羅 琳 劉 雄 蔣堯興 張 飛 朱人思 鄒春雷 王 炯
(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.浙江有色地質(zhì)環(huán)境研究院,浙江 紹興 312000;3.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 紹興 312000;4.紹興市自然資源和規(guī)劃局柯橋分局,浙江 紹興 312000)
隨著近期《關(guān)于開(kāi)展長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶廢棄露天礦山生態(tài)修復(fù)工作的通知》等文件的發(fā)布,廢棄露天礦山生態(tài)修復(fù)工作再次提升到了國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的高度.在廢棄露天礦生態(tài)修復(fù)治理過(guò)程中,危巖落石作為一種常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象,雖然規(guī)模相對(duì)較小,但由于其突發(fā)性強(qiáng)、隨機(jī)性高、頻率大、影響因素多等特點(diǎn)[1-3],常在治理施工中和施工后發(fā)生較大危害,嚴(yán)重時(shí)危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全.因此,進(jìn)行典型危巖穩(wěn)定性分析和危害性評(píng)價(jià),對(duì)確定具體防治措施和后續(xù)防治工程施工具有重要意義.
目前,針對(duì)危巖落石的研究已經(jīng)取得了不少成果.例如,蔡向陽(yáng)等[2]采用半定量打分的方法對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià),并依據(jù)理論計(jì)算和軟件模擬對(duì)落石運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析研究.陳洪凱等[3-4]針對(duì)滑塌式危巖、傾倒式危巖和墜落式危巖三種類型,采用極限平衡理論及巖體結(jié)構(gòu)理論,建立了各類危巖在不同荷載組合下的穩(wěn)定性計(jì)算方法.畢冉等[5]基于能量跟蹤法采用自編離散元程序?qū)吰侣涫闆r進(jìn)行了模擬,并根據(jù)模擬結(jié)果提出了具體的防護(hù)措施.吳少元[6]基于RocFall軟件對(duì)落石運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行反演模擬和分析,在對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)能量、彈跳高度等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上針對(duì)性地提出了綜合防治方案.
本文在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合某廢棄露天礦工程實(shí)例,基于基本特征和形成機(jī)理分析,對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行初步研判,并在危害性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)性的防治建議.
該典型危巖位于某露天礦南部邊坡中上部,地理位置:東經(jīng)120°33′34″,北緯29°47′26″.邊坡系人工采石開(kāi)挖形成的高陡裸露巖質(zhì)邊坡,總寬約67 m,中間為一斜長(zhǎng)石壁隔開(kāi).危巖落石區(qū)域最大坡高57.5 m,坡面基巖裸露,呈上陡-中緩-下陡折線形,平均坡度60 °~70 °,下部為一寬約38 m的平臺(tái),平臺(tái)面基巖裸露,上部有一寬約4 m的緩臺(tái),緩臺(tái)以上自然山體為植被覆蓋.該危巖前期已發(fā)生多次崩落,最主要的兩次崩落方量共約150 m3,現(xiàn)狀邊坡全貌和坡體殘留危巖見(jiàn)圖1和圖2.
圖1 邊坡全貌圖
圖2 殘留危巖側(cè)視圖
該危巖邊坡出露基巖巖性為白堊系下統(tǒng)磨石山群茶灣組(K1c)含角礫凝灰?guī)r,邊坡上主要發(fā)育有一組節(jié)理J1:200°∠68°,延伸長(zhǎng)度大于5 m,節(jié)理面基本閉合;發(fā)育一組層理J2:40°∠10°,延伸長(zhǎng)度大于5 m,層理面較粗糙,局部微填充.J1與J2裂隙面基本平直,兩者成大角度相交,貫通切割巖體嚴(yán)重,形成懸掛式危巖.節(jié)理與坡面組合赤平投影圖見(jiàn)圖3.
危巖發(fā)育有其特殊的環(huán)境巖土工程條件,是地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地震及地下水等多因素異變耦合的結(jié)果[4],總體上來(lái)說(shuō)可分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面[7].內(nèi)因主要是指巖體巖性及巖體中賦存的各種節(jié)理裂隙,外因主要是指開(kāi)采活動(dòng)等人為擾動(dòng)、雨水入滲、風(fēng)化作用等.在內(nèi)因方面,根據(jù)圖2可知,該危巖的形成主要受節(jié)理J1的影響,該節(jié)理傾向基本與邊坡傾向一致,其組合交線傾角略小于邊坡角,為典型外傾結(jié)構(gòu)面,對(duì)崩塌體形成有利,而節(jié)理J2主要是分布于潛在危巖上部,且略微反傾,對(duì)其上部巖體穩(wěn)定有利,主要起到分割上下巖體的作用.在外因方面,一方面是礦山開(kāi)采活動(dòng)改變?cè)嫉匦蔚孛?,形成高陡臨空面,卸荷作用使得卸荷裂隙追蹤結(jié)構(gòu)面發(fā)育,切割巖體;另一方面是降雨沿節(jié)理或卸荷裂隙入滲,起到潤(rùn)滑和產(chǎn)生裂隙動(dòng)水壓力的作用,加速裂隙發(fā)育.同時(shí),開(kāi)采活動(dòng)動(dòng)力擾動(dòng)、巖體自重和風(fēng)化作用也對(duì)裂隙形成具有一定促進(jìn)作用.
圖3 節(jié)理與坡面組合赤平投影圖
采用美國(guó)Pierson提出的一套針對(duì)公路崩塌落石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則,對(duì)危巖落石各因素進(jìn)行賦值計(jì)算評(píng)價(jià),具體評(píng)分表及分值見(jiàn)表1.
綜上所述,該典型危巖是在被節(jié)理裂隙切割的前提條件下,受開(kāi)采卸荷、巖體自重、降雨入滲等內(nèi)外因素綜合作用加速裂隙發(fā)育,導(dǎo)致一側(cè)懸空,最終形成拉裂—墜落式危巖.
表1 危巖落石可能性量化評(píng)分表[2,8-9]
危巖落石可能性因子可按下式計(jì)算:
(1)
根據(jù)文獻(xiàn)[8]可能性因子(IP)-經(jīng)驗(yàn)概率(P)轉(zhuǎn)化表(見(jiàn)表2),該危巖崩落概率為P=0.917,屬于欠穩(wěn)定狀態(tài).
表2 可能性因子(IP)-經(jīng)驗(yàn)概率(P)轉(zhuǎn)化表[8]
關(guān)于危巖穩(wěn)定性量化計(jì)算,胡厚田[1]、陳紅凱[3-4]等均有不同論述.結(jié)合本工程實(shí)例,其一側(cè)以懸臂梁形式突出的巖體,在靠近固定端橫截面上承受最大的彎矩和剪力,其上側(cè)巖體處于彎拉組合應(yīng)力狀態(tài),下側(cè)巖體處于彎壓組合應(yīng)力狀態(tài),根據(jù)巖體抗拉性能遠(yuǎn)低于抗壓性能的特性,巖體最初可能在上部邊緣達(dá)到巖體抗拉極限應(yīng)力狀態(tài),容易產(chǎn)生初始拉裂縫.當(dāng)初始拉裂縫形成后,突出部分“懸臂梁”有效橫截面積減小,截面抗彎性能隨之降低,裂縫逐漸擴(kuò)展,最終形成貫通裂縫而發(fā)生拉裂式墜落.因此,此類巖體穩(wěn)定性量化計(jì)算的關(guān)鍵在于固定端橫截面上頂部的拉應(yīng)力能否超過(guò)巖體的抗拉強(qiáng)度.故可以通過(guò)簡(jiǎn)化力學(xué)模型用拉應(yīng)力與巖體允許抗拉強(qiáng)度的比值進(jìn)行穩(wěn)定性量化分析.
本文根據(jù)該危巖空間賦存特征,不計(jì)下部外傾結(jié)構(gòu)面摩擦力,構(gòu)建簡(jiǎn)化力學(xué)結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖4),采用彎曲桿件正應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算.
按照簡(jiǎn)化力學(xué)模型,根據(jù)材料力學(xué)知識(shí),假設(shè)危巖體首先在A點(diǎn)發(fā)生破壞,則該點(diǎn)的拉應(yīng)力可按照下式計(jì)算:
(2)
式中:MAmax——A點(diǎn)所在橫截面的彎矩,N·m;
Iz——A點(diǎn)所在橫截面慣性矩,m4;
ymax——破壞點(diǎn)距離中性軸的最大距離,m.
則危巖穩(wěn)定性系數(shù)可表示為:
(3)
式中,[σt]為巖體抗拉強(qiáng)度,根據(jù)巖體風(fēng)化程度及當(dāng)?shù)厍闆r取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為500 kN/m2.
采用艾沃斯激光測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡量取殘留危巖尺寸,并根據(jù)坡面殘痕估測(cè)掉落前整個(gè)危巖尺寸.為了驗(yàn)證崩落前整體危巖“懸臂”長(zhǎng)度l估測(cè)的準(zhǔn)確性,采用式(2)、式(3)進(jìn)行反算,反算得“懸臂”長(zhǎng)度l≥6.3 m時(shí)發(fā)生拉裂破壞.因此,在不考慮危巖體局部可能存在的初始裂縫的條件下,可初步認(rèn)為該危巖體前期發(fā)生過(guò)兩次崩落,與現(xiàn)狀平臺(tái)上大致形成兩處崩落堆渣基本一致.
對(duì)崩落前后危巖穩(wěn)定性分別進(jìn)行計(jì)算,采用計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.
表3 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)及結(jié)果
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,局部崩落前整體危巖不穩(wěn)定,容易發(fā)生崩落;崩落后殘留危巖由于“懸臂”較短,其整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài).但根據(jù)邊坡實(shí)際情況,其在長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕等外因作用下,仍有可能發(fā)生小規(guī)模落石.
危巖崩落后主要以落石的形式沿坡面向下滾動(dòng)、跳躍、滑動(dòng)[1,8,10],對(duì)坡下土地開(kāi)發(fā)利用存在安全威脅.根據(jù)邊坡實(shí)際情況建立如圖5所示的計(jì)算模型,將坡面概化成連續(xù)的折線形山坡,從落石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā),采用理論計(jì)算方法確定危巖崩落影響范圍.
圖5 折線形山坡崩落影響范圍計(jì)算模型
(1)縱向影響范圍
采用蘇聯(lián)尼米羅依尼什維里教授提出的落石運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法[1,11],其縱向影響范圍可按下式進(jìn)行計(jì)算:
(4)
V2(0)=(1-λ2)V1(t)cos(α1-α2)
(5)
(6)
式中:Hi——第i折線段墜落垂直高度,m;
εi——第i折線段速度計(jì)算系數(shù),分別取值3.3和2.7;
Vi(0)、Vi(t)——墜落至第i折線段的初始速度和末端速度,m/s;
g——重力加速度,取值9.8 m/s2;
石塊在第二折線段的運(yùn)動(dòng)形式可能為滑動(dòng)、滾動(dòng)和跳躍.一般來(lái)說(shuō),跳躍的速度較大,水平距離較大,且最后一次跳躍點(diǎn)距離坡肩越近,下一折線段跳落距離越遠(yuǎn).假定最后一次跳躍剛好從第二折線段末端彈跳,對(duì)于邊坡傾斜時(shí),其最大崩落距離計(jì)算公式如下:
(7)
式中:xmax——坡腳至落地點(diǎn)的最大水平距離,m;
根據(jù)上式計(jì)算可得,坡腳至落地點(diǎn)之間的最大水平距離為xmax=9.14 m,則危巖崩落縱向影響范圍為33.55 m.
(2)橫向影響范圍
崩落橫向影響范圍可按下式進(jìn)行計(jì)算[9,12]:
(8)
式中:η——偏移角,綜合可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平考慮取值為0.2;
S——斜坡等效長(zhǎng)度,為49.51 m.
根據(jù)上式計(jì)算可得,崩落橫向影響范圍為19.80 m.綜上,初步以縱向33.55 m和橫向19.80 m確定危巖崩落的影響范圍.但實(shí)際上,危巖接觸地面后并不會(huì)靜止,而是會(huì)繼續(xù)以彈跳和滾動(dòng)的形式向前運(yùn)動(dòng),直至能量消耗殆盡.因此,繼續(xù)用數(shù)值軟件對(duì)彈跳影響范圍進(jìn)行模擬計(jì)算,以提出合理的防治措施.
在前述理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,采用Rocfall軟件對(duì)危巖落石運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行數(shù)值模擬,一方面驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性,另一方面為提出合理的防治措施建議提供參考.危巖落石數(shù)值模擬參數(shù)見(jiàn)表4.
在對(duì)坡面進(jìn)行清理前,邊坡第二折線段和下部平臺(tái)為碎石所覆蓋,考慮后續(xù)礦地開(kāi)發(fā)利用需對(duì)坡面和下部平臺(tái)進(jìn)行清理,清理后整個(gè)邊坡基巖裸露,對(duì)前后分別進(jìn)行模擬,結(jié)果見(jiàn)圖6-圖9和表5(a為清理前、b為清理后).
從模擬結(jié)果可以看出:①對(duì)比清理前后落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù),清理后初次落地點(diǎn)位置、落地速度、停止運(yùn)動(dòng)位置、落地后首次彈跳最大高度、總動(dòng)能均比清理前大,說(shuō)明堆積碎石覆蓋層對(duì)落石運(yùn)動(dòng)具有緩沖衰減作用;②清理前后初次落地位置、落地速度相差不大,但停止運(yùn)動(dòng)位置和落地后首次彈跳最大高度相差較大,說(shuō)明覆蓋層對(duì)落地后彈跳運(yùn)動(dòng)緩沖衰減作用要明顯強(qiáng)于對(duì)斜坡運(yùn)動(dòng)的衰減作用.③對(duì)比初次落地點(diǎn)位置理論計(jì)算和軟件模擬結(jié)果,理論計(jì)算值(≤33.55 m)略大于模擬結(jié)果(27.34 m~29.83 m),為保守安全計(jì),可按照理論計(jì)算值設(shè)置防護(hù)措施,根據(jù)清理前后落石運(yùn)動(dòng)特征參數(shù),可考慮在距離坡腳10 m處修筑高3 m的混凝土攔擋墻,并在靠近攔擋墻內(nèi)側(cè)3 m范圍內(nèi)地面堆放碎石土和移植高低復(fù)合防護(hù)林充當(dāng)緩沖層,使落石初次落地后彈跳高度減弱至清理前狀態(tài).
表4 危巖落石數(shù)值模擬參數(shù)
圖6 落石運(yùn)動(dòng)路徑模擬結(jié)果
表5 落石運(yùn)動(dòng)主要過(guò)程參數(shù)對(duì)比
(1)該典型危巖是在被節(jié)理裂隙切割的基礎(chǔ)上,受開(kāi)采卸荷、巖體自重、降雨入滲等內(nèi)外因素綜合作用加速裂隙發(fā)育而逐漸形成一側(cè)懸空的拉裂-墜落式危巖.
(2)基于材料力學(xué)模型的量化分析與基于影響因素賦值評(píng)價(jià)的半定量打分結(jié)果均表明崩落前危巖體整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),且在崩落后殘留危巖由于“懸臂”較短,其整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài),但在長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕等外因作用下,仍有可能發(fā)生崩落.
(3)以理論計(jì)算和軟件模擬兩者取較大值劃定崩落直接影響范圍為:以危巖體為中心確定的縱向33.55 m、橫向19.80 m范圍內(nèi)應(yīng)嚴(yán)禁人員進(jìn)入和設(shè)置任何工程措施.
(4)覆蓋層對(duì)落石運(yùn)動(dòng)軌跡有較大影響作用,特別是對(duì)落石彈跳運(yùn)動(dòng)具有明顯衰減作用.
(5)根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)特征和崩落威脅范圍,建議在清理危巖的基礎(chǔ)上,在坡腳外10 m處設(shè)置高3 m且內(nèi)側(cè)含緩沖墊層或防護(hù)林的攔擋墻進(jìn)行隔離防護(hù).