王宏益,任鴻凌

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都610059;2.重慶市地質(zhì)災害防治工程勘查設計院,重慶401121)

0 引言

馬家危巖體位于寶興河左岸,斜坡呈下緩上陡形態(tài)。斜坡發(fā)育有3個危巖體,其分布見圖1,危巖體總體積約6×103m3,其中W1體積約5.2×103m3,W2體積約600 m3。近年來,危巖體局部崩塌活動明顯加劇,落石砸壞坡腳墳墓及砸穿廢棄房屋屋頂,嚴重威脅坡腳省道暢通及居民安全。

圖1 斜坡危巖體分布全貌

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

斜坡地段屬于構造侵蝕的中山峽谷及河谷階地2種地貌類型。中山峽谷相對高差約900 m,斜坡下部為崩坡積物,坡度約35°,其余為基巖斜坡,坡度約55°,局部達80°。坡腳為寶興河Ⅰ級階地。

1.2 地層巖性

斜坡主要出露地層有二疊系上統(tǒng)大石包組灰?guī)r(P2d)及澄江—晉寧期花崗巖(γ2)。(1)二疊系上統(tǒng)大石包組(P2d)在斜坡高程約1 360 m以上出露,巖性為深灰色薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀 135°∠15°;(2)澄江—晉寧期花崗巖(γ2)在斜坡高程約1 360 m以下出露,巖性為灰色、肉紅色花崗巖,成分為鉀長石、斜長石、角閃石等。

1.3 地質(zhì)構造

斜坡區(qū)內(nèi)新構造運動表現(xiàn)為區(qū)域性地殼間歇抬升以主,并伴隨斷裂活動,地震活動較頻繁。研究區(qū)位于寶興背斜核部,該背斜軸部開闊平直,走向呈北44°東 ,兩翼對稱,巖層傾角15°～ 25°。研究區(qū)無區(qū)域性大斷層通過。

1.4 巖體結構特征

斜坡下部的花崗巖,發(fā)育有3組優(yōu)勢結構面(表1),巖體呈碎塊狀—塊體狀結構,結構面的組合不利于邊坡巖體的穩(wěn)定(圖2)。斜坡上部的大石包組為白云質(zhì)灰?guī)r,巖層面緩傾坡內(nèi),發(fā)育有3組優(yōu)勢結構面(表1)。

圖2 優(yōu)勢結構面及坡面赤平投影圖(上半球投影)

表1 巖體結構面特征

2 危巖體破壞機制

依據(jù)危巖體結構特征和變形破壞跡象,歸納出該斜坡危巖體的兩種潛在破壞模式:拉裂—滑移式(W2、W3)和拉裂—傾倒式(W1)。危巖體破壞機制如下:由于河谷的下切,斜坡表部巖體向河谷方向卸荷回彈,巖體結構松弛,然后斜坡巖體內(nèi)應力重新調(diào)整,產(chǎn)生向河谷方向的變形和傾倒拉裂[1]。

(1)拉裂—滑移式

在卸荷、分化作用下,花崗巖呈碎塊狀—塊體狀結構。陡傾坡外的結構面①和縱坡向的結構面③對危巖體起切割作用,順坡向緩傾坡外的結構面②利于危巖體沿其向河谷方向發(fā)生滑移失穩(wěn)。結構面③使得危巖體兩側(cè)面呈臨空或張開狀態(tài),后緣裂縫追蹤結構面①發(fā)育,在長期的分化作用下,后緣裂縫進一步向巖體內(nèi)部發(fā)展,結構面的力學強度降低。在地震、重力、降雨等作用下,危巖體將會向河谷方向發(fā)生滑移失穩(wěn)(圖3)。

圖3 拉裂—滑移式危巖體

(2)拉裂—傾倒式

在卸荷、分化作用下,后緣裂縫追蹤陡傾坡外的結構面②發(fā)育并漸進性發(fā)展并下錯,目前最大寬度達1 m,延伸長度達20 m,可見深度5 m,下錯高度1.5 m。危巖體在自重彎矩作用下,開始以巖體下部基座為支點向臨空方向作懸臂梁彎折,隨著后緣拉裂縫的發(fā)展及下錯,重心逐漸外傾,在地震、重力、降雨等作用下,危巖體向河谷方向發(fā)生轉(zhuǎn)動傾倒失穩(wěn)(圖4)。

圖4 拉裂—傾倒式危巖體

3 崩塌落石的運動計算

崩塌落石的運動方式受斜坡的物質(zhì)組成、斜坡坡角等的影響。研究區(qū)斜坡坡度30°～60°。危巖體破壞后將以彈跳、滾動或滑動方式沿坡體運動,在坡腳緩坡地帶堆積、滾入公路或撞擊坡腳居民房屋后堆積。

3.1 崩塌落石運動速度計算[2]

崩塌落石的運動速度計算方法,按折線形山坡(圖5)計算。該計算圖適用于折線形山坡,各坡段的坡度角α為30°～60°,各段的長度超過10 m,相鄰坡段坡度α相差5°以上。研究區(qū)為折線形山坡,各坡段的坡度、各坡段的長度和相鄰坡度均滿足折線形山坡的計算條件。

圖5 折線山坡崩塌落石速度計算圖

其中最高一個坡段的速度按下式計算:

式中:H ——石塊墜落高度(m);

g ——重力加速度(m/s2);

α——山坡坡度角(°);

k——石塊沿山坡運動所受一切有關因素綜合影響的阻力特性系數(shù)。

其余坡段終端速度按下式計算:

式中:v0(i)——石塊運動所考慮坡段的起點的初速度,可按不同情況考慮:

αi-1 ＞αi 時 ,則v0(i)=vj(i-1)cos(αi-1- αi)

αi-1 ＜αi時,則 v0(i)=vj(i-1);

αi——所考慮坡段的坡度角(°);

αi-1——相鄰的前一段坡度角(°);

vj(i-1)——石塊在前一坡段終端的運動速度(m/s)。

研究區(qū)斜坡坡面上部基巖出露、下部為松散堆積層的折線形坡,計算示意圖如圖6。崩塌落石在斜坡上主要以跳躍、滾動方式運動,按照坡形和坡面的物質(zhì)變化,現(xiàn)將巖石的崩落劃分為AB和BC 2個階段:αAB=54°＞αBC=39°。崩落的摩擦系數(shù)依據(jù)《巖土工程勘察設計手冊》中的建議公式計算,分段計算如下:

AB段:斜坡坡度為54°,垂直距離為141 m,摩擦系數(shù)取0.756,由于本階段為落石發(fā)生的第一個階段,因此巖石運動速度按式(1)計算得AB段崩塌落石運動的末速度vAB=35.29 m/s;

BC段:斜坡坡度為 39°,垂直距離為 86 m,摩擦系數(shù)取0.603,按式(2)計算得BC段崩塌落石運動的末速度vBC=39.90 m/s。

圖6 危巖體崩塌落石計算示意圖

3.2 崩塌落石攔擋能量的計算

崩塌落石的攔擋結構要具有一定安全儲備,計算落石的動能時,安全系數(shù)取1.2[3],落石的動能按式(3)計算:

式中:E——落石具有的動能(kJ);

m ——落石的質(zhì)量(kg);

v——落石的速度(m/s)。

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,崩塌堆積區(qū)白云質(zhì)灰?guī)r落石體積最大0.5 m3,取落石的體積為0.5 m3,密度ρ=2 700 kg/m3,v=39.90 m/s,代入式(3)得:E=1 289.54 kJ。

3.3 崩塌落石撞擊地面的彈跳高度和水平落距的計算[2,4]

崩塌落石彈跳計算主要求算落石運動規(guī)律,其運動軌跡曲線如圖7所示。

圖7 落石撞擊地面后的運動軌跡曲線

根據(jù)運動學原理,落石向下崩落后,第一次與地面碰撞時的彈跳高度和彈跳距離最大,依據(jù)最大彈跳高度和最大彈跳距離,確定坡腳設置的防護結構提供的攔擋高度和攔擋位置。

式中:hmax——落石撞擊地面后彈跳的最大高度(m);

Lmax——落石撞擊地面后彈跳的最大距離(m);

v0——落石的反射速度(m/s),v0=(1-λ)vRcosφ/cosr;

r——落石的反射角(°)。

式中:vR——巖石撞擊平臺的速度(m/s);

ρ——恢復系數(shù);

λ——瞬間摩擦系數(shù);

φ——入射角,通常用斜坡坡度角作為入射角(°)。

由于崩塌點為松散堆積層,取λ=0.4和ρ=0.3,斜坡坡角 φ=39°,由式(6)得 r=22.0°和 v0=20.1 m/s,由式(4)、式(5)可得 hmax=2.9 m、Lmax=5.8 m。各危巖體崩塌落石的能量、落距、彈跳高度見表2。

表2 崩塌落石運動計算結果

4 危巖體的防治措施研究

危巖體在暴雨、地震作用下均處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。由于危巖體高程大、坡度陡峻,對危巖體采用主動治理措施難度大。結合危巖體結構特征、破壞模式、崩塌堆積區(qū)落石規(guī)模及分布特征,崩塌落石運動能量、彈跳距離及彈跳高度,擬在坡腳省道S210內(nèi)側(cè)平緩地帶設置一道RXI-150型被動網(wǎng)來攔截落石,確保S210省道暢通和坡腳居民的安全。被動防護網(wǎng)高度取H=3.0 m＞hmax=2.9 m,網(wǎng)型為R12/3/300。

5 結語

(1)巖體卸荷回彈及結構面的不利組合是該危巖體形成的主要因素。

(2)該危巖體分為拉裂—滑移式和拉裂—傾倒式兩種潛在破壞模式。

(3)采用高強被動防護網(wǎng)對危巖體進行治理。

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994:114-123.

[2]林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1996:1751-1758.

[3]唐喜庚.公路邊坡SNS柔性防護網(wǎng)技術[J].交通世界,2007(9):103.

[4]李世凱,彭社琴,趙其華,等.四川省汶川縣城區(qū)某斜坡危巖體破壞模式及治理[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2009,20(4):4-5.