丁 斌 孟永旭 裴曉東

(①上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200434， 中國(guó))

(②中國(guó)三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司， 北京 100053， 中國(guó))

0 引 言

邊坡上巖體或崩坡積塊石失穩(wěn)后向下沿著坡面快速運(yùn)動(dòng)的石塊俗稱滾石。當(dāng)滾石造成了人員傷亡、建筑物損壞等后果就被稱為滾石災(zāi)害(張路青等， 2004)。隨著山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路、公路、水電站等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目日益增多，邊坡滾石問題越來越突出，滾石災(zāi)害造成的嚴(yán)重后果屢見不鮮(黃雨等， 2010)。

地質(zhì)災(zāi)害一般指滑坡、泥石流、崩塌、地震、地裂縫等大規(guī)模災(zāi)種。相比之下，滾石災(zāi)害具有其顯著特征(胡厚田， 1989)，應(yīng)單獨(dú)作為一類地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行專門研究。

前人對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)特征、計(jì)算模型建立及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)做了諸多研究，張路青等(2004)運(yùn)用概率方法對(duì)公路沿線滾石的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估分析； 唐紅梅等(2003)，呂慶等(2003)對(duì)邊坡危巖滾石的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了研究總結(jié)，并建立了相關(guān)計(jì)算模型； 黃潤(rùn)秋等(2007)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究，對(duì)危巖體整體防治提出了新的可行方法； 黃雨等(2010)將STONE，CRSP，RocFall等數(shù)值模擬軟件在滾石運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，并介紹了滾石沖擊力的計(jì)算方法； 熊倩瑩等(2014)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和Rocfall軟件分析，對(duì)危巖體的影響范圍進(jìn)行了劃分； 劉海洋等(2017)運(yùn)用無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)獲取崩塌區(qū)域地形數(shù)據(jù)，可有效解決崩塌區(qū)域地形測(cè)量難問題； 梅樂等(2018)運(yùn)用GIS對(duì)崩塌源進(jìn)行識(shí)別，利用Flow-R模擬出崩塌災(zāi)害影響范圍； 石碧波(2018)基于正態(tài)分布概率計(jì)算，改進(jìn)了落石軌跡計(jì)算模型； 楊志法等(2019)提出山地旅游規(guī)劃工程地質(zhì)方法，為旅游景區(qū)落石災(zāi)害成因及其防治提供新思路。

滾石運(yùn)動(dòng)受諸多不確定性因素的影響，如物源區(qū)不穩(wěn)定體的規(guī)模、滾石的體積、形狀及其強(qiáng)度、邊坡的形態(tài)及物質(zhì)組成、植被發(fā)育情況等。Wang et al.(2014)對(duì)滾石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中不確定性因素進(jìn)行了評(píng)估，證明了對(duì)不確定性因素的識(shí)別和量化在滾石風(fēng)險(xiǎn)建模中的重要性。

滾石災(zāi)害的防護(hù)措施一般分為主動(dòng)防護(hù)措施和被動(dòng)防護(hù)技措施。主動(dòng)防護(hù)措施是指防止落石發(fā)生，主要包括對(duì)危巖體進(jìn)行錨固、支撐、注漿、勾縫、排水、主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、提前排險(xiǎn)清除等； 被動(dòng)防護(hù)措施是指滾石發(fā)生后對(duì)其進(jìn)行有效攔截，主要包括滾石擋墻、截石溝、攔石柵欄、攔石網(wǎng)、防滾石棚等(葉四橋等， 2007)。

2018年9月15日20時(shí)50分左右，尼泊爾某水電站2號(hào)支洞洞口下游側(cè)自然邊坡發(fā)生高位崩塌。崩塌后形成的滾石擊中項(xiàng)目部自卸車，致使2人死亡， 4人不同程度受傷的嚴(yán)重后果。通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，分析地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制，作出調(diào)查結(jié)論。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遺留痕跡分析，推測(cè)出滾石的運(yùn)動(dòng)路徑，并還原出滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度，為防護(hù)措施方案的選用提供依據(jù)。

1 環(huán)境地質(zhì)條件

尼泊爾位于印度和歐亞板塊交界處喜馬拉雅弧形構(gòu)造帶內(nèi)。喜馬拉雅構(gòu)造帶經(jīng)歷了廣泛的地殼水平縮短和垂向加厚作用，形成了數(shù)條延伸上千千米以上的構(gòu)造帶，自北向南依次劃分為4個(gè)構(gòu)造單元：特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅、低喜馬拉雅和次喜馬拉雅構(gòu)造區(qū)(Megh Raj Dhital， 2015)。工程區(qū)位于高喜馬拉雅構(gòu)造單元內(nèi)，該構(gòu)造單元南部邊界為中央主斷裂(MCT)，北部邊界為藏南拆離系(STDFS)。

印度板塊和歐亞大陸的激烈碰撞作用表現(xiàn)在近南北向相對(duì)縮短速率可達(dá)50 mm·a-1，如今的匯聚速率略有降低，但仍以30～40 mm·a-1的速率向北運(yùn)動(dòng)，其中近一半的板塊匯聚縮短發(fā)生在喜馬拉雅構(gòu)造帶內(nèi)。沿著喜馬拉雅構(gòu)造弧形帶，已知?dú)v史上發(fā)生過至少8次MW7.5級(jí)以上大地震。其中1833年和2015年大地震是對(duì)工程區(qū)影響最大的兩次地震，影響烈度達(dá)Ⅸ度。根據(jù)工程地震安全性分析成果，工程區(qū)100年、200年和1000年一遇地震動(dòng)峰值加速度為0.1g、0.2g和0.4g，屬強(qiáng)震區(qū)。根據(jù)USGS(美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)網(wǎng)站資料， 2018年8月1日以來，工程近場(chǎng)區(qū)無大于MW2.5級(jí)以上的地震活動(dòng)。

2018年6月進(jìn)入雨季， 9月份以來降雨較多。9月1日至15日期間有12天有降雨， 9月15日上午災(zāi)害發(fā)生區(qū)域還有降雨發(fā)生。工程區(qū)緩坡地段植被良好，僅較大沖溝及基巖陡坡段植被較少。引水隧洞于2018年8月20日貫通， 9月份的施工主要在首部和廠房區(qū)域，災(zāi)害發(fā)生區(qū)近1個(gè)月來無人類活動(dòng)。

綜上所述，第四系以來工程區(qū)所在的高喜馬拉雅構(gòu)造區(qū)地殼強(qiáng)烈抬升，造就了高山狹谷的地貌特征，加之多次震動(dòng)的影響，山坡表層巖體松弛破碎，危巖體眾多，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了充足的地質(zhì)條件，是崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。9.15災(zāi)害發(fā)生前災(zāi)害發(fā)生區(qū)無人類活動(dòng)，災(zāi)害發(fā)生于天然邊坡上，非人類活動(dòng)的影響，屬自然地質(zhì)災(zāi)害。

2 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)地質(zhì)條件及活動(dòng)特征

2號(hào)施工支洞下游地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在前期地質(zhì)災(zāi)害排查中被編為2-4地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，并設(shè)置有防護(hù)措施。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)邊坡上部(高程約2100 m以上)基巖裸露，多呈弱風(fēng)化狀，為陡立的巖質(zhì)邊坡，部分段坡度大于80°，巖層產(chǎn)狀N10°W NE∠80°，與邊坡走向小角度相交，屬斜向巖質(zhì)邊坡，出露基巖為片麻巖，為硬質(zhì)巖，呈現(xiàn)中厚層-厚層狀。除層面節(jié)理外，尚發(fā)育有兩組節(jié)理，一組與邊坡小角度相交，產(chǎn)狀N70°E SE∠80°，另一組緩傾坡內(nèi)，產(chǎn)狀N50°E NW∠30°。層面節(jié)理與這兩組節(jié)理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體大小不一，有形成大型結(jié)構(gòu)體的條件。根據(jù)赤平投影分析，結(jié)構(gòu)體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不易失穩(wěn)。但在坡頂或地形突出的地段，受卸荷的影響可構(gòu)成傾倒式危巖體，同時(shí)當(dāng)下部巖體失穩(wěn)后可能形成墜落式危巖體。邊坡中部依舊為巖質(zhì)邊坡，坡度略緩，約45°左右，大部分地段植被良好，以松樹為主。邊坡中下部為土質(zhì)邊坡，由崩坡積體構(gòu)成，土質(zhì)松軟，植被茂密。邊坡發(fā)育兩條沖溝，近2號(hào)施工支洞的沖溝(以下簡(jiǎn)稱上游沖溝)，溝內(nèi)多有崩塌堆積，溝內(nèi)陡坎處多基巖出露。下游沖溝規(guī)模較小，溝內(nèi)植被良好。

從邊坡地質(zhì)條件可見，上游沖溝上部基巖裸露的陡立邊坡是崩塌發(fā)生的主要物源區(qū)，初步估算物源區(qū)范圍至少約2000 m2。裸露基巖為中厚-厚層狀片麻巖，多呈弱風(fēng)化狀，巖石強(qiáng)度高，在裂隙的切割下能夠形成較大的塊體，為滾石的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)提供便利條件，邊坡中部為崩塌體滾落區(qū)，中下部為堆積區(qū)。災(zāi)害發(fā)生前崩塌主要發(fā)育于上游沖溝上方，以碎屑的形式沿上游沖溝運(yùn)移。2015年MW7.8級(jí)地震發(fā)生后地震災(zāi)害調(diào)查表明， 2-4地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)溝內(nèi)分布有崩塌形成的塊石，溝口的路面散落較多巖塊。說明地震后邊坡崩塌的物源及運(yùn)移方式并未發(fā)生大的變化。

對(duì)比9.15災(zāi)害發(fā)生前后的照片(圖1～圖2)發(fā)現(xiàn)，崩塌主要發(fā)生于上游沖溝附近，其他區(qū)域崩塌現(xiàn)象不明顯。但9.15地質(zhì)災(zāi)害時(shí)崩塌明顯向高高程擴(kuò)展?？梢姳緟^(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生于沖溝附近，且符合下部巖體失穩(wěn)形成墜落式危巖后巖體崩塌繼續(xù)向高高程擴(kuò)展的規(guī)律。

圖1 9.15災(zāi)害發(fā)生前邊坡圖

圖2 9.15災(zāi)害發(fā)生后邊坡圖

3 滾石地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制分析

3.1 災(zāi)害發(fā)生經(jīng)過

9.15地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于2018年9月15日20時(shí)50分左右，由于天黑，無目擊災(zāi)害發(fā)生過程的人員。根據(jù)受傷人的口述： 20時(shí)10分左右， 9名工人步行途經(jīng)2號(hào)支洞附近時(shí)，發(fā)現(xiàn)施工道路上有落石，于是聯(lián)系裝載機(jī)前來清理。在裝載機(jī)清理路面落石過程中，約20時(shí)50分，在場(chǎng)人員發(fā)覺上部邊坡突然落石，自卸車、裝載機(jī)和人員都后退避險(xiǎn)。避險(xiǎn)過程中，自卸車被滾石砸中并翻落至坡底(坡高約80 m)。據(jù)調(diào)查，災(zāi)害發(fā)生區(qū)對(duì)面當(dāng)?shù)鼐用穹从常掳l(fā)時(shí)聽到了巨大的響聲。

現(xiàn)場(chǎng)崩塌堆積物主要分布于沖溝內(nèi)，且上部碎石較多，溝口路面也有大量落石，事發(fā)點(diǎn)有回彈坑?？梢姳緟^(qū)總計(jì)發(fā)生兩次崩塌事件，且第2次的規(guī)模大于第1次。自卸車被吊起放平，發(fā)現(xiàn)該車左前方有約0.5 m×0.5 m孔洞，孔洞內(nèi)壁鐵皮向下緊貼四周，轉(zhuǎn)向臂斷裂痕跡與路面掉落部分痕跡吻合，其他部位未發(fā)現(xiàn)明顯滾石撞擊痕跡?？梢娷囕v當(dāng)時(shí)僅被一塊滾石擊中，且方量較大，與現(xiàn)場(chǎng)只有一個(gè)回彈坑的撞擊特征相吻合。

3.2 災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)痕跡分析

通過對(duì)9.15地質(zhì)災(zāi)害后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)工程地質(zhì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，崩塌物主要散落于上游沖溝路面上，其他地區(qū)很少見到崩塌的塊石，說明大部分崩塌形成的塊石依然沿上游沖溝運(yùn)移。事故點(diǎn)僅在車輛側(cè)翻處的路面有回彈坑，但路面無碎石僅有幾個(gè)斷裂的松樹枝，道路內(nèi)側(cè)邊坡可見滾石與地面的劃痕。擦痕走向140°，傾角55°，說明擊中車輛的滾石路徑為NW320°，指向沖溝拐彎處。

沿程調(diào)查發(fā)現(xiàn)在這一路徑上有少量的碎石分布，在沖溝下游側(cè)山梁上有石塊卡在較大的樹枝上，其方向指向沖溝下游側(cè)； 根據(jù)被石塊打斷的松樹斷口方向判斷滾石飛行方向也是指向沖溝下游側(cè)。根據(jù)這些現(xiàn)象分析判斷滾石的軌跡線與落點(diǎn)擦痕方向基本一致，滾石在空中斜越兩個(gè)沖溝的山梁。滾石與樹木的擦痕高于地面4 m。

通過對(duì)上游沖溝的進(jìn)一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在陡立邊坡下部，沖溝急轉(zhuǎn)向下游側(cè)，且溝面傾向下游，如圖3所示。溝內(nèi)堆積有大量碎石，且在沿溝方向有少量石塊分布。說明沖溝上方崩塌體墜落至此部位后破碎形成滾石，為第1撞擊點(diǎn)(圖4)。

圖3 沖溝流向變化

圖4 第1撞擊點(diǎn)及散落碎石

高位崩塌區(qū)的方量約500m3左右，塌落后的坡形表現(xiàn)為明顯的墜落特征，說明產(chǎn)生了較大規(guī)模的崩塌，強(qiáng)烈撞擊會(huì)產(chǎn)生很大的聲響，被對(duì)岸的當(dāng)?shù)卮迕衤牭绞钦５摹?/p>

低位崩塌區(qū)邊坡不具備發(fā)生大規(guī)模崩塌的條件?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有撞擊痕跡，且位于滾石飛行的路徑上，分析認(rèn)為此處為滾石的撞擊點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，未發(fā)現(xiàn)該撞擊點(diǎn)至第1撞擊點(diǎn)間有明顯的滾石撞擊痕跡，可認(rèn)定該處為滾石的第2撞擊點(diǎn)。

零星落石點(diǎn)至車輛撞擊點(diǎn)的方向大約為120°，與地面擦痕方向差異較大。故認(rèn)為擊中車輛的滾石來源此處的可能性不大。

根據(jù)以上痕跡分析，高位崩塌區(qū)發(fā)生崩塌，在撞至第1撞擊點(diǎn)后形成滾石，滾石軌跡方向約140°，在沖溝下游側(cè)撞擊第2落點(diǎn)發(fā)生彈跳后砸中位于路面的自卸汽車。現(xiàn)場(chǎng)整體災(zāi)害痕跡如圖5所示。

圖5 災(zāi)害痕跡圖

3.3 地質(zhì)分析

高陡邊坡危巖塌落形成的滾石具有突然性、運(yùn)動(dòng)速度快和路徑不確定的特點(diǎn)。一般崩塌發(fā)生后，巖塊運(yùn)動(dòng)方向與地形等高線垂直，當(dāng)發(fā)生撞擊時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向常會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)崩塌區(qū)地質(zhì)條件分析認(rèn)為其機(jī)理如下：

崩塌區(qū)地形坡度陡立。崩塌區(qū)巖體受節(jié)理切割，結(jié)構(gòu)體傾向坡內(nèi)，不易發(fā)生滑動(dòng)，大部分結(jié)構(gòu)體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。由于巖體卸荷、長(zhǎng)期風(fēng)化、雨水侵蝕等作用，在坡頂或地形突出的地段存在傾倒式危巖體，當(dāng)下部巖體失穩(wěn)后，將形成墜落式危巖。經(jīng)過多次崩塌后，崩塌區(qū)高位結(jié)構(gòu)體由傾倒式轉(zhuǎn)變?yōu)閴嬄涫?，具有發(fā)生較大規(guī)模崩塌的地質(zhì)條件。9月15日第1次崩塌后，導(dǎo)致崩塌區(qū)上部巖體的穩(wěn)定性變差，發(fā)生2次崩塌，第2次崩塌體積約500m3，墜落的巖體在高速下落過程中，擊中沖溝谷轉(zhuǎn)彎處傾向下游的溝床，崩塌體分解過程中大部分巖塊沿沖溝以屑碎流的形式運(yùn)行，部分巖塊運(yùn)行方向發(fā)生改變，拋向下游，其中一部分散落在邊坡上，個(gè)別大塊石向溝谷下游做斜拋運(yùn)動(dòng)，在擊中第2撞擊點(diǎn)后發(fā)生跳躍并擊中正避險(xiǎn)的車輛而引發(fā)事故。因此，高位危巖體崩塌撞擊溝床后形成滾石是造成事故的直接原因。

3.4 落石軌跡及能量分析

滾石運(yùn)動(dòng)與很多不確定性因素相關(guān)，前節(jié)對(duì)物源區(qū)規(guī)模與滾石途經(jīng)的邊坡形態(tài)、物質(zhì)組成、植被發(fā)育情況等做了描述說明。滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡還與滾石本身的塊度、形狀及力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。本節(jié)就滾石本身的這些不確定性因素做簡(jiǎn)要的補(bǔ)充說明。

危巖體整體脫離母巖時(shí)，體積普遍較大，體內(nèi)裂隙發(fā)育，擊中溝谷溝床后，崩塌體分解，分解后的巖塊完整性好。對(duì)比該災(zāi)害點(diǎn)本次和以往的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，散落在溝口和路面的滾石塊徑一般為0.2～1.5 m，呈棱角狀，原巖巖性為片麻巖，強(qiáng)度高。

通過對(duì)本次災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)痕跡和自卸車底盤上殘留的孔洞分析，擊中自卸車的滾石塊徑約0.5 m，滾石的密度約2.7g·cm-3。

危巖落石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般分為墜落、滑動(dòng)、滾動(dòng)、碰撞彈跳、斜拋運(yùn)動(dòng)。危巖落石在空中飛行時(shí)，空氣阻力、風(fēng)力及風(fēng)向等都對(duì)其有影響，但其影響與飛石的形狀、大小等諸多因素有關(guān)，是非線性的，很難將其量化。且這些因素都會(huì)導(dǎo)致飛石的運(yùn)動(dòng)速度和能量降低，若不考慮這些因素的影響，對(duì)支護(hù)措施設(shè)計(jì)和防護(hù)是有額外安全度的。本節(jié)對(duì)落石做如下假設(shè)： ①將巖塊視為均質(zhì)體，不考慮巖塊散體對(duì)飛行路徑的影響； ②不考慮巖塊在空中飛行時(shí)的自轉(zhuǎn)； ③不考慮空氣阻力、風(fēng)力及風(fēng)向的影響。

(1)墜落。墜落指危巖體脫離母巖后，只在重力作用下的運(yùn)動(dòng)。

(2)滑動(dòng)或滾動(dòng)。滾石沿著坡面運(yùn)動(dòng)時(shí)一般分為滑動(dòng)或滾動(dòng)。當(dāng)坡角較大，即mgsinα>f時(shí)，滾石將沿坡面滑動(dòng); 當(dāng)坡角較緩時(shí)，則為滾動(dòng)。滑動(dòng)狀態(tài)下，滾石的加速度a見式(1)，滾石沿坡面滑動(dòng)s距離后的速度νt見式(2)。

(1)

(2)

式中：α為邊坡坡角(°)；f為滑體的抗滑力(N)；μ為滑塊與坡面間的摩擦系數(shù)；ν0為滑塊剛開始滑動(dòng)時(shí)的初始速度(m·s-1)。

(3)碰撞彈跳及斜拋運(yùn)動(dòng)。滾石撞擊地面時(shí)屬于非彈性碰撞，需將撞擊前瞬間的水平速度ν1x和豎直速度ν1y分解為順坡面的切線速度ν′1x和垂直坡面的法向速度ν′1y，相關(guān)公式見式(3)～式(4)，其中α為撞擊點(diǎn)處邊坡坡角。

v′1x=v1xcosα+v1ysinα

(3)

v′1y=v1ycosα-v1xsinα

(4)

根據(jù)前人的研究，切線速度的變化由瞬間摩擦決定，即滾石碰撞后順坡面的切線速度將變?yōu)棣汀?x，式中Rt為切向恢復(fù)系數(shù)。

v′2x=Rtv′1x

(5)

法向速度的變化可根據(jù)牛頓等人提出的碰撞理論來確定，滾石碰撞后法線速度將變?yōu)棣汀?y，且方向由垂直坡面向下變?yōu)榇怪逼旅嫦蛏?，式中Rn為法向恢復(fù)系數(shù)。

v′2y=Rnv′1y

(6)

上述兩個(gè)恢復(fù)系數(shù)是估算落石軌跡的重要參數(shù)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，碰撞點(diǎn)若出露基巖，且強(qiáng)度越高，碰撞越趨向于彈性碰撞，能量損失較小，相應(yīng)的恢復(fù)系數(shù)取值越大； 相反，碰撞點(diǎn)若為松散的覆蓋層或植被茂密，能量損失較大，相應(yīng)的恢復(fù)系數(shù)取值較小。根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，滾石碰撞彈跳的切向恢復(fù)系數(shù)Rt在0.4～0.9之間，法向恢復(fù)系數(shù)Rn在0.2～0.5之間(呂慶等， 2003)。

然后再將修正后順坡面的切線速度ν′2x和垂直坡面的法向速度ν′2y分解為水平方向速度ν2x和豎直方向速度ν2y，見式(7)～式(8)：

v2x=(Rtcosα2-Rnsina2)v1x+(Rt+Rn)sinαcosαv1y

(7)

v2y=(Rncosα2-Rtsina2)v1y-(Rt+Rn)sinαcosαv1x

(8)

此后滾石將做斜拋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)豎直方向速度減小至0時(shí)滾石到達(dá)最高點(diǎn)，接著滾石將做平拋運(yùn)動(dòng)，直到觸碰至下個(gè)碰撞點(diǎn)，整個(gè)過程軌跡如圖6所示。

圖6 滾石斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖中各個(gè)未知量的計(jì)算公式見式(9)～式(12)：

(9)

(10)

(11)

H=Smaxtanα

(12)

滾石離開某個(gè)碰撞點(diǎn)后做斜拋運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)碰撞點(diǎn)之間的歷時(shí)時(shí)間t，見式(13)。

(13)

滾石即將撞擊下個(gè)碰撞點(diǎn)前瞬間的水平速度ν3x和豎直速度ν3y分別為：

v3x=v2x

(14)

(15)

滾石再次碰撞后，將重復(fù)上述過程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滾石沿法向向上的速度趨于0時(shí)，滾石將順坡滑動(dòng)或滾動(dòng)，直至最終停下來。

(4)落石軌跡及能量計(jì)算。無人機(jī)具有操作方便，可視化強(qiáng)，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)(王帥永等， 2016)，尤其是在類似山高坡陡，地形復(fù)雜，植被相對(duì)稀疏的地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害排查和高精度、高分辨率的地形測(cè)量具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。但尼泊爾是無人機(jī)管制國(guó)家，若想使用，申請(qǐng)手續(xù)相當(dāng)繁瑣，本次工程地質(zhì)調(diào)查未能使用無人機(jī)進(jìn)行調(diào)查與測(cè)量。

根據(jù)調(diào)查成果，危巖體崩塌后形成的滾石運(yùn)動(dòng)軌跡平面示意圖如圖7所示。根據(jù)調(diào)查出的撞擊點(diǎn)位置、物質(zhì)組成及幾何特征，再運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理反分析出撞擊點(diǎn)處的恢復(fù)系數(shù)。落石的運(yùn)動(dòng)過程如下：危巖體在O點(diǎn)脫離母巖后沿OA斜面(129°)滑動(dòng)，到達(dá)A點(diǎn)與基巖面發(fā)生碰撞。由于此時(shí)巖塊的體積很大，碰撞產(chǎn)生了巨大的響聲。碰撞后大部分巖塊分解沿沖溝以碎屑流的形式向下滑落，部分大塊石沿145°方向做斜拋運(yùn)動(dòng)。在自重作用下，豎直速度迅速增大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，到達(dá)B點(diǎn)后發(fā)生第2次碰撞，此時(shí)落石的動(dòng)能非常大，碰撞又一次產(chǎn)生了巨大的響聲。第2次碰撞點(diǎn)植被茂密，土質(zhì)松軟，吸收了較大的能量。碰撞后落石再次做斜拋運(yùn)動(dòng)，由于碰撞后初始豎直分速度較小，滾石運(yùn)動(dòng)軌跡近乎平行于坡面。最終碰撞至C點(diǎn)，而此時(shí)自卸車司機(jī)根據(jù)山體上傳來的異響正在倒車后退，正退至C點(diǎn)。滾石在C點(diǎn)再次反彈，擊中了自卸車底盤，導(dǎo)致車側(cè)翻后順邊坡滾落至坡底，造成了嚴(yán)重的安全事故。

圖7 巖體崩塌后落石運(yùn)行軌跡平面示意圖

根據(jù)上述理論公式計(jì)算，滾石整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的幾何及力學(xué)參數(shù)見表1，滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖8。

表1 滾石幾何參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖8 滾石運(yùn)行軌跡剖面示意圖

從表1中可知，危巖體整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程不到25 s，尤其是撞至A點(diǎn)產(chǎn)生巨大聲響后到滾石擊中自卸車該過程不足13 s。這個(gè)時(shí)間不足以讓自卸車司機(jī)在天黑慌亂的情況下將車倒退至安全地帶。根據(jù)動(dòng)能公式可知，擊中自卸車滾石能量E=34 kJ。

3.5 綜合分析

綜合以上分析： 2-4地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)具有向高高程擴(kuò)展的特征。9月15日第1次崩塌后，導(dǎo)致超高位的巖體下部臨空，由傾倒式轉(zhuǎn)變?yōu)閴嬄涫?，發(fā)生較大規(guī)模的二次崩塌。部分崩塌體在高速下落過程中，擊中沖溝谷轉(zhuǎn)彎處傾向下游的溝床，分解后部分巖塊運(yùn)行方向發(fā)生改變，向溝谷下游做斜拋運(yùn)動(dòng)，在擊中第2落點(diǎn)后再次彈跳，由于滾石速度快能量大，擊中正避險(xiǎn)的車輛引發(fā)事故。

3.6 支護(hù)措施建議

物源區(qū)邊坡整體穩(wěn)定，但存在不穩(wěn)定塊體，從不確定性因素角度考慮，年發(fā)生概率較低，但一旦發(fā)生，危害性大。

隨著崩塌災(zāi)害的繼續(xù)發(fā)生，崩塌危巖體的位置有向高高程擴(kuò)展的趨勢(shì)，與前期發(fā)生的災(zāi)害相比，后期落石運(yùn)動(dòng)路徑及落石墜落區(qū)域的不確定性增大，災(zāi)害點(diǎn)前期防護(hù)措施整體有效，需進(jìn)一步清理維護(hù)，但更重要的是在滾石可能影響范圍內(nèi)進(jìn)行有效的攔截防護(hù)。

為災(zāi)害后設(shè)置有效的防護(hù)裝置，需要掌握超高位危巖體崩落后運(yùn)動(dòng)至進(jìn)場(chǎng)道路處的飛行高度及能量大小范圍。利用rocfall軟件對(duì)超高位危巖運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行隨機(jī)模擬分析，假定超高位崩落的危巖體是直徑約為0.5 m，質(zhì)量約175 kg的巖塊，質(zhì)地堅(jiān)硬； 初始速度為0； 不考慮角速度； 邊坡粗糙度均設(shè)為2°。其余rocfall軟件中所需的邊坡相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 邊坡基本參數(shù)

滾石軌跡如圖9所示，從圖中可知，大多數(shù)滾石離開第2撞擊點(diǎn)后將處于低空飛行狀態(tài)。這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的滾石與樹木間的擦痕高度相匹配。

圖9 Rocfall軟件模擬滾石運(yùn)行軌跡

通過rocfall軟件分析計(jì)算，滾石運(yùn)動(dòng)過程中能量變化如圖10所示。

圖10 滾石運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)能變化

可見滾石運(yùn)動(dòng)至盤山公路時(shí)的能量約200 kJ，且滾石均為硬質(zhì)巖，強(qiáng)度高，塊徑一般為0.2～1.5 m，破壞能力強(qiáng)。普通的鋼絲網(wǎng)無法有效攔截。張口式簾式網(wǎng)具有很強(qiáng)的韌性，防護(hù)能級(jí)高，且具有攔截和引導(dǎo)的雙重功能(呂漢川等， 2018)，可有效解決傳統(tǒng)攔截系統(tǒng)清理難度大的問題。

隧洞進(jìn)口及盤山道路上部邊坡可采用張口式簾式網(wǎng)對(duì)高陡邊坡滾石進(jìn)行防護(hù)。防護(hù)網(wǎng)設(shè)置時(shí)，最好直立并略向下游傾斜，這樣能夠更好地對(duì)滾石進(jìn)行攔截。建議防護(hù)裝置設(shè)置如圖11所示。

圖11 張口式簾式網(wǎng)支護(hù)方案示意圖

除了設(shè)置防護(hù)網(wǎng)外，還可以在第2撞擊點(diǎn)一定范圍內(nèi)布置一定厚度的砂土，這對(duì)落石的能量有較強(qiáng)的吸收作用，能夠有效降低滾石災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

4 防護(hù)措施和災(zāi)害評(píng)價(jià)

2015年4.25大地震后2號(hào)洞洞口下游沖溝落石問題比較突出，根據(jù)安全需要項(xiàng)目部采取了以下安全措施：清除洞口邊坡左側(cè)松散的碎屑物質(zhì)并進(jìn)行噴砼防護(hù)； 在洞口邊坡上方建多道防護(hù)網(wǎng)，并設(shè)置排水系統(tǒng)； 在下游沖溝上方不同位置處建造三道鉛絲籠擋墻； 在落石頻發(fā)路段完成了預(yù)制混凝土人行通道的修建，并在上部鋪設(shè)了一定厚度的砂土； 所有車輛和移動(dòng)設(shè)備應(yīng)停放在遠(yuǎn)離洞口及滾石可能出現(xiàn)的位置； 安排了專職安全員24 h值守，主要負(fù)責(zé)人員出入登記和邊坡巡查。

通過本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以上預(yù)防邊坡滾石災(zāi)害的安全措施均具有一定的成效。人行通道頂部堆積了大量碎屑物質(zhì)，且外側(cè)有被落石擊中刮擦的痕跡，人行通道內(nèi)部完好無損； 沖溝中建造的鉛絲籠擋墻阻擋了大量順溝滑落的碎屑物質(zhì)； 修建的防護(hù)網(wǎng)大部分已被落石擊穿。

9.15地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于前期排查的2-4地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)范圍內(nèi)。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)為天然邊坡，無人類活動(dòng)的影響，屬自然地質(zhì)災(zāi)害。

9.15地質(zhì)災(zāi)害共發(fā)生兩次崩塌，第1次規(guī)模較小，無人員和財(cái)產(chǎn)損失，第2次崩塌發(fā)生在排險(xiǎn)過程中，為超高位巖體崩塌，由于滾石速度快，且其落石的范圍超過前期預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)區(qū)，司機(jī)在短時(shí)間內(nèi)無法完全將車倒至安全地帶，是造成事故的主要原因。

除洞口附近處的危巖體可采取清除或錨固的方法處理，其余區(qū)域均為高陡邊坡，只能采取被動(dòng)防護(hù)措施。

該邊坡屬于超高邊坡，一旦發(fā)生崩塌后，滾石的速度快，能量大，路徑不明確，覆蓋范圍大。需對(duì)危險(xiǎn)區(qū)范圍進(jìn)行重新劃定，并在危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，應(yīng)采用高度不小于5 m的張口式簾式網(wǎng)代替前期的鉛絲籠攔網(wǎng)； 在危險(xiǎn)區(qū)樹立警示牌，拉警戒線，要求行人觀察后快速通過，不允許在危險(xiǎn)區(qū)逗留； 嚴(yán)禁夜間處理災(zāi)害不明的崩塌體和落石； 要進(jìn)一步健全地質(zhì)災(zāi)害防范體系，完善地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)路線，有針對(duì)性地加強(qiáng)員工地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置和避險(xiǎn)培訓(xùn)。

5 結(jié)論與建議

工程區(qū)邊坡高陡，松散物源豐富。2015年地震后加劇了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有時(shí)效性，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生部位和影響范圍可能發(fā)生變化，且滾石災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，速度快，建議對(duì)工程區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行排查，劃分危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)區(qū)，重新確定地質(zhì)災(zāi)害防范措施。

利用奧維地圖、羅盤、測(cè)距儀等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位有一定的誤差，尤其在滾石的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑、碰撞點(diǎn)的實(shí)際特征、計(jì)算參數(shù)取值及數(shù)值模擬結(jié)果等方面的不確定性較大，建議在條件允許下可用無人機(jī)對(duì)類似工程物源區(qū)做詳細(xì)調(diào)查，識(shí)別崩塌體的位置、規(guī)模并量化風(fēng)險(xiǎn)分析中的不確定性因素，測(cè)量高精度地形圖，提高定量計(jì)算和模擬的可信度，為實(shí)際工程災(zāi)害排查與防護(hù)提供切實(shí)有效的決策建議。

工程區(qū)域大多為高陡邊坡，除洞口附近可采用主動(dòng)防護(hù)措施外，其余均只能采取被動(dòng)防護(hù)措施，張口式簾式網(wǎng)防護(hù)能級(jí)高，推薦采取張口式簾式網(wǎng)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)高陡邊坡滾石進(jìn)行防護(hù)。