9.3 m3，為對比不同直徑顆粒對降速格柵擋墻和公路擋墻的沖擊效果，以及降速格柵擋墻對不同粒徑溜石的降速效果，需進行多次模擬，故溜石粒徑選取0.15～0.20 m并進行5次模擬，由于溜石坍塌體體積固定，且受半徑影響，顆粒數設為1 054～2 466。同時進行1次混合顆粒模擬，顆粒半徑選取為0.15～0.20 m，共2 227個顆粒，顆粒半徑服從高斯分布。

圖5 溜石災害模擬計算模型

1.4 模型參數選取

Itasca公司為FLAC3D和 PFC3D 提供1種基于Socket(I/O)規則的計算耦合方法。其基本的原理是在 FLAC3D和PFC3D之間建立數據信息通道，通過相互傳遞信息實現同步耦合計算[16]。

有限差分與離散元耦合溜石坡模擬流程如圖6所示。通過此方法可實現大規模溜石垮塌模擬計算。本文所進行的一系列模擬是通過2種軟件耦合計算實現溜石與底部基巖、降速格柵擋墻之間力的相互作用，模擬在溜石崩塌發生過程中溜石對底部基巖應力的影響以及降速格柵擋墻對溜石運動過程的影響。在溜石崩塌發生過程中所關心的對象主要為溜石本體，采用有限差分與離散元耦合方法可在達到模擬目的基礎上加快運算速率，大幅節約計算時間。文獻[17]也表明研究有限差分網格可提高運算精度。

圖6 有限差分與離散元耦合溜石坡模擬流程

模擬的參數分為有限差分網格參數與離散元宏微觀材料參數。其中有限差分網格參數又分為底部板巖基巖參數與C30混凝土參數，底部板巖參數采用庫倫-摩爾(Mohr-Coulomb)本構模型，通過對板巖實驗獲得參數，通過單軸壓縮實驗驗證模擬結果，單軸壓縮應力應變關系曲線如圖7所示。C30混凝土在整個模擬過程中屬于強度界限以下的人造材料且物理力學參數穩定，所以采用各向同性彈性模型(Elastic Isotropic Model)，并根據文獻[18]選取參數，具體參數見表1。

圖7 單軸壓縮應力應變關系曲線

表1 有限差分區域材料參數

關于阻尼系數，根據文獻[19]的數據統一選取切向與法向阻尼系數，均為0.2。離散元顆粒密度采用實驗測得板巖顆粒密度，由于在離散元求解方法中，顆粒的接觸微觀參數決定其宏觀運動行為，但是目前針對板巖微觀參數的選取并無有效且快速的選取辦法，通過分析文獻[20-22],對原始參數進行修正標定得到適用于溜石邊坡的微觀力學參數。在模擬溜石崩落垮塌過程中，顆粒之間呈現松散體狀態，模擬顆粒間的接觸關系采用線性接觸模型(Linear contact model)，離散元顆粒參數見表2。

表2 離散元顆粒參數

2 溜石崩塌體降速效果及防護結構沖擊模擬結果分析

2.1 溜石崩塌體運動過程分析

為探究降速格柵擋墻在溜石崩塌體運動過程中的影響作用，選取0.15～0.20 m溜石顆粒進行模擬對比。溜石崩塌體在重力作用下運動的全過程如圖8所示。因基巖形變量對應底部有限差分網格變形量，故溜石位移量對應離散元顆粒位移量。由圖8可知，在溜石堆積體崩塌過程中溜石崩塌體底部首先滑落，使穩定形態發生破壞，頂部顆粒體隨之運動，溜石崩塌體各處顆粒在起始過程中因運動態不同導致后續顆粒體分布于坡面之上。

圖8 擋墻作用溜石體滑動演化過程對比

在無降速格柵擋墻防護裝置情況下，溜石繼續下滑撞擊公路擋墻，由于速率較大，部分顆粒飛濺，溢出擋墻落于公路之上，造成安全隱患。

在布置降速格柵擋墻后，溜石在坡面運動中受到擋墻降速作用，粒徑小于格柵孔徑的溜石顆粒徑順利通過，并在通過擋墻過程中消耗內能降低速率，粒徑大于格柵孔徑的溜石被阻擋。即使后續溜石部分落于公路，由于溜石粒徑較小、速度較低并不會對過往車輛造成影響。

2.2 格柵擋墻降速效果分析

通過ITASCA公司開發的FISH語言撰寫程序，利用該程序實時記錄每個顆粒瞬時速度，并計算其平均值(運動過程中全部顆粒平均速度變化)。

溜石粒徑為0.15～0.20 m情況下，在溜石災害發生時，有無格柵降速擋墻2種情況下全部溜石平均速度變化情況如圖9所示。安裝降速格柵擋墻后溜石顆粒對比自然情況提前進入減速狀態，在溜石粒徑為0.15～0.20 m情況下平均速度峰值下降9.39%。

圖9 0.15～0.20 m混合粒徑溜石運動平均速率對比

溜石堆積體在0.15～0.20 m不同均勻粒徑條件下，有無格柵降速擋墻2種情況下，災害發生過程中溜石平均速度峰值情況如圖10所示，平均運動速度峰值與溜石粒徑呈正相關。各均勻粒徑下溜石災害發生過程中，全部均勻溜石顆粒平均速度變化過程與溜石粒徑為0.15～0.20 m混合情況下基本相同。

圖10 不同均勻溜石粒徑運動平均速率對比

不同均勻溜石粒徑運動平均速率峰值對比及其降速比變化如圖11～12所示。

圖11 不同均勻溜石粒徑運動平均速率峰值對比

圖12 不同均勻溜石粒徑運動平均速率峰值降速比

由圖11～12可知，降速格柵擋墻對于溜石災害防護效果隨著溜石粒徑增大而降低。降速格柵擋墻在溜石災害發生過程中能夠有效降低溜石顆粒動能，降低溜石災害危險性，且溜石顆粒粒徑越小降速效果越明顯，降速效果與溜石粒徑呈負相關。

2.3 溜石沖擊力分析

采用有限差分模擬可計算溜石災害發生過程中公路擋墻的受力情況，通過公路擋墻受力變化可側面驗證降速格柵擋墻對于溜石災害的防護作用。

在0.15～0.20 m溜石混合崩塌體運動全過程中，布置格柵擋墻前后公路擋墻應力變化情況如圖13所示。由圖13可知，布置降速格柵擋墻前存在單一峰值最大沖擊力，為1.645 MPa；布置降速格柵擋墻后出現多個峰值且均低于0.6 MPa。故可知在布置降速格柵擋墻后能有效分散溜石集中沖擊荷載，將短時高能沖擊轉換為持續時間穩定沖擊荷載，降低溜石崩塌體對于公路擋墻的沖擊損傷，提高公路擋墻穩定性，降低溜石災害風險。

圖13 布置格柵擋墻前后公路擋墻應力變化

3 結論

1)布置降速格柵擋墻可通過篩分溜石顆粒有效影響溜石崩塌體運動，避免大粒徑溜石落入公路，降低溜石災害風險。

2)混合粒徑溜石與平均粒徑溜石在災害發生過程中平均速度變化趨勢基本相同。相同體積溜石崩塌體，溜石粒徑與平均運動速度峰值呈正相關，溜石粒徑越大平均速度峰值越大，布置降速格柵擋墻能夠降低溜石平均運動速度峰值，降速效果與溜石粒徑呈負相關。

3)在溜石崩塌體沖擊公路擋墻過程中，溜石一次性沖擊公路擋墻受應力較大，通過布置降速格柵擋墻可分散沖擊過程，降低公路擋墻所受應力，提高穩定性，降低由于溜石崩塌體沖擊導致公路擋墻損毀引起交通事故的風險。