川西瀘定縣某高陡斜坡危巖體災害特征與落石風險分析

汪海兵 劉 歡

（安徽省地質礦產局322地質隊）

地質災害作為一種自然現象，給人類生存發展帶來的災害越來越不可忽視。而落石災害又是高陡山區常見的地質災害之一，一般發生在堅硬巖地區的高陡邊坡，其形成機制往往是河流切割或人工開挖形成的高陡邊坡在卸荷作用下的應力重分布后，在邊坡卸荷區內形成裂縫，同時與其他節理裂隙或結構面組合逐步貫通形成危巖體，從而在地震或爆破震動、降雨等其他外力作用下導致危巖體突然脫離母體，翻滾、墜落下來，對交通線路、建筑設施及人身安全都具有極大的危害。根據危巖失穩破壞的可能性，可將危巖分為墜落式危巖、傾倒式危巖和滑移式危巖［1］。陳洪凱等［2］、唐紅梅等［3］對三峽庫區的高陡邊坡的落石運動特征進行了分析，并計算了其危險性；何思明等［4］考慮了材料彈塑性特性的基礎上研究落石碰撞恢復系數的計算模式和計算公式；楊海清等［5］利用接觸力學和運動動力學理論，提出了邊坡落石運動軌跡的新計算公式；袁進科等［6］基于現場模擬試驗對落石的沖擊力進行了定量化測試；張路青等［7］對公路交通廊道的落石風險進行了定性分析；許強等［8］以丹巴縣城的危巖體為例對其單體落石的風險計算方法和評價進行了研究；王翔等［9］對拉林鐵路某橋梁位置的落石進行了模擬分析與試驗驗證；周愛紅等［10］基于支持向量機（SVM）預測模型確定了落石運動特征參數的影響因素，并估算了巖質邊坡落石的運動特征參數。以上研究無論是對落石的運動機理探討，還是落石運動軌跡模擬及其風險分析，均存在局限性。由于危巖落石具有點多、面廣、突發性、難預測性、高破壞性、隨機性等特點，且致災嚴重，因此，有關防治工程的精準設計難度很大。

為此，本研究以川西瀘定縣沙壩村后山的高陡斜坡危巖落石為研究對象，基于現場調查掌握危巖體的地層巖性、坡體結構面及變形破壞特征，運用Rocfall軟件建立了危巖落石的二維數值模型，通過對已發生的典型單體落石的運動路徑進行了模擬分析，并獲得了落石運動特性的落石彈跳高度、平移速度、總動能圖。本研究結果有望為川西瀘定縣段川藏公路的危巖落石防治工程確定落石被動網防治的攔截高度、能量大小等參數提供重要依據。

1 危巖體分布位置與巖性

危巖體主要位于四川西部瀘定縣瀘橋鎮沙壩村后山斜坡，處于大渡河右岸，斜坡后緣分水嶺高程為2 120 m，高差達800余米，危巖體主要分布在1 350~1 550 m高程段，坡度為30°~65°。斜坡上的危巖體可分為4個區（圖1），由西向東依次可分為I、II、III、IV危巖區，其中Ⅰ危巖區發育有3處危巖帶（I-WYD1、I-WYD2、I-WYD3）、II號危巖區可劃分為6處危巖帶（II-WYD1、II-WYD2、II-WYD3、II-WYD4、IIWYD5、II-WYD6）、Ⅲ號危巖區可劃分為3處危巖帶（III-WYD1、III-WYD2、III-WYD3），IV號危巖區發育有3處危巖帶（IV-WYD1、IV-WYD2、IV-WYD3）。

斜坡北側的危巖體主要為元古代混合質花崗巖、角礫狀及條帶狀混合巖，屬酸性巖漿巖堅硬巖組，主要發育于1#~4#、6#~12#、14#危巖體中；斜坡南側的危巖體主要為長綠巖、輝長輝綠巖、輝長巖，發育于5#、13#危巖體中。各危巖帶體積方量共計11 960 m3，均為中型崩塌。以上危巖體均可成為落石威脅坡腳前緣的I、II級階地上的人口聚集區和川藏公路（G318國道）。

2 危巖體基本特征

2.1 危巖體結構面特征

危巖體結構面多由構造裂隙和卸荷裂隙切割而成，其形態受結構面控制，結構面多為平直型，導致危巖體多呈楔形體狀，而塊徑一般為0.2~1.0 m，最大可達3.1 m。野外勘察測量中，主要總結為2組“X”型剪切構造裂隙和傾向坡外的137°~216°陡傾卸荷裂隙，野外測量的裂隙如表1所示，其中“X”型構造裂隙面如下。

（1）L1號裂隙傾向為79°~108°，傾角為44°~69°，與斜坡走向呈較大角度相交，裂面較直、粗糙，一般延伸長為1~7 m，裂隙張開0.5~8 cm，發育間距在0.3~1.0 m，結合差。

（2）L2號裂隙傾向為236°~309°，傾角為52°~75°，與斜坡走向呈大角度相交，裂面較直、粗糙，一般延伸長為0.5~5 m，裂隙一般張開0.5~7 cm，隙間距為0.3~1.2 m，結合差。

2.2 危巖體變形破壞特征

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沙壩后山危巖地處高陡基巖斜坡體上，巖體堅硬，構造結構面陡立，傾向為52°~75°；另外呈張開狀的卸荷裂隙發育決定了危巖破壞形式主要有2種，即墜落式及滑移式，少量為傾倒式。斜坡體上危巖變形破壞主要以零星的落石掉塊為主，間夾少量滑移、傾倒，落石掉塊的區域大，巖體沿該光滑面向臨空方向發生滑動，脫離母巖，形成崩塌落石（圖2）。危巖主要分布于邊坡的中上部陡壁處，分布和形態不規則，單塊體積較大的和較完整的為危巖體，單塊體積較小、分布集中、數量多的為危巖帶，塊石大小一般為0.2~0.8 m，崩塌危巖體主要以棱角分明的楔形體、近長方體狀塊石為主，多以墜落式為主。在余震、暴雨等作用下斜坡體巖體結構面有加寬、加長的趨勢，使危巖區域有加寬、加大趨勢，危巖塊體和母巖的結合程度變差，穩定性變差，一旦遇到地震、暴雨或其它不良外力作用時危巖易失穩破壞。危巖體在重力和地震力等作用下發生墜落、傾覆及滑移形成崩塌體。崩塌體脫落母巖掉落于斜坡上，由于斜坡高陡，其坡度一般在45°~65°，崩塌體不易停積于危巖體下陡坡上，多在陡坡坡面滾動、滑移，當略有阻擋或坡面凹凸不平，崩塌體就以滾動的方式運動，在陡坡上加速運動具備一定速度后，在陡坎頂部拋射而出，沖擊斜坡，反彈放射啟動，到達地面后，以滾動或跳躍的方式運動一段距離，在坡體較平緩處停止，威脅到居民社區。

3 危巖落石數值模擬與風險分析

在落石運動軌跡分析時，本研究采用Rockfall分析軟件對危巖落石的運動過程進行模擬，分析落石在坡面運動過程中沖擊能量、彈跳高度及運動速度的變化，為工程防治提供直觀有效的指導依據。

3.1 計算參數的確定

根據坡腳平臺處崩落落石統計結果，選取高陡斜坡上危巖體的平均體積作進行計算分析，由巖石實驗數據可知，取崩落巖石的密度為2.74 g/cm3。并采用落石位置與源區的反演計算，獲取統計崩塌落石的初始速度值。落石途徑剖面段的材料參數直接影響落石的崩落速度和彈跳高度等，剖面參數的切向阻尼系數（Rt）和法向阻尼系數（Rn）取值見表2。

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3.2 落石運動軌跡與防護分析

由于危巖的數量較多，啟動高度不同，危險性各異。因此，可根據其威脅對象和可能的運動路徑，選取典型的VI-WYD1號危巖剖面A-A'和III-WYD1危巖B-B'進行計算。由于危巖失穩后，在其運動過程中由于摩擦作用和碰撞作用，其塊體解體形成粒徑相對較小的塊體。因此，在剖面的不同位置，危巖體的塊徑大小相差較大，在計算落石運動特征的時候，充分考慮危巖帶位置的危巖體積和斜坡坡腳已發生滾動的塊石體積，最終計算得到兩者的平均值，用該體積平均值來計算該剖面上落石運動特征。

3.2.1 A-A'剖面危巖落石運動特征計算結果

沙坪村后山不穩定斜坡A-A'剖面IV-WYD1危巖帶的最大塊徑為3 m3，通過野外調查統計可知，該剖面的坡腳處已發生落石的平均塊徑為1 m3。因此，該剖面的危巖體平均體積為2 m3，計算的初始位置設置在IV-WYD1危巖帶的最大落石高度，此處落石運動初速度為零，其落石軌跡模擬過程如圖3所示。

由圖3可知，A-A'剖面上的危巖帶頂部土石混合體局部滑塌后，形成的崩塌落石大部滾落至緩坡平臺上，發生跳躍后休止于斜坡前部，臨近居民房屋；少量或個別塊石發生多次跳躍后，滾落至安置點居民區前方緩坡平臺上，最遠滑動距離約為302 m，最大落差為248 m。其運動模式以滾動或滑移為主伴有局部彈跳，緩沖平臺寬度較窄，大部分落石未完全消能，繼續向下運動進而危及川藏公路以及沙坪村安置點居民的安全。根據現場調查，該處危巖體下部居民房屋前后均分布有較大塊徑孤石，為前期崩落堆積落石，根據川藏（G318）公路位置可知，崩落塊體運動軌跡已覆蓋公路以及居民點。因此，該危巖體崩塌后對危巖帶下部公路以及居民點構成威脅。

根據崩塌落石彈跳高度、速度和沖擊能量曲線圖（圖4）可得，該崩塌落石的特點為沖擊能量大、運動速度中等、彈跳高度低。根據落石的彈跳高度，在斜坡中部和川藏公路后方擬建工程部位其滾動沖擊能量均相對較小，且離前方安置區的距離適中，因此對該崩塌落石的防護具備被動支擋的條件。同時由以上運動特征分析可知在居民區的位置的彈跳高度、運動速度以及沖擊能量都較大，說明沙坪村居民區后山Ⅲ-WYD1號危巖帶崩塌落石對山腳威脅較大。因此，應在居民區后面修建被動支擋工程。根據計算結果，危巖體在最末段路徑擬設工程部位彈跳高度為1.6 m，落石總沖擊能量為1 976 kJ，運動速度為22.3 m/s。

3.2.2 B-B’剖面危巖帶落石運動特征計算結果

通過野外調查統計可知，沙坪村后山不穩定斜坡B-B'剖面III-WYD1危巖帶的最大塊徑為4 m3，該剖面的坡腳處已發生的落石的平均塊徑為1 m3。因此，該剖面的危巖體平均體積為2.5 m3，計算的初始位置設置在III-WYD1危巖帶的最大落石高度，此處落石運動初速度為0，其落石軌跡模擬過程如圖5所示。

由圖5的落石軌跡可知，III-WYD1號危巖帶頂部土石混合體局部滑塌后，形成的崩塌落石大部滾落至緩坡平臺上，發生跳躍后休止于斜坡前部，臨近居民房屋；少量或個別塊石發生多次跳躍后，滾落至安置點居民區前方緩坡平臺上，最遠滑動距離約為189 m，最大落差為118 m。其運動模式以滾動或滑移為主，伴有局部彈跳，緩沖平臺寬度較窄，大部分落石未完全消能，繼續向下運動進而危及川藏公路以及沙坪村安置點居民的安全。根據現場調查，該處危巖體下部居民房屋前后均分布有較大塊徑孤石，為前期崩落堆積落石，根據川藏公路位置可知，崩落塊體運動軌跡已覆蓋公路以及居民點。因此，該危巖體崩塌后對III-WYD1號危巖帶下部公路以及居民點構成威脅。

同理，根據VI-WYD1號落石彈跳高度、速度和沖擊能量曲線圖(略)可知，該落石的特點為沖擊能量大、運動速度中等、彈跳高度低。根據落石的彈跳高度，在斜坡中部和川藏公路后方擬建工程部位，其滾動沖擊能量均相對較小，且離前方安置區的距離適中，因此，對該崩塌落石的防護具備被動支擋的條件。同時由以上運動特征分析可知，在居民區的位置的彈跳高度、運動速度以及沖擊能量都較大，說明沙坪村居民區后山VI-WYD1號危巖帶崩塌落石對山腳威脅較大。因此，應在居民區后面修建被動支擋工程。根據計算結果，危巖體在最末段路徑擬設工程部位彈跳高度為1.6 m，落石總沖擊能量為1 976 kJ，運動速度為22.3 m/s。

4 高陡斜坡危巖體災害防治措施建議

對于沙壩村后山高陡斜坡存在的各潛在危巖體災害點，以工程防治、合理避讓為主要原則，提出針對性的處理措施建議。

（1）清除危巖。由于巖體坡表呈碎裂狀，較大危巖體表面有比較多塊徑相對較小的塊石，為了為后期修建錨桿提供相對安全保障，對危險區中—危險性較大且穩定性差的危石進行人工清除。

（2）主動防護網。主動防護網采用GPS2型主動網和SPIDER型主動網，系統錨桿采用?32 mmHRB335級螺紋鋼筋制作，長度為3 m，錨孔注入M30水泥砂漿。因坡面凹凸不平，為使主動網緊貼坡面，建議對主動網施加預應力拉緊，在大塊危巖體四周和坡面較大凹凸處以及其它必要處增設加長的隨機錨桿，隨機錨桿亦采用?32 mmHRB335級螺紋鋼筋制作，錨孔注入M30水泥砂漿。受坡面形態影響，主動網面積根據實際需要進行動態調整。

（3）被動網防護。對于零星落石難以徹底清除段，在川藏公路的后方設置三段被動防護網，以防治III-WYD1，III-WYD2，IV-WYD1，IV-WYD2，IVWYD3危巖帶的崩塌落石對公路和居民點造成損害，其抗沖擊性能和高度需滿足落石在該處的動能及彈跳高度的要求。

（4）樁板攔石墻防護。根據危巖帶分布特征及地形地貌，在II-WYD4，II-WYD5，II-WYD6危巖帶采取樁板攔石墻的治理措施，以達到減輕落石災害的目的。

5 結論

（1）沙壩村后山高陡斜坡危巖體主要為元古代混合質花崗巖、角礫狀及條帶狀混合巖等酸性巖漿巖和長綠巖、輝長輝綠巖、輝長巖等中性巖漿巖，危巖體均為中型崩塌。

（2）危巖體內主要發育傾向為79°~108°、傾角為44°~69°的L1號和傾向為236°~309°、傾角為52~75°的L2號構造裂隙；此外，還發育傾向為137°~216°，且傾向坡外的卸荷裂隙，由構造裂隙和卸荷裂隙將危巖體切割成楔形體落石形狀。

（3）利用Rockfall模擬重現了落石的軌跡，并可生成彈跳高度和能量圖表，直觀反映威脅范圍，可結合Rockfall結果直觀的優點對落石防護進行工程設計指導。

（4）對于潛在落石危巖體災害的整治中，以工程防治、合理避讓為主為原則，采用人工清除碎裂化危巖、主動網防護大塊危巖、被動網和樁板攔石墻保護的治理措施，以達到減輕落石災害的目的。