李陽春，楊麒麟

（貴州省地質環(huán)境監(jiān)測院，貴州貴陽550004）

喀斯特山區(qū)崩塌落石運動特征分析
——以貴州省六盤水市獨山崩塌為例

李陽春*，楊麒麟

（貴州省地質環(huán)境監(jiān)測院，貴州貴陽550004）

喀斯特山區(qū)巖溶發(fā)育，在高陡巖質斜坡中，崩塌災害極發(fā)育，具有突發(fā)性、高速度、難預測等特點[1]。崩塌體在重力作用下，從高陡坡突然加速崩落、跳躍，具有明顯的拉斷、傾覆現(xiàn)象[2]。落石在斜坡上的運動規(guī)律受到諸多復雜因素影響[3]，具有很大的隨機性。以貴州省六盤水市鐘山區(qū)獨山崩塌為例，通過實地調查，運用數(shù)值模擬與實際情況類比，綜合分析典型喀斯特山區(qū)崩塌落石的運動軌跡、彈跳高度、運動能量等特征，并對該類典型崩塌落石的防治提出建議。

崩塌；落石；數(shù)值模擬；運動特征

1 概述

貴州省六盤水市獨山崩塌位于鐘山區(qū)東北側，工程區(qū)地處滇東高原向黔中高原過渡，黔西北高原向廣西丘陵過渡之梯級狀大斜坡地帶，總體地勢為西北高東北低。這類地形、地貌組合及相關的巖性組合形成的崩塌災害在喀斯特山區(qū)極具代表性。經(jīng)實地調查走訪，該崩塌歷史上多次發(fā)生落石現(xiàn)象，崩塌堆積體（落石）多分布于高陡斜坡下部低緩地帶，局部越過底部公路，彈跳至河溝一側，落石塊徑一般為0.5～1.2m。獨山崩塌主要威脅對象為沿線公路及低緩處居民及獨山小學等，潛在經(jīng)濟損失巨大。

2 地質環(huán)境條件

（1）地形地貌。區(qū)內巖石主要以石炭系和二疊系地層分布最為廣泛。主要巖性有石灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r等碳酸鹽巖。獨山崩塌北部陡崖頂部標高多分布在1884～1975m一帶，底部坡度較緩，標高多在1723～1740m一帶。

該地區(qū)為溶蝕、侵蝕低中山地貌。地形切割深度深，獨山崩塌北部陡崖頂部標高1884～1975m，底部坡度較緩，標高1723～1740m。斜坡坡度總體上陡下緩，中上部陡崖坡度50°～70°，下部小于25°，為緩坡地貌。中上部陡崖為喀斯特山區(qū)典型的巖溶發(fā)育帶，植被不發(fā)育，多為裸露巖壁。緩坡位置多為旱地及房屋，呈臺階狀。

（2）地層巖性。區(qū)內巖石主要以石炭系和二疊系地層分布最為廣泛。主要巖性有石灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r等碳酸鹽巖；巖層總體產狀258°～265°∠8°～15°，巖溶較發(fā)育。巖壁上可見溶洞、溶槽發(fā)育。下部緩坡主要分布二疊系下統(tǒng)梁山組灰白色粉砂巖、泥巖。

（3）水文地質條件。地質災害點附近地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水2大類：碳酸鹽巖巖溶水分布于二疊系中統(tǒng)棲霞組組灰?guī)r及石炭系中統(tǒng)馬平組灰?guī)r巖溶管道及裂隙中；基巖裂隙水分布于二疊系下統(tǒng)梁山組粉砂巖、泥巖基巖裂隙中。地下水主要由大氣降水補給。在低洼處以泉點形式排泄，匯成小溪向北流入三岔河。災害點附近地表水不發(fā)育，地下水埋深大，對崩塌體穩(wěn)定性影響較小。

（4）地質構造。鐘山區(qū)處于鄂渝黔侏羅山式褶皺區(qū)畢節(jié)—安順NE鄉(xiāng)變形區(qū)及烏蒙山NW向走滑變形區(qū)接觸地帶，地質構造復雜，以北西向褶皺、斷裂構造占主導地位。主要的構造有威水背斜、大灣向斜和威水斷裂。局部有近南北向構造，如大河邊向斜鐘山北部還發(fā)育有北東向、北北東向次級斷裂構造。地質災害點位于這些北東向、北北東向次級斷裂構造上。

調查區(qū)整體位于北東向、北北東向次級斷裂構造影響區(qū)，測區(qū)沒有大的斷裂，由于構造作用結果，大體發(fā)育二組節(jié)理，其中一組產狀90°∠85°，線密度0.7～1條/m，結構面粗糙，無填充，張開度5～6mm。第二組節(jié)理產狀0°∠75°，線密度1～1.5條/m，結構面粗糙，無填充，張開度4～5mm。

3 崩塌基本特征

危巖體主要分布在自然風化形成陡崖區(qū)域，差異性風化與巖體本身不利結構面組合形成多處凹巖腔。2處典型危巖體W1、W2。危巖體W1中，一組節(jié)理，產狀90°∠85°，構成危巖體后緣控制邊界，一組節(jié)理產狀0°∠75°，切割巖體，構成危巖體的側部邊界。兩側緣已經(jīng)臨空，節(jié)理裂隙清晰可見，一直向下延伸，裂縫張開度5～8mm，無充填，裂面較起伏，裂面粗糙。后緣發(fā)育植被，后緣裂隙被粘土。危巖體W2頂部高程1784.5m，底部高程1781m。危巖體高3.5m，寬3m，頂部厚0.8m，體積約8.4m3。主崩方向70°。此處出露的是二疊系中統(tǒng)棲霞組中厚層—厚層灰?guī)r地層，巖層產狀250°∠8°。一組節(jié)理，產狀88°∠84°，構成危巖體后緣控制邊界，另外一組節(jié)理，產狀1°∠76°，切割巖體，構成危巖體的側部邊界。兩側緣已經(jīng)臨空，后緣節(jié)理裂隙清晰可見，裂縫張開度8～12mm，無充填，裂面較起伏，裂面粗糙。后緣發(fā)育植被。底部形成小臺階，為巖體崩落所致。凹腔深度為0.3m。隨著底部泥頁巖進一步風化即凹巖腔深度發(fā)育，將會產生傾倒式破壞。

4 崩塌形成機理

該危巖的形成與地質構造、不利的結構面組合、臨空面條件、植被根劈作用等因素有關。

（1）地質構造：測區(qū)整體位于北東向、北北東向次級斷裂構造影響區(qū)，測區(qū)內無大的斷裂。受構造影響，發(fā)育2組節(jié)理，構成危巖體的界面。其中一組產狀90°∠85°，線密度0.7～1條/m，結構面粗糙，無填充，張開度5～6mm。第二組節(jié)理產狀0°∠75°，線密度1～1.5條/m，結構面粗糙，無填充，張開度4～5mm。

（2）地層巖性：測區(qū)危巖體所在陡崖出露二疊系中統(tǒng)棲霞組中厚層—厚層灰?guī)r，夾10～15cm厚的黑色泥頁巖。由于巖性差異性風化，往往形成凹巖腔，構成危巖體的底部邊界。

（3）植物的根劈作用：在巖體節(jié)理裂隙發(fā)育地方植被較為發(fā)育，使得節(jié)理裂隙寬度及貫通率提高。

（4）降水及風化作用影響：降水一方面滲入裂縫，會降低結構面的力學強度，另外一方面，冬季在低溫影響，水分滲入巖體裂縫產生凍脹作用，也會破壞巖體結構，使裂縫變寬。隨著長時間溶蝕及風化作用，巖體變的更加破碎，下部逐漸松動崩落，從而加劇倒巖腔發(fā)育。

5 穩(wěn)定性分析及發(fā)展趨勢

根據(jù)大量野外調查，結合邊坡地形地貌、巖體結構的特點，獨山小學陡崖處巖體失穩(wěn)模式主要為傾倒式。計算參數(shù)，灰?guī)r飽和重度取26.43kN/m3，自然重度按工程地質手冊取26kN/m3。危巖體抗拉強度取巖石的抗拉強度的0.4倍，取920kPa。根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)程》（GB50330-2013）對結構面的取值，斜坡結構面屬于硬性結構面且結合差，考慮長期風化影響取低值[4]，暴雨狀態(tài)內摩擦角取20°，內聚力取50kPa。天然狀態(tài)內摩擦角取25°，內聚力取80kPa。采用ROCKFAIL進行數(shù)值模擬[5]，結合經(jīng)驗計算方法[6]，模擬危巖體失穩(wěn)后落石運動路徑，計算落石各點的彈跳高度、運動速度、動能等參數(shù)。模擬時按照已失穩(wěn)塊體的實際情況，確定剖面上危巖體實際分布位置、可能的最大失穩(wěn)塊體體積等進行模擬。

經(jīng)驗計算方法：危巖破壞由后緣巖體抗拉強度控制時，按下式計算：

危巖體重心在傾覆點之外時：

危巖體重心在傾覆點之內時：

當危巖的破壞由底部巖體抗拉強度控制時，按下式計算：

式中：h——后緣裂隙深度，m；

hw——后緣裂隙充水高度，m；

H——后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離，m；

a——危巖體重心到傾覆點的水平距離，m；

b——后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離，m；

h0——危巖體重心到傾覆點的垂直距離，m；

flk——危巖體抗拉強度標準值，kPa，根據(jù)巖石抗拉強度標準值乘以0.4的折減系數(shù)確定；

θ——危巖體與基座接觸面傾角，（°），外傾時取正值，內傾時取負值；

β——后緣裂隙傾角，（°）。

經(jīng)過計算，穩(wěn)定性系數(shù)K為1.15～1.27，危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

ROCKFALL模擬后，崩塌危巖體的運動特征見圖1～圖4：

圖1 計算剖面及運動軌跡模擬

圖2 巖塊破壞時下方不同位置平動速度情況

圖3 巖塊破壞時彈跳高度情況

圖4 巖塊破壞時下方不同位置總能量情況

通過模擬分析，落石的最大反彈高度位于距起點27m位置，反彈高度與落石啟動位置的高程、運動路徑坡度、巖性等因素有關，一般危巖體分布越高、下部地層越堅硬，落石反彈的高度越大。根據(jù)模擬，落石滾動距離大于84m，可運動到小溪底部位置，實際上在小溪底發(fā)現(xiàn)不少落石。最大動能位于15.2m位置，最大總動能可達2579kJ；彈跳高度最高在距起點27m位置，彈跳高度6.47m。平動速度在距起點13m位置達到最大值，可達29.5m/s。模擬計算結果與實際情況較吻合。

根據(jù)調查分析，區(qū)內危巖受巖石差異風化及在結構面切割之下形成的危巖體，在巖石差異風化、溶蝕、水的作用下，穩(wěn)定性將會越來越差，最終發(fā)生小規(guī)模崩塌破壞，威脅周邊居民及獨山小學的安全。

6 防治建議

類似于獨山崩塌這一類災害，在喀斯特山區(qū)非常常見。該類崩塌體多處于高陡斜坡，相對高差動輒上百米，且坡度一般大于45°。因施工場地及地形條件等限制，對危巖體采用清除、錨固等手段進行治理時，施工難得大，危險系數(shù)大，因此這類高陡斜坡上的崩塌災害，不宜采用主動防護的方式進行治理。根據(jù)近年設計的一點經(jīng)驗，在弄清崩塌形成機理、運動特征等前提下，由于構造運動及外部營力的共同作用，形成陡峭陡崖，巖石屬于硬質巖石，下部植被不發(fā)育，主要為坡地，落石運動以滾動和彈跳下落為主，最后受能量衰減而停止下來。由Rockfall模擬該類崩塌危巖體的運動軌跡及能量示意圖，可知在坡底低緩地段，危巖體的彈跳高度、沖擊能量、運動速度等均已衰減至最小值。因此，該類崩塌災害的防治工程中，采用“緩坡段攔截”[7]的被動攔擋工程措施，效果明顯。如：被動防護網(wǎng)、落石槽、攔石墻等。以獨山崩塌為例，該崩塌已采用以上被動攔擋措施進行了綜合治理。尤其是在攔石墻的設計中，根據(jù)數(shù)值模擬的結果，結合實際落石調查，在低緩地段設置落石槽，并在槽體以外設置攔石墻、緩沖層及被動防護網(wǎng)，達到了安全防護的目的。

7結論 喀斯特山區(qū)巖溶發(fā)育，巖體抗風化能力弱，節(jié)理發(fā)育，多組巖體結構面相互組合構成穩(wěn)定性較差的危巖體[8]，且多發(fā)育于高陡斜坡上。該類崩塌一旦發(fā)生失穩(wěn)，危險性高，危害性大。該類崩塌多位于高陡斜坡頂部，相對高差大，治理過程中施工難度大。采用實地調查、經(jīng)驗方法計算與數(shù)值模擬相結合的方式，查清崩塌形成機理、運動特征，采取“緩坡地段攔截”的思路，科學合理地對該類崩塌災害進行防治，可達到這類崩塌地質災害防護的要求。

[1]韋啟珍.崩塌落石運動特征分析及應用——以景鷹高速公路為例[D].中國地質大學（武漢），2007.

[2]RitchieAM.Evaluation of Rockfall and its Control.Highway ResearchRecordof USA，Record17，WashingtonD.C.，1963：13-28.

[3]袁志輝.延長縣崩塌的數(shù)值模擬和運動機理研究[D].長安大學，2008.

[4]袁志輝，倪萬魁，陳志新.拉裂式崩塌的運動特征分析——以陜西延長縣為例[J].災害學，2014（4）：21.

[5]賈振華，張永，傅靜雯.危巖崩塌運動軌跡特征的Rockfall數(shù)值模擬研究[J].災害學，2011（8）：69.

[6]梁璋彬.崩塌落石的運動特征研究[D].成都理工大學，2008：57-61.

[7]劉永平，佴磊，李廣杰.某高陡邊坡崩塌落石運動特征分析及其防治[J].水文地質工程地質，2005（1）.

[8]陳洪凱，王蓉，唐紅梅.危巖研究現(xiàn)狀及趨勢綜述[J].重慶交通學院學報，2003（3）：2-4.

P642.21

A

1004-5716(2015)11-0101-04

2015-05-26

李陽春（1984-），男（漢族），湖北武漢人，工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質相關工作。