王凱強(qiáng)，胡卸文, 2

( 1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

1 引言

隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，國(guó)內(nèi)大量基礎(chǔ)建設(shè)在各種地質(zhì)環(huán)境條件下展開(kāi)，不可避免地受到各種不良地質(zhì)的影響，尤其是復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)交通運(yùn)輸工程沿線高陡邊坡的危巖崩塌影響顯得尤為突出。崩落過(guò)程中落石沿著坡面彈跳、滾動(dòng)、滑動(dòng)，相互碰撞，最后堆積于坡腳[1, 2]，落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)沿斜坡或坡腳展布的公路、鐵路建設(shè)及安全運(yùn)營(yíng)會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

擬建的浙江省杭(州)紹(興)臺(tái)(州)高速公路臺(tái)州段將穿越臨海市的大岙溪段危巖，因山高坡陡，該段線路擬以橋梁方式通過(guò)，顯然大岙溪段危巖的存在對(duì)高速公路構(gòu)成潛在威脅。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在查明危巖體發(fā)育特征基礎(chǔ)上，對(duì)可能崩塌落石后的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并結(jié)合工程實(shí)際，提出了治理措施建議。

2 地質(zhì)環(huán)境條件概述

大岙溪危巖位于浙江省臨海市白水洋鎮(zhèn)，該危巖主要分布于巖西坑至梨樹(shù)下南側(cè)，植被茂密，主要為竹林、高大松柏樹(shù)。斜坡坡度總體23°～58°不等，而近分水嶺附近的陡峭山體一般為70°，局部近直立，下部多形成凹腔，而這些部位正是危巖發(fā)育部位。擬建杭紹臺(tái)高速公路從大雷山隧道出口后，沿大岙溪南側(cè)(右岸)丘陵斜坡下部布置大岙溪特大橋。

危巖及擬建大橋所在部位地層巖性主要為：大岙溪河床及兩側(cè)狹長(zhǎng)地帶的第四系沖洪積層(Q4al+pl)卵石、漂石；斜坡山麓地帶的第四系崩坡積層(Q4col+dl)含黏性土碎石、塊石及巨型塊石；斜坡上部侏羅系上統(tǒng)茶灣組(J3c)巨厚層砂礫巖、薄層泥頁(yè)巖和斜坡中下部侏羅系上統(tǒng)茶灣組(J3c)凝灰?guī)r。其中危巖體巖性為砂礫巖。

根據(jù)賦存條件，研究區(qū)所在部位地下水分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩大類。松散巖類孔隙水可分為全新統(tǒng)沖洪積卵石、漂石孔隙潛水和第四系崩塌坡積層孔隙潛水，而基巖裂隙水賦存于基巖網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙之中。

影響本區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造主要為北東向鶴溪-奉化大斷裂和北西向孝豐-三門灣大斷裂。根據(jù)已有資料[3]，確定本區(qū)域地震烈度為Ⅵ度。

3 危巖發(fā)育特征與形成機(jī)制

危巖區(qū)分布于高程360～450 m、地形坡度大于70°的陡坡地段，呈近東西向延伸，沿侏羅系上統(tǒng)茶灣組巨厚層砂礫巖形成的陡崖帶分布，距坡腳溝床相對(duì)高差約250 m，其平面形態(tài)呈長(zhǎng)條帶狀。根據(jù)分布高程可將整個(gè)危巖區(qū)劃分為上、下兩個(gè)危巖帶，全景如圖1所示，平面分布如圖2所示，典型剖面如圖3所示。

圖1 大岙溪危巖全景圖

圖2 大岙溪危巖平面圖

圖3 大岙溪危巖剖面圖

3.1 上危巖帶

上危巖帶呈長(zhǎng)條狀沿近東西方向展布，分布高程410～450 m，長(zhǎng)約200 m，高差約20 m，地形坡度60°～80°。該危巖帶內(nèi)共發(fā)育4處危巖體，典型危巖體如圖4所示。

巖體穩(wěn)定性定性分析中常采用赤平投影方法[4-6]，該部位危巖體巖層面閉合、傾角較緩且反傾坡內(nèi)，膠結(jié)良好，對(duì)坡體整體穩(wěn)定極為有利；巖體中存在3組構(gòu)造節(jié)理(J1：346°～355°∠70°～75°；J2：258°～267°∠80°～90°；J3：81°～87°∠70°～80°)，其中J1發(fā)育極少，J2、J3與坡面近垂直相交，表現(xiàn)為發(fā)育程度弱、可見(jiàn)延伸長(zhǎng)度短、間距大，因此這兩組陡傾節(jié)理僅對(duì)巖體完整性產(chǎn)生一定影響，不影響危巖體的整體穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)勘查未發(fā)現(xiàn)危巖體后緣存在長(zhǎng)大、深拉的卸荷裂隙。由于下部泥頁(yè)巖強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕形成凹腔，使得危巖懸空。因此對(duì)上危巖帶內(nèi)各危巖體穩(wěn)定性起控制作用的只有下部大小不等的凹腔。但相對(duì)于巨厚層砂礫巖，凹腔深度和延伸長(zhǎng)度還不足以影響其穩(wěn)定，在天然狀態(tài)和降雨作用下，危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；只有在較高地震烈度作用下，沿凹巖腔內(nèi)側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)裂隙發(fā)展、貫通的趨勢(shì)，存在發(fā)生傾倒式破壞的可能。

圖4 上危巖帶典型危巖體

3.2 下危巖帶

下危巖帶在空間上位于上部危巖帶下部，分布高程360～390 m，長(zhǎng)約700 m，高差10～20 m，地形坡度60°～80°。根據(jù)危巖體發(fā)育密度及構(gòu)造裂隙發(fā)育程度，可將下危巖帶自西向東劃分為危巖發(fā)育段、危巖弱發(fā)育段及危巖較發(fā)育段(見(jiàn)圖2)。該危巖帶內(nèi)共發(fā)育15處危巖體，典型危巖體如圖5所示。

圖5 下危巖帶典型危巖體

巖層層面與上危巖帶相近，反傾坡內(nèi)，對(duì)坡體整體穩(wěn)定有利。而3組構(gòu)造節(jié)理較上危巖帶發(fā)育，危巖常被切割呈長(zhǎng)柱狀或塊狀。滑移式破壞的危巖體在其后緣均存在發(fā)育較深的卸荷拉裂縫，一旦遇暴雨或地震，在危巖體自重力等作用下很容易發(fā)生滑動(dòng)；墜落式破壞的危巖體在下部均存在凹腔，受重力作用等外界因素影響，后緣裂隙巖橋段提供的抗力不足以抵抗巖體自身重力時(shí)，危巖體則以墜落方式失穩(wěn)；傾倒式破壞的危巖體受裂隙組合切割成柱狀或塊狀，當(dāng)后緣拉裂縫自上而下貫入時(shí)，一遇暴雨雨水入滲拉裂縫內(nèi)形成靜水或動(dòng)水壓力，就容易沿危巖體下部凹腔轉(zhuǎn)折點(diǎn)部位發(fā)生傾倒破壞。

3.3 形成機(jī)制

研究表明，大岙溪危巖形成機(jī)制為：斜坡上砂礫巖和泥頁(yè)巖交界位置由于巖體的差異性風(fēng)化，下伏泥頁(yè)巖風(fēng)化強(qiáng)烈形成凹腔，上覆砂礫巖風(fēng)化緩慢形成高陡臨空面，砂礫巖中發(fā)育的節(jié)理裂隙將巨厚層巖體切割成大小不一塊體，受降雨等外界因素的影響，節(jié)理裂隙不斷延伸最終貫穿，致使危巖體與母巖分離發(fā)生崩塌落石。

4 崩塌落石運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)不同部位危巖崩塌落石的地表坡面形態(tài)、坡表植被影響等的物理力學(xué)特性，通過(guò)RocFall軟件模擬不同部位危巖可能崩塌落石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)分析其運(yùn)動(dòng)特征。

4.1 參數(shù)取值

假定崩落塊體體積為4 m3，為比較不同斜坡坡面材質(zhì)特性對(duì)崩塌落石運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，在本次模擬過(guò)程中，分別考慮了以下3種條件：

(1) 坡面為基巖出露，巖石較堅(jiān)硬，推測(cè)早期危巖崩落時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。

(2) 早期崩塌體覆蓋于部分緩坡地帶，有少量植被發(fā)育，分析落石崩落過(guò)程受坡面演化的變化情況。

(3) 坡面灌木林覆蓋植被好、含少量滾石的土質(zhì)邊坡，預(yù)測(cè)落石運(yùn)動(dòng)后對(duì)擬建杭紹臺(tái)高速公路的影響。

參考已有研究成果[7-11]，模擬采用參數(shù)見(jiàn)表1。

表1崩塌落石坡表恢復(fù)系數(shù)取值

4.2 結(jié)果分析

圖6為3種條件下落石崩落過(guò)程的運(yùn)動(dòng)能量變化情況。分析可知：崩落過(guò)程初期重力勢(shì)能大多轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，落石的運(yùn)動(dòng)能量不斷增加，但隨著高度下降、坡度減緩等綜合因素的影響，落石在與坡面發(fā)生碰撞和摩擦的過(guò)程中，動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)換為內(nèi)能及其他能量，落石的運(yùn)動(dòng)能量不斷減少，直至運(yùn)動(dòng)停止，落石的能量減為0。3種條件下的落石最大運(yùn)動(dòng)能量依次為：11 169.9 KJ、9 134.1 KJ、6 999.7 KJ，能量最大位置距危巖崩落點(diǎn)水平距離依次為：234.8 m、224.6 m、214.3 m，在坡面的同一位置，運(yùn)動(dòng)能量依次減小，主要原因是恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)的不同，造成勢(shì)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)能量的效率不同，恢復(fù)系數(shù)越大、摩擦系數(shù)越小，則轉(zhuǎn)化效率越高，運(yùn)動(dòng)能量增加越快、減小越慢。

圖6 落石崩落運(yùn)動(dòng)能量變化圖

圖7為3種條件下落石崩落過(guò)程的彈跳高度變化情況。分析可知：危巖與母巖分離后，沿坡面發(fā)生滾動(dòng)、滑動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中落石主要在兩段發(fā)生明顯彈跳，距離危巖崩落點(diǎn)的水平距離依次為：210.0～265.4 m、301.4～336.8 m，對(duì)應(yīng)位置的微地貌均表現(xiàn)為上一段斜坡坡度小于下一段斜坡坡度(均相差9°)，局部地形凸出，落石沿上一段坡面運(yùn)動(dòng)到該位置附近時(shí)發(fā)生斜拋運(yùn)動(dòng)，飛離地面，隨后與地面發(fā)生多次碰撞。雖然在坡腳處相鄰兩段斜坡坡度也有較大變化，但由于落石速度較小，彈跳不明顯。在坡面的同一位置，3種條件下的落石彈跳高度依次減小，主要是由于同一位置落石的速度不同，速度越大，則落石拋出越遠(yuǎn)，騰空越高。3種條件下的最大彈跳高度位置為同一位置，距危巖崩落點(diǎn)水平距離為224.6 m，最大彈跳高度依次為：2.05 m、1.93 m、1.60 m。

圖7 落石崩落彈跳高度變化圖

圖8為3種條件下落石崩落后最終停積位置的分布情況。分析可知：3種條件下的落石運(yùn)動(dòng)水平距離依次減小，主要原因是恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)的不同，造成勢(shì)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)能量的效率不同，當(dāng)恢復(fù)系數(shù)越大、摩擦系數(shù)越小，則轉(zhuǎn)化效率越高，落石的運(yùn)動(dòng)能量在崩落初期增加得越快，在后期減少得越慢，因此落石運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)，與圖6分析結(jié)果相符。擬建高速公路距危巖點(diǎn)水平距離為418.5 m的斜坡位置，隨機(jī)產(chǎn)生的500塊落石在3種情況下均越過(guò)此位置。

圖8 落石停積位置分布圖

圖9為3種條件下落石崩落運(yùn)動(dòng)到擬建高速公路位置的運(yùn)動(dòng)能量分布情況。運(yùn)動(dòng)能量依次為：1 396.2 KJ～4 747.2 KJ、1 141.8 KJ～2 511.9 KJ和175.0KJ～875.0KJ，總體表現(xiàn)為依次減小，與圖6分析結(jié)果相符。

圖9 擬建高速公路位置運(yùn)動(dòng)能量分布圖

圖10為3種條件下落石崩落到在擬建高速公路位置的彈跳高度分布情況，最大的彈跳高度不足0.08 m，即該位置落石運(yùn)動(dòng)形式以滾動(dòng)、滑動(dòng)為主，但3種條件下的落石彈跳高度依次減小，與圖6分析結(jié)果相符。

圖10 擬建高速公路位置彈跳高度分布圖

上述結(jié)果表明，大岙溪危巖會(huì)對(duì)擬建高速公路部位構(gòu)成威脅，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)危巖及其可能崩塌落石的工程治理，以確保高速公路運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

(1) 大岙溪危巖沿近東西方向展布，基巖為巨厚層砂礫巖，可分為上下兩條近平行的危巖帶，上危巖帶結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，以巨型塊體為主，穩(wěn)定性好，下危巖帶主要受三組結(jié)構(gòu)面控制：反傾坡內(nèi)的層面、平行坡面的卸荷裂隙和垂直坡面的陡傾構(gòu)造節(jié)理，穩(wěn)定性一般，破壞方式以傾倒式、墜落式為主，少量為滑移式。

(2) 大岙溪危巖為差異性風(fēng)化造成下伏泥頁(yè)巖形成凹腔、上覆砂礫巖形成高陡臨空面，砂礫巖中發(fā)育的節(jié)理裂隙將巨厚層巖體切割成大小不一塊體，當(dāng)節(jié)理裂隙不斷延伸最終貫穿后，危巖體與母巖分離發(fā)生崩塌落石。

(3) 崩落過(guò)程中落石的運(yùn)動(dòng)能量總體表現(xiàn)為先增加后減小，考慮3種不同坡面介質(zhì)條件下的落石最大運(yùn)動(dòng)能量、能量最大位置距危巖水平距離和最終運(yùn)動(dòng)水平距離依次減小，在坡面的同一位置的運(yùn)動(dòng)能量也依次減小，主要原因是勢(shì)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)能量的效率不同，當(dāng)恢復(fù)系數(shù)越大、摩擦系數(shù)越小，則轉(zhuǎn)化效率越高，運(yùn)動(dòng)能量增加越快，減小越慢；崩落過(guò)程中落石運(yùn)動(dòng)以滾動(dòng)、滑動(dòng)為主，發(fā)生明顯彈跳為局部凸出地形部位，3種不同坡面介質(zhì)條件下在坡面的同一位置的落石彈跳高度依次減小，主要是由于同一位置落石的速度不同，速度越大，則落石拋出越遠(yuǎn)，騰空越高。但3種條件下的最大彈跳高度位置為同一位置，即坡形為控制落石彈跳高度的關(guān)鍵性因素。

(4) 3種不同坡面介質(zhì)條件下的落石均能運(yùn)動(dòng)到擬建高速公路位置，運(yùn)動(dòng)形式以滾動(dòng)、滑動(dòng)為主，能量較大，均會(huì)對(duì)其構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

5.2 建議

(1) 對(duì)大型凹腔危巖體進(jìn)行支撐加固。

(2) 考慮到彈跳高度普遍小于橋臺(tái)路面高程，因此僅需針對(duì)高速公路橋墩進(jìn)行局部防護(hù)，可采用擬建橋墩以上合適位置設(shè)計(jì)普通攔石墻或樁板攔石墻。

(3) 加強(qiáng)危巖體治理前、中、后的變形監(jiān)測(cè)巡視與監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。