崩塌落石運動特征評判及量化分析

王偉才

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

1 概述

崩塌地質(zhì)災(zāi)害的危險性主要表現(xiàn)在邊坡危巖體的崩落帶來的危害，危巖體崩落具有分布點多、速度快、頻次高、突然性等特點。本文主要通過“江油市太平鎮(zhèn)某處崩塌地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急勘查設(shè)計”為例，采取數(shù)理分析，研究分析落石的崩塌軌跡，評價邊坡的穩(wěn)定性，對危巖體崩落的位置區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，界定下方危險范圍，以避免造成人員傷亡，為科學(xué)防治崩塌災(zāi)害提供數(shù)理支持。

2 危巖體崩落運動特征研究方法

目前通常將危巖體落石歸類于崩塌災(zāi)害中的一種表現(xiàn)形式，但從規(guī)模上來看，崩塌一般是較大規(guī)模的地質(zhì)體，而危巖體落石更具有隨機(jī)性、小型等特點，且不具備崩塌災(zāi)害拉斷、傾倒等明顯特征，因而更難以通過工程手段徹底消除，所以通過運動學(xué)數(shù)理分析更有助于判斷落石的運動軌跡。崩塌落石的運動特征研究手段主要通過現(xiàn)場試驗、模型實驗、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行。

2.1 現(xiàn)場試驗

落石的現(xiàn)場試驗主要方法是厘選不同塊徑、不同圓度、不同質(zhì)量的塊石自不同高度、不同初速度滾落或跳躍下落，以質(zhì)量、跳躍次數(shù)為變量研究落石點的位置，分析敏感參數(shù)的變化對落石運動水平距離的影響。

現(xiàn)場試驗的分析結(jié)論針對某種現(xiàn)實條件具有相當(dāng)?shù)恼鎸嵭裕瑓⒖夹暂^強，對下方的防治工程的位置、長度、高度具有較強的指導(dǎo)意義。

2.2 模擬分析

20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家逐步開始利用模擬分析法研究崩塌落石運動，其中包括模型試驗。模型試驗不受現(xiàn)場地形條件的制約，且費用成本較低，按一定比例準(zhǔn)確還原現(xiàn)場實景要素，多次試驗后結(jié)果能夠較好地反映野外情況，作為再現(xiàn)和預(yù)測危巖體落石運動的一種手段，其試驗結(jié)論具有較高的參考價值。

2.3 數(shù)值模擬

隨計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)值分析法也逐步應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害防治研究之中，該方法的準(zhǔn)確度是建立在大量的現(xiàn)場試驗以及模型試驗研究分析之上，包括對現(xiàn)場地形能夠真實模擬，對敏感參數(shù)優(yōu)化選取，采取崩塌運動學(xué)公式對運動過程進(jìn)行數(shù)值模擬及分析。

過去采用的模糊經(jīng)驗公式已逐步被數(shù)值分析法取代，近年來，三維測繪的迅速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)的引用以及概率分析法的應(yīng)用，使其在預(yù)測落石的運動距離、運動勢能及動能、彈跳高度等重要參數(shù)時保證較高的準(zhǔn)確率，數(shù)值分析的結(jié)果也更加直觀有效。

3 危巖體發(fā)育特征

該項目崩塌危巖體位于江油市太平鎮(zhèn)唐僧村八社觀音灘單面山前坡中上部，為一帶狀危巖體群，為地震誘發(fā)的滑塌危巖體，危巖帶分布區(qū)域長約220m，寬約350m。崩塌后壁為近直立的陡崖。據(jù)調(diào)查，觀音灘危巖體分布于觀音灘西單面山前坡的一帶的部分區(qū)域，坡腳高程305m左右，危巖分布于305～350m高程段，相對高差40～50m。整個勘查區(qū)發(fā)育10處危巖（WY1、WY2、WY3、WY4、WY5、WY6、WY7、WY8、WY9、WY10），危巖總體積約1383.54m3，規(guī)模均為小型。通過實地調(diào)查，認(rèn)為多數(shù)危巖體具有崩塌的前兆，由于汶川5.12強烈的地震力使山體劇烈搖晃，再加上坡體結(jié)構(gòu)受到巖體裂隙的影響，有的塊體已明顯發(fā)生位移脫離母體。崩塌落石呈扇狀錐形分布于坡角，落石損毀坡下村民房屋及林地、耕地，崩塌塊石最遠(yuǎn)水平搬運距離約80～100m。

本文選取WY3危巖進(jìn)行研判，現(xiàn)將該危巖體發(fā)育特征敘述如下：WY3危巖體位于太平鎮(zhèn)唐僧村觀音灘（觀音廟后半山坡）之上，屬于高位危巖，分布高程為339m，見圖1，立面形態(tài)近似長方形，立體形態(tài)近似短柱狀，長8.5m，高2.5m、厚1.8m，危巖體積約為38.25m3，危巖體下部缺乏支撐形成凹腔。

圖1 WY3危巖剖面示意圖

巖體裂隙深0.3m，內(nèi)側(cè)傾向坡外的裂隙面被泥質(zhì)和小塊石充填。主要發(fā)育三組裂隙產(chǎn)狀分別為：①167°∠48°，與坡向60°斜交，節(jié)理張開度約2～5cm，裂隙面較為光滑，有泥質(zhì)填充物；②55°∠79°，與坡向60°斜交，延伸長度大于1m，節(jié)理張開度約3～5cm，裂面較平直，有泥質(zhì)充填物；③315°∠42°為巖層面產(chǎn)狀，巖層傾向坡內(nèi)，裂面較為平直，構(gòu)成了危巖體的底部邊界。在5.12地震中局部形成，危巖體周界裂隙較發(fā)育，形成危巖邊界。誘發(fā)因素：①地震使巖體松散；②砂巖裂隙發(fā)育，強大的動力使巖體向前運移，易形成凹巖腔；③雨季或強降雨后，裂隙水壓力作用。WY3危巖基本特征見表1。

表1 危巖體基本特征表

4 危巖運動軌跡評判

4.1 運動軌跡類型及計算式[2-5]

4.1.1 自由墜落速度

坡面危巖失穩(wěn)脫離原巖后由于自重作用而表現(xiàn)出的運動形式是墜落。危巖自某一時刻T，從位置（xi，yi）處以某初速度脫離坡面后運動軌跡：

墜地瞬時速度v(i+1)x和v(i+1)y為：

式中：x i+1、y i+1——墜點坐標(biāo)；

Δt——墜地時間，s。

4.1.2 碰撞彈跳速度

危巖從陡坡墜落時沖擊地面的撞擊為非彈性碰撞，其與坡面接觸點的速度可以分解為斜面上的法向與切向上，考濾到在與坡面碰撞過程中的能量損失，可采用回彈系數(shù)表征，則在碰撞時刻沿斜坡法向與切向上的速度：

式中：e n、e t——法向回彈系數(shù)與切向回彈系數(shù)。

則危巖反彈速度vi′及其與坡面夾角θ為：

坡體運動方向與水平面的夾角β=θ-α；危巖體起跳點距彈跳最高點的距離S和最大彈跳高度Hmax分別為：

式中：α——坡面水平角；

β——危巖體運動方向與坡面的夾角；

H——反彈點到墜落點豎直高度，m；

Smax——危巖體反彈最大拋程，m。

4.1.3 落石威脅區(qū)域

由運動路徑計算結(jié)果可預(yù)測落石在計算斷面水平方向上達(dá)到的最大距離，結(jié)合落石運動偏移比η，可以劃定落石威脅區(qū)域，本次計算取一級危險性等級區(qū)域，取η=0.3，則各危巖的威脅區(qū)域為偏移比與水平方向上最大距離的積即：η·S。

4.1.4 坡面運動

當(dāng)拋高小于2倍的危巖等效半徑時，落石進(jìn)入滾動狀態(tài)，根據(jù)滾動摩擦功能原理，自滾動起始位置到任意位置S的速度v i為：

當(dāng)坡面足夠長時，滾石在摩擦作用下停止運動，停止的位移S為：

式中：tanφd——滾動摩擦系數(shù)，0.7～0.85。

4.1.5 危巖失穩(wěn)轉(zhuǎn)化的能量

式中：m——巖石質(zhì)量，kg。

各危巖體運動特征值見表2。

表2 各危巖體運動特征值

經(jīng)現(xiàn)場核實，計算結(jié)果與實際一致。

4.2 危巖運動參數(shù)演算

WY3危巖體積6.96m3，質(zhì)量17.748kg，斜坡坡角43°。經(jīng)危巖運動參數(shù)演算，共分4個運動軌跡：A-B，運動狀態(tài)為碰撞，運動豎直距離10.0m，水平距離為0；B-C，運動狀態(tài)為滾動，運動豎直距離4.0m，水平距離為5.71m；C-D，運動將停止，運動豎直距離10.0m，水平距離為26.0m。見表3、表4、圖2。

表3 危巖參數(shù)

表4 危巖運動參數(shù)

5 結(jié)論

綜上，現(xiàn)階段國內(nèi)對于崩塌落石運動特征的研究與國外還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：①目前基于概率分析的落石運動特征研究還不夠深入，在部分實際工程中仍較為依賴參數(shù)單一的經(jīng)驗公式；②為了簡化計算，不論是運動學(xué)公式還是經(jīng)驗公式，在計算時假設(shè)條件為將崩塌落石簡化成為無體積的質(zhì)點，并將其運動視作平動，并不考慮落石本身的形狀以及運動過程中的自轉(zhuǎn)，而這兩個要素對崩塌落石的運動特征計算結(jié)果有著較大的影響；③落石質(zhì)量在計算過程中保持不變，即落石在運動過程中不發(fā)生解體，不論是大質(zhì)量落石還是小質(zhì)量落石在進(jìn)行運動特征計算時都使用相同的計算公式。這就使得現(xiàn)有的計算方法不能完全反映落石運動的實際情況；④雖然有部分的研究人員進(jìn)行了現(xiàn)場的滾石試驗，但試驗規(guī)模及樣本較小，且試驗中落石多為小質(zhì)量的塊石，故對于破壞能力巨大的大質(zhì)量塊石的運動特征的研究還有待于進(jìn)一步的深入。本文通過危巖運動軌跡數(shù)值分析演算，取的參數(shù)用于防治工程設(shè)計，希望起到拋磚引玉作用。