王春山，巴仁基，劉宇杰，聶德新

（1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都 610081；2.成都理工大學(xué)，成都 610059)

滾石災(zāi)害非常嚴(yán)重，在國(guó)內(nèi)外均有所報(bào)道。在意大利，滾石已經(jīng)成為主要災(zāi)害之一。1939年5月10日在高速公路上的一次滾石造成了6人死亡。1982年12月13日的扎馬爾地震造成了也門(mén)西南部塔伊茲城市周邊70多處滾石的發(fā)生。1961～1981年位于寶～成鐵路段大灘至軍師廟1.6km 范圍內(nèi)發(fā)生了46 次滾石災(zāi)害，炸壞了鐵軌和車(chē)輛，造成了多次停車(chē)事故。2008年5月12日的汶川地震造成的滾石災(zāi)害更是相當(dāng)嚴(yán)重，其中在映秀鎮(zhèn)，一重約300t 的滾石，從都汶公路內(nèi)側(cè)坡體陡壁頂部，直接臨空拋射到公路外側(cè)，其水平拋射距離61.9m，豎直下落高度64.4m[14]。本文所要研究的康定縣爐城鎮(zhèn)郭達(dá)山危巖曾發(fā)生過(guò)多次垮塌，2005年12月發(fā)生崩塌，但由于規(guī)模較小，崩落距離不大，未造成危害；2007年4月28日，危巖再次發(fā)生崩塌，菜市場(chǎng)后部魚(yú)市多處雨蓬頂受損，墻體洞穿，并造成3人受傷，目前危巖體仍威脅著山下公安局交警支隊(duì)、稽查征費(fèi)處、州種子管理站、康定縣國(guó)土局宿舍樓和東關(guān)菜市場(chǎng)等10 家單位以及約8000人生命安全。因此研究滾石的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、影響因素、力學(xué)特征以及防止治理是非常必要的。

1 滾石的形成因素

滾石的形成因素可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)應(yīng)包括地質(zhì)運(yùn)動(dòng)作用及產(chǎn)生的各種構(gòu)造和巖土體的物理力學(xué)特征；外因包括河流侵蝕、風(fēng)化作用、地震、植物根劈和生物擾動(dòng)以及人文活動(dòng)等。

地殼的造山運(yùn)動(dòng)和造陸運(yùn)動(dòng)使得各地質(zhì)體受到了強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力的作用，形成了各種地質(zhì)構(gòu)造特征。例如褶皺核部、斷層通過(guò)地段和節(jié)理發(fā)育處巖體破碎，已形成規(guī)模不等的滾石。

巖性對(duì)邊坡滾石的影響是明顯的。通常情況下軟弱巖石易受風(fēng)化，邊坡較緩，且形成的滾石的顆粒易碎，因此形成的幾率相對(duì)較低，即便是形成滾石，也會(huì)在碰撞中形成碎屑流。而塊狀和后層狀的堅(jiān)硬巖由于抗風(fēng)化能力較高，往往形成陡峭的懸崖峭壁，巖體在多組節(jié)理的切割下可形成大小不等滾石。

暴雨、地震、生物活動(dòng)以及人類(lèi)活動(dòng)等是激發(fā)滾石的主要因素。暴雨降水一方面降低了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)長(zhǎng)度，另一方面在裂隙中產(chǎn)生的超孔隙水壓力促使了結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展。地震形成的地震波是巖土體的結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)急劇下降，造成巖體破碎失穩(wěn)。植物的根劈、動(dòng)物的挖洞活動(dòng)可使巖土體穩(wěn)定性下降，造成向臨空面變形。水利開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)勘探開(kāi)采和鐵路公路的修建等一系列人類(lèi)活動(dòng)都需要對(duì)自然邊坡巖土體進(jìn)行改造，使得滾石的發(fā)生愈加頻繁。

2 滾石運(yùn)動(dòng)的形式及影響因素

一些學(xué)者將滾石的運(yùn)動(dòng)形式分為滾動(dòng)、自由飛落（自由落體）、碰撞彈跳（彈跳）和滾動(dòng)四類(lèi)[7]。在無(wú)特殊的前提條件下，如爆破等，滾石的初始運(yùn)動(dòng)特征一般為滑動(dòng)，受到較大摩擦力的作用，速度較緩慢且能量損失大。之后受主要從邊坡條件(邊坡幾何形狀、坡面粗糙程度、邊坡的物理力學(xué)性質(zhì))、滾石特性(幾何性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì))和邊坡與滾石的相互作用等影響，將會(huì)形成自由飛落（自由落體）、碰撞彈跳（彈跳）和滾動(dòng)的其他三種運(yùn)動(dòng)形式，且各種運(yùn)動(dòng)形式又會(huì)相互轉(zhuǎn)換。由于控制滾石運(yùn)動(dòng)的因素具有不確定性以及滾石運(yùn)動(dòng)形式相互變換的復(fù)雜性，使得對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡的估算變的十分復(fù)雜。通過(guò)對(duì)各控制因素的合理簡(jiǎn)化，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)形式提出了相應(yīng)的計(jì)算公式，并應(yīng)用于實(shí)際的工程[9][10]。

3 滾石的數(shù)值模擬

實(shí)際中邊坡的幾何形態(tài)、坡體的力學(xué)特征、滾石的大小等的細(xì)微改變，將會(huì)對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)特征具有明顯的影響，因此對(duì)滾石軌跡的精確計(jì)算變得愈發(fā)困難。在分析滾石的過(guò)程中采用的多為經(jīng)驗(yàn)公式，必然會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在很多情況下受人力、物力以及現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，不可能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拋石試驗(yàn)。因此，數(shù)值模擬成為了對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)研究的一個(gè)有力的工具。目前，國(guó)外進(jìn)行滾石軌跡模擬的軟件有十余種，而Rockfall 是其中一個(gè)應(yīng)用廣泛的商業(yè)軟件，通過(guò)輸入控制性參數(shù)，該軟件就可以對(duì)特定區(qū)域的滾石數(shù)量、速度、高度以及沖擊力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者利用該軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬，并取得了較好的成果[11][12]。

4 滾石防治治理

為了減少滾石產(chǎn)生的危害，在分析了滾石的運(yùn)動(dòng)特性以及沖擊作用的研究基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行合理的防護(hù)治理。按照防護(hù)措施的作用原理可分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)是在對(duì)危巖體進(jìn)行較為精細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行支撐、錨固、封填、灌漿、排水、清除和護(hù)坡等手段增強(qiáng)巖體的穩(wěn)定性。而被動(dòng)防護(hù)并不改變危巖體的穩(wěn)定性，而是對(duì)巖體失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征加以約束，如修建落石槽、擋石墻、擋石柵欄和棚洞等。目前，具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的柔性防護(hù)技術(shù)被提出。所謂的柔性防護(hù)就是采用高強(qiáng)度的柔性網(wǎng)為主要部分，以主動(dòng)覆蓋和被動(dòng)攔截來(lái)防治崩塌落石的防護(hù)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)在淺表層地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[13][14][15][16][17]。

5 工程實(shí)例

圖1 郭達(dá)山地形地貌

5.1 康定縣郭達(dá)山危巖體總體特征

康定縣郭達(dá)山危巖體位于康定縣爐城鎮(zhèn)境內(nèi)，位于瓦斯河左岸，地理坐標(biāo)101°58′06.87″；30°03′28.00″。東起康定縣國(guó)土資源局宿舍樓上部山脊，西至雅拉河與瓦斯河交匯處，長(zhǎng)400m。危巖體位于郭達(dá)山中部，高程范圍約2 764～2 884m，河底高程2 448m，相對(duì)高差約400m(圖1)。危巖體所處斜坡為緩～陡～緩，坡度在47°～62°之間。危巖區(qū)巖性主要由震旦系上統(tǒng)燈影組大理巖組成，巖層平均產(chǎn)狀為260°∠60°。巖層內(nèi)裂隙發(fā)育，主要由一組共軛的組成，其中一組產(chǎn)狀為165°∠65°，跡長(zhǎng)0.1～3m，間距0.3～1.5m，局部張開(kāi)，最大拉張8cm，該組裂隙較發(fā)育，與坡向近于平行；另一組產(chǎn)狀為271°∠75°，跡長(zhǎng)1.0～3.1m，間距0.5～1.5m，局部張開(kāi)約2～8cm，面起伏粗糙，有鈣華及泥質(zhì)填充。受這兩組節(jié)理的切割，在郭達(dá)山上形成了多個(gè)直徑在數(shù)米以上的危巖體。在暴雨的條件下，雨水滲入各危巖體內(nèi)，一方面增加了滾石的重量，另一方面降低了滾石底部的摩擦強(qiáng)度，極易形成災(zāi)害。危巖體下部為堆積區(qū)，主要由危巖體的崩坡積物組成，堆積區(qū)寬約300m，厚度約5～10m，坡度為30°～35°。物質(zhì)成分主要為黃褐色土夾巖塊、巖屑，巖塊粒徑在15～30cm，棱角狀（圖2）。

圖2 郭達(dá)山危巖體特征

5.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

滾石啟動(dòng)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸到的地質(zhì)體為大理巖以及堆積區(qū)的崩坡積物，而這些物質(zhì)的物理力學(xué)特征對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)方式起到了重要的作用，因此在野外對(duì)巖土體進(jìn)行樣本采集，然后在室內(nèi)進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)量。對(duì)大理巖采集了6個(gè)樣本，通過(guò)測(cè)試獲得了其含水率、天然密度、天然抗壓強(qiáng)度、飽和抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及軟化系數(shù)等7個(gè)參數(shù)指標(biāo)（表1）。在堆積區(qū)內(nèi)深度1～2m范圍內(nèi)采集了4組樣本，獲得了容重、抗剪強(qiáng)度和承載力等指標(biāo)（表2）。

5.3 危巖體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

在滾石掉落較為集中的地段做一剖面（圖3），對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，為治理防護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)資料。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，堆積區(qū)內(nèi)崩塌粒徑多為5～20cm，個(gè)別粒徑在1m 以上。另因?yàn)榭刀h城處于鮮水河、龍門(mén)山及安寧河地震帶交匯部位，地震活動(dòng)頻繁，因此堆積區(qū)的塊石可代表在地震和暴雨的作用下滾石的粒徑。

對(duì)于滾石的運(yùn)動(dòng)路徑和沖擊力將采用Rockfall 軟件進(jìn)行數(shù)字模擬，進(jìn)而對(duì)滾石下落范圍及可能造成的破壞程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該軟件考慮到了巖塊的大小和密度、坡面幾何形態(tài)、坡面滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)等，還要考慮法向阻尼系數(shù)（Rn）和切向阻尼系數(shù)（Rt）。滾石運(yùn)移過(guò)程中在2 780m 高程以上為裸露的基巖，2 780m 至河谷為崩坡積無(wú)組成的土質(zhì)邊坡，為此對(duì)于巖質(zhì)邊坡地段，Rn=0.35，Rt=0.85；而土質(zhì)邊坡Rn=0.28，Rt=0.78[12]。本次數(shù)值模擬落石的原始數(shù)量設(shè)為50個(gè)，滾石的重量按野外調(diào)查的20cm 塊石計(jì)算為11.3kg。其他參數(shù)按所得參數(shù)表中的數(shù)據(jù)選取（表1、表2）。

圖3 郭達(dá)山危巖體剖面圖

圖4 滾石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬結(jié)果

表1 大理巖物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

圖4為數(shù)值模擬的滾石運(yùn)動(dòng)過(guò)程成果，可以看出滾石開(kāi)始在坡面滾動(dòng)，至坡度便陡出發(fā)生了跳躍和碰撞。滾石最后落在255～258m、268～275m和280～290m 三個(gè)水平位置，其中大部分的滾石分布在268～275m 區(qū)間內(nèi)，有少數(shù)的滾石會(huì)撞擊到建筑物上（圖5）。在建筑物附近滾石沖擊的最大能量為400J，彈跳高度在1m 范圍內(nèi)。在建筑物前面修建高2m 的柔性防護(hù)網(wǎng)便可抵抗?jié)L石災(zāi)害。

5.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治措施

為了保證郭達(dá)山下10 各單位近8000人的安全，縣政府已經(jīng)對(duì)郭達(dá)山上的危巖體進(jìn)行了工程治理，采用主、被動(dòng)相結(jié)合的防護(hù)措施，對(duì)具有嚴(yán)重威脅的地段采取對(duì)坡體表面進(jìn)行適當(dāng)整平，清除坡體表面松散的巖體后掛主動(dòng)防御網(wǎng)進(jìn)行治理，對(duì)巖腔部位采取支撐和灌漿固結(jié)，同時(shí)在堆積區(qū)中部修建了一級(jí)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。由于危巖體分布范圍廣，現(xiàn)有的資金投入很難對(duì)其進(jìn)行全面的治理。較為有效的措施是群專(zhuān)結(jié)合，對(duì)郭達(dá)山危巖體進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)。為此中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心在郭達(dá)山頂部架設(shè)了自動(dòng)雨量?jī)x，并對(duì)坡面上規(guī)模較大的巖體安裝了位移報(bào)警器，為山下居民提供了較好的安全保障。

表2 塊石土土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖5 滾石最終水平位置統(tǒng)計(jì)

圖6 建筑物前部滾石的沖擊能量統(tǒng)計(jì)

圖7 建筑物前部滾石的彈跳高度統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

由于滾石的發(fā)生具有突發(fā)性，沖擊力大等特點(diǎn)，特別是高陡邊坡的滾石更是有著驚人的破壞力，因此對(duì)其的研究具有重要的意義。本文討論了滾石的形成因素、運(yùn)動(dòng)形式和影響因素，認(rèn)為數(shù)值模擬是評(píng)價(jià)滾石災(zāi)害的有力工具，對(duì)滾石災(zāi)害的治理可采用柔性防護(hù)技術(shù)。并且以康定縣郭達(dá)山危巖體為例進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)深入研究滾石的成因、巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，分析了滾石下落的范圍、沖擊能量和彈跳高度等，結(jié)果顯示滾石下落后有部分塊石會(huì)擊中建筑物，最大沖擊力為400J。通過(guò)對(duì)斜坡上的危巖體進(jìn)行治理和建立監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以保障當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.地質(zhì)災(zāi)害分類(lèi)分級(jí)(DZ0238～2004)[S].2004∶173.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50145～2007)[S].

[3]水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程(DLT5337～2006)[S].2006∶23.

[4]FAUSTO GUZZETTI，PAOLA REICHENBACH.Rockfall Hazard and Risk Assessment Along aTransportation Corridor in the Nera Valley,Central Italy.Environmental Management,v 34,n 2,p 191～208

[5]Aref M.0.Al～Jabali,WANG Xi～kui.Preliminary study on rockfall for Al Gayah site in Yemen.J.Geosi.Res.NE Asia,2004,7(2)∶165～172

[6]許強(qiáng)，黃潤(rùn)秋.5.12 汶川大地震誘發(fā)大型崩滑災(zāi)害動(dòng)力特征初探[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(6)∶721～729.

[7]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，(2)∶79～84.

[8]傅少君，陳乾銳，等.邊坡滾石運(yùn)動(dòng)影響因素淺析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，(6)：795～798.

[9]趙旭，劉漢東.水電站高邊坡滾石防護(hù)計(jì)算研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，(20)：3742～3748.

[10]韓俊艷，陳紅旗，杜修力.典型斜坡滾石運(yùn)動(dòng)的理論計(jì)算研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，(4)：92～96.

[11]向波.淺析山區(qū)高速公路通過(guò)崩塌、落石區(qū)的選線(xiàn)及防護(hù)處治[J].西南公路，2004，(2)∶60～63.

[12]韋啟珍，雷秀麗.崩塌落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月)，2008，(3)∶165～166.

[13]陳剛，銀霞.柔性防護(hù)系統(tǒng)在巖質(zhì)邊坡巖崩防治中的應(yīng)用研究[J].城市勘測(cè)，2010，(4).

[14]葉四橋，唐紅梅，祝輝.基于落石運(yùn)動(dòng)特性分析的攔石網(wǎng)設(shè)計(jì)理念[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，(4).

[15]姚建偉，王瑞琦.SNS 柔性防護(hù)系統(tǒng)在危巖落石防護(hù)中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2006，(S1).

[16]劉廣，吉彬彬，楊興利.柔性防護(hù)技術(shù)在崩塌落石災(zāi)害防治設(shè)計(jì)中的選用[J].蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2006，(2).

[17]賀詠梅，彭偉.陽(yáng)友奎.邊坡柔性防護(hù)系統(tǒng)的典型工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，(2).