吳少元

(廈門地質(zhì)工程勘察院，廈門 361008)

近年來，隨著城市逐漸擴張，山地丘陵不斷被擠占，開山建房以及山地公園、礦山公園的開發(fā)利用等等，人工切削形成的高陡邊坡越來越多，山坡巖體及坡上球狀孤石體受到擾動并造成崩塌墜落事件越來越頻繁，對坡下居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)造嚴重威脅。危巖體崩塌的工程治理措施多種多樣，工程造價千差萬別，采用數(shù)值模擬對其失穩(wěn)后的運動特征進行研究，進而采取更加合理可靠、經(jīng)濟可行的工程防護措施，避免過度治理造成不必要的浪費，具有巨大的經(jīng)濟價值。

目前對崩塌落石運動特征的研究，取得了不少的成果。亞南等[1]通過構(gòu)建物理模型并進行落石模擬試驗與數(shù)值模擬分析，對崩塌落石運動路徑、運動能量、彈跳高度等進行了研究。黃潤秋，劉衛(wèi)華等[2～4]基于正交試驗，對可能影響滾石運動特征的6個因素進行了研究與分析，并通過實驗得出樹木對落石具有較好的攔截作用。蘇勝忠[5]在邊坡工程勘察中運用運動學(xué)原理，將實際情況適當簡化后，對崩塌落石的運動特征進行了計算分析。

RocFall軟件通過定義邊坡和落石的相關(guān)基本參數(shù)，對落石在邊坡上的運動軌跡、彈跳高度、沖擊能量等進行數(shù)值模擬與計算，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用[6～8]。利用該軟件進行落石運動軌跡的模擬，對攔石擋墻的合理設(shè)置具有較好的指導(dǎo)意義。

本文通過詳細的野外調(diào)查，對崩塌落石的形成條件、穩(wěn)定性進行研判，采用RocFall軟件進行落石運動的數(shù)值模擬與反演，在此基礎(chǔ)上確定合理且經(jīng)濟可行的工程防治措施，為同類型工程的勘察設(shè)計與防治提供借鑒。

1 地質(zhì)背景條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于廈門市湖里區(qū)雙獅山山腳地帶，低丘陵地貌，地形起伏相對較大，自然坡度一般15°～25°，局部較平緩。坡頂自然坡面植被繁茂，樹木、雜草及灌木發(fā)育，多為相思樹。邊坡系人工采石開挖形成的高陡邊坡，總寬約50 m，坡高19～23.5 m，坡面呈折線型，中上部較陡，總體約70°，下部稍緩，約15°～20°。坡面基巖裸露且未采取支護措施，坡腳修砌有石砌擋土墻，擋墻高約2.5 m，近直立砌筑。擋土墻距坡腳房屋僅為1.5～3 m，坡腳小區(qū)地面高程一般約7.3 m。邊坡曾發(fā)生過巖塊崩塌墜落現(xiàn)象，威脅到坡腳住戶安全。見圖1～2。

圖1 邊坡地形示意圖

圖2 坡面巖石破碎、部分滾落

1.2 氣象水文

研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤，降雨量充沛，多年平均降雨量1 347.6 mm，歷年最大降雨量1 998.6 mm，最小降雨量747.2 mm。

1.3 地層巖性

邊坡表部覆蓋層為坡殘積土，坡體巖性為燕山早期侵入的花崗斑巖。巖體主要結(jié)構(gòu)面為節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，巖體被切割成裂隙塊狀或中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體較破碎，為較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ類。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

影響研究區(qū)場地的區(qū)域性斷裂主要為NW向和近SN向斷裂。NW向斷裂屬壓性、壓剪性斷裂構(gòu)造，總體走向北西320°，傾向北東，傾角70°～85°，斷裂帶由一系列壓性、壓剪性節(jié)理裂隙密集帶組成，巖石破碎，蝕變強烈。近SN向斷裂走向南北，傾向東，傾角60°～85°，斷裂帶巖石破碎，擠壓強烈，壓剪性節(jié)理發(fā)育，為壓性逆沖性質(zhì)[9]。

廈門島屬于閩東南沿海中新生代構(gòu)造活動帶中的相對穩(wěn)定斷塊島嶼，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，但自第三紀以來構(gòu)造無明顯活動跡象，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)[10]。近年來，廈門及周邊地區(qū)的微地震活動較頻繁，但強度都很小。研究區(qū)斷裂自第四紀以來活動逐漸減弱，現(xiàn)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，可不必考慮活動性斷裂的影響。

2 工程地質(zhì)條件分析

2.1 坡體結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 邊坡形態(tài)

邊坡屬巖質(zhì)邊坡，崩塌區(qū)平面上呈半圓弧狀，寬約50 m，總體朝向為南東。邊坡下部坡度總體稍緩，多為邊坡崩塌堆積物，坡度約15°～20°，邊坡中上部坡度較陡，一般約70°，坡面凹凸不平。坡面基巖裸露，巖塊較破碎，曾多次發(fā)生破碎巖塊墜落、沿坡面滾落，塊徑大小不一，最大可達1.0～2.0 m。

2.1.2 節(jié)理裂隙

坡體巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，坡面巖體以碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，局部為大塊狀砌體結(jié)構(gòu)。邊坡受區(qū)域斷裂影響而形成的次一級節(jié)理、裂隙縱橫交錯，較為發(fā)育，邊坡表面層節(jié)理裂隙由于爆破、開挖應(yīng)力釋放等多呈閉合-微張狀，結(jié)構(gòu)面類型為硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)合一般，裂面光滑平整，且多數(shù)節(jié)理裂隙呈閉合-微張狀，充填物很少，部分裂面附近風(fēng)化跡較重，有鐵質(zhì)浸染，但裂面沒有明顯泥化現(xiàn)象。

邊坡節(jié)理裂隙統(tǒng)計玫瑰花圖及傾角分布直方圖詳見圖3、圖4。

圖3 南段邊坡節(jié)理走向玫瑰花圖及傾角分布直方圖

圖4 北段邊坡節(jié)理走向玫瑰花圖及傾角分布直方圖

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水為第四系松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水兩類。

第四系松散巖類孔隙水含水層為坡積粉質(zhì)黏土，富水性貧乏，地下水類型為潛水，其補給來源主要為大氣降水補給排泄條件良好。

塊狀巖類裂隙水的含水層巖性主要為花崗斑巖，富水性及導(dǎo)水性受裂隙控制，具有明顯的區(qū)段性與方向性，富水性不均勻，總體屬弱-微透水，弱含水層。

野外調(diào)查時研究區(qū)地下水位埋藏較深，坡腳未見泉點及常年天然流水。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)觀測資料推測，預(yù)計研究區(qū)范圍內(nèi)全年地下水位動態(tài)變幅約2～3 m。

2.3 巖土體工程地質(zhì)特性

坡殘積粉質(zhì)黏土層：干燥狀態(tài)下多呈硬塑狀，含有少量碎石、塊石，黏性較好，干強度較高，屬于中壓縮性土。分布于邊坡頂部，厚度不大，整體自穩(wěn)性較好，僅靠近坡肩臨空面處可能存在局部土體溜滑現(xiàn)象。

中風(fēng)化花崗斑巖層：力學(xué)性質(zhì)良好，為硬質(zhì)巖，但巖體較破碎，節(jié)理發(fā)育，多數(shù)節(jié)理裂隙面光滑平整，延伸長度大，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般。

2.4 場地地震效應(yīng)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)，邊坡所在場區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計特征周期值為0.30 s。

3 邊坡穩(wěn)定性分析與評價

3.1 影響邊坡穩(wěn)定性的各因素分析

3.1.1 邊坡的形態(tài)特征

邊坡高度較大，達20 m左右，坡度陡峭，坡面呈上陡下緩的折線型，邊坡中上部坡度多大于70°，坡面裸露，隨著坡度和高度的增大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)將逐漸降低。

邊坡開挖時的卸荷、應(yīng)力釋放、爆破震動等因素，會造成表層巖體的松動、開裂變形，在自身重力作用下出現(xiàn)向坡外臨空面的位移變形。

由于人工爆破，南段邊坡中上部個別巖石已松動，疊壘在坡面凸出巖石上，形成危巖體，局部對邊坡的穩(wěn)定性不利。

3.1.2 巖性特征

粉質(zhì)黏土厚度較薄，分布于邊坡頂部，自穩(wěn)性較好。

坡體中風(fēng)化花崗斑巖，塊狀構(gòu)造，巖石較堅硬，但受構(gòu)造與人為爆破影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生崩塌落石災(zāi)害。

3.1.3 巖體結(jié)構(gòu)特征

南段邊坡：根據(jù)南西側(cè)邊坡26條節(jié)理的統(tǒng)計結(jié)果，該側(cè)邊坡優(yōu)勢節(jié)理有5組，產(chǎn)狀分別為：L1：(傾向) 60°∠87°(傾角)，L2：115°∠36°，L3：115°∠87°，L4：70°∠79°和L5：255°∠80°。

北段邊坡：根據(jù)北側(cè)邊坡55條節(jié)理的統(tǒng)計結(jié)果，該側(cè)邊坡優(yōu)勢節(jié)理有6組，產(chǎn)狀分別為：L1：110°∠34°，L2：110°∠64°，L3：170°∠79°，L4：250°∠88°，L5：115°∠60°和L6：160°∠68°。

坡體巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面中的充填物泥化不嚴重，膠結(jié)一般，節(jié)理面的力學(xué)性質(zhì)較一般，因此巖體中節(jié)理裂隙及其與邊坡坡面(臨空面)的相互組合關(guān)系是控制邊坡危巖體穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素。

3.1.4 降雨

研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨季歷時長，多臺風(fēng)暴雨。雨季期間降雨充沛，加之坡面巖石裸露，大氣降水直接進入巖體裂隙結(jié)構(gòu)面，一方面對結(jié)構(gòu)面起潤滑作用，造成了結(jié)構(gòu)面摩阻力的降低；另一方面，增加了巖體裂隙結(jié)構(gòu)面間的孔隙水壓力，增加了巖石的下滑力，對邊坡危巖體的穩(wěn)定性造成了不利影響。

3.1.5 地震及人為震動

地震及人為的爆破作業(yè)震動都可能使危巖體受到橫向作用力而產(chǎn)生崩塌。邊坡在地震時可能發(fā)生坡體巖石崩塌地質(zhì)災(zāi)害，屬于地震危險地段。

綜上分析，巖體結(jié)構(gòu)特征因素是影響本邊坡危巖體穩(wěn)定的最關(guān)鍵因素。

3.2 邊坡穩(wěn)定性評價

本邊坡巖體的穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面與坡面的組合關(guān)系，采用赤平投影法對各坡段的穩(wěn)定性進行分析評價。

3.2.1 南段邊坡

坡面(編號P)產(chǎn)狀為(傾向)65°∠70°(傾角)，從赤平投影圖(圖5)可見：L4與L1、L2、L3節(jié)理所構(gòu)成的三面柱體潛在傾倒式崩塌的可能；L4節(jié)理和L5節(jié)理所構(gòu)成的楔形巖體潛在滑塌失穩(wěn)的可能；L1節(jié)理與L2、L3、L4、L5節(jié)理所構(gòu)成的三面柱體潛在傾倒式崩塌的可能。

圖5 南段邊坡赤平投影圖

圖6 北段邊坡赤平投影圖

3.2.2 北段邊坡

坡面(編號P)產(chǎn)狀為210°∠70°，從赤平投影圖(圖6)，可見：L4節(jié)理與L3、L6節(jié)理所構(gòu)成的三面柱體潛在傾倒式崩塌的可能；L6節(jié)理與L2、L5節(jié)理所構(gòu)成的三面柱體潛在傾倒式崩塌的可能；L4節(jié)理和L1、L2、L5節(jié)理所構(gòu)成的不穩(wěn)定楔形巖體潛在失穩(wěn)的可能。

綜上分析，邊坡失穩(wěn)破壞的形式是以多條結(jié)構(gòu)面和邊坡臨空面組合切割而成的不穩(wěn)定巖塊，沿結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)失穩(wěn)造成崩塌落石，失穩(wěn)的模式主要為沿著外傾較緩結(jié)構(gòu)面的滑塌式墜落和沿外傾高陡結(jié)構(gòu)面的傾倒式墜落。

4 落石運動路徑模擬

4.1 計算剖面的選取

為全面考慮邊坡防護擋墻設(shè)置的合理性，根據(jù)邊坡與坡腳建筑物的距離關(guān)系，選擇3條剖面1-1′、2-2′、3-3′進行模擬計算，剖面分布位置見圖1，坡面形態(tài)見圖7～9。

圖7 1-1′剖面示意圖

圖8 2-2′剖面示意圖

圖9 3-3′剖面示意圖

4.2 計算參數(shù)的選取

通過對現(xiàn)場少量落石試驗運動結(jié)果的反演擬合，并結(jié)合前人的經(jīng)驗總結(jié)，根據(jù)坡面巖性(材質(zhì))的不同，分別對各項參數(shù)進行賦值，見表1。

由于落石失穩(wěn)前的位移為長期積累的過程，其初始速度一般較小，在運用軟件進行計算時，不考慮隨機因素的影響，將落石的初始狀態(tài)進行適當?shù)馁x值，見表2，并假定當速度≤0.01 m/s時，認為落石停止運動。

表1 落石運動參數(shù)表

表2 落石初始狀態(tài)參數(shù)表

4.3 落石運動模擬計算

根據(jù)坡面模型，將坡頂巖石裸露并且破碎的坡段設(shè)定為落石帶，擬定落石數(shù)量為50個進行計算分析。為便于重復(fù)分析研究，落石隨機數(shù)的生成采用偽隨機的隨機數(shù)產(chǎn)生方式。

根據(jù)現(xiàn)場巖石破碎情況，1-1′、2-2′剖面落石質(zhì)量按100 kg，3-3′剖面落石質(zhì)量按10 kg進行模擬計算。

4.3.1 1-1′剖面分析

隨機生成的50個落石的運動軌跡、落石運動終點分布位置、落石彈跳包絡(luò)線見圖10～12。

圖10 1-1′剖面落石運動軌跡圖

圖11 1-1′剖面落石運動終點分布位置圖

圖12 1-1′剖面落石彈跳距坡面高度包絡(luò)線圖

落石彈跳后與坡面垂直距離最高為4.22 m，最高點處位于邊坡下半段(堅硬緩坡段)的中部(X坐標19.50～19.75 m處)。

從以上運動軌跡圖和彈跳高度包絡(luò)線圖可見，坡腳落石平臺段(F-G段，X軸坐標值為23.74～26.50 m)，為擋石墻最佳的修筑位置，該范圍內(nèi)落石彈跳高度分布見表3。

表3 1-1′剖面坡腳落石平臺段(X=23.75～26.50 m)

從總動能包絡(luò)線圖(圖13)可見，100 kg質(zhì)量的落石下落過程中產(chǎn)生的最大總動能為12 023 J，位于坡腳落石平臺段(X坐標26.00 m處)，而后總動能值發(fā)生較大的衰減，由最高值迅速衰減至7 410 J(X坐標26.25 m處)，見表4。

圖13 1-1′剖面落石總動能包絡(luò)線圖

4.3.2 2-2′剖面分析

隨機生成的50個落石的運動軌跡、落石運動終點分布位置見圖14、圖15。

圖14 2-2′剖面落石運動軌跡圖

圖15 2-2′剖面落石運動終點分布位置圖

落石彈跳后與坡面垂直距離最大值為2.66 m，最高點處位于邊坡落石平臺段起點H點附近；從落石平臺中段(X=28.70 m)起，彈跳高度趨于平緩，為0.37～0.44 m，見圖16，表5。

從總動能包絡(luò)線圖(圖17)可見，100 kg質(zhì)量的落石下落過程中產(chǎn)生的最大總動能為6 597 J，位于邊坡中段第二塊石堆積區(qū)(X坐標21.20 m處)。落石平臺段的前半段，總動能仍然較高，后半段(X=29.00 m起)總動能值迅速衰減至2 700 J左右，見表6。

圖16 2-2′剖面落石彈跳距坡面高度包絡(luò)線圖

圖17 2-2′剖面落石總動能包絡(luò)線圖

4.3.3 3-3′剖面分析

隨機生成的50個落石的運動軌跡見圖18。

圖18 3-3′剖面落石運動軌跡圖

從以上模擬生成的運動軌跡圖可見，落石從BC段不同部位失穩(wěn)下落后，沿CD段滾落，至D點時發(fā)生輕微彈跳(彈跳最大高度為0.16 m)后滾動，并最終全部停留于坡腳落石平臺段(D-E段)，最遠停留點為X=12.66 m。落石運動終點分布位置及彈跳高度包絡(luò)線見圖19、圖20，表7。

圖19 3-3′剖面落石運動終點分布位置圖

圖20 3-3′剖面落石彈跳距坡面高度包絡(luò)線圖

X坐標位置/m彈跳高度/mX坐標位置/m彈跳高度/mX坐標位置/m彈跳高度/m9.5026010.9413912.38329.7914011.2311612.67010.0813311.5211812.96010.3613111.816413.25010.6513312.104613.540

圖21 3-3′剖面落石總動能包絡(luò)線圖

從落石總動能包絡(luò)線圖(圖21)可見，10 kg質(zhì)量的落石沿該邊坡下落過程中產(chǎn)生的最大總動能為260 J左右，位于邊坡C-D段X坐標為7.48 m和9.50 m處。在D端點附近總動能值迅速衰減至140 J，并經(jīng)小幅跳躍后再次迅速衰減，最終于12.67 m處停止，見表8。

5 高陡邊坡崩塌落石治理方案比選

地質(zhì)災(zāi)害治理工作應(yīng)貫徹“以防為主，防治結(jié)合”的基本原則，因地制宜，針對不同規(guī)模、破壞后果、治理難度、經(jīng)濟效益等諸多方面進行綜合考慮。

表8 3-3′剖面坡腳落石平臺段落石總動能分布表

5.1 防治方案比選

崩塌落石的防治方式，總體上可概括為主動防護和被動防護兩大類。

考慮到坡腳即為居民小區(qū)，應(yīng)按永久性邊坡來考慮防治方案的選擇，既要技術(shù)可行、安全可靠，又要經(jīng)濟合理、環(huán)保實用。在對坡體工程地質(zhì)條件、危巖體分布特征、失穩(wěn)模式以及落石運動方式與軌跡綜合的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合場地環(huán)境條件，對以下兩種可選方案進行綜合比選，詳見表9。

鑒于邊坡崩塌落石規(guī)模較小，坡腳空間相對較大具備足夠的空間堆積落石，坡腳平臺處與住戶房屋建筑之間有一定的緩沖距離；同時，方案二防護費用投資較少，且施工對邊坡山體植被破壞小。因此，建議采用方案二。

5.2 防護工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)落石運動模擬的分析結(jié)果，確定采用高度為2.0 m的懸臂鋼筋混凝土墻做為攔石擋墻(位置見圖22)，修筑于坡腳落石平臺的靠外側(cè)邊緣或近邊緣，基礎(chǔ)采用人工挖孔樁加巖石抗拔錨桿以防傾覆與滑移；同時，在落石平臺內(nèi)種植高大喬木和套種灌木起共同防護作用。

5.3 防治經(jīng)濟效益對比分析

若采用方案一，初步預(yù)估費用約需250～300萬元，而采用方案二，最終費用僅為90萬元，節(jié)約了150～200萬元。經(jīng)濟性可觀，在同樣防護效果的情況下節(jié)約了資金投入，且后續(xù)無須維護。

通過分析，所選方案技術(shù)可行、節(jié)約環(huán)保、施工周期短，是一項合理有效的最佳方案。

6 結(jié)論

(1) 在野外詳細調(diào)查、穩(wěn)定性綜合分析評價以及少量的現(xiàn)場模擬試驗基礎(chǔ)上，采用RocFall軟件對落石的運動路徑(包括運動軌跡、彈跳高度、沖擊能量等)進行數(shù)值模擬，對崩塌落石的防治具有較好的指導(dǎo)作用。

(2) 雙獅南里邊坡巖體的穩(wěn)定性主要受節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀及組合所控制，受結(jié)構(gòu)面影響存在外傾楔形巖體，形成潛在崩塌落石危巖體；而危巖體失穩(wěn)的模式主要是滑塌式墜落和傾倒式墜落。

圖22 坡腳攔石擋墻設(shè)置位置示意圖

(3) 對于該邊坡落石的防治，在貫徹“以防為主，防治結(jié)合”基本原則基礎(chǔ)上，因地制宜，結(jié)合場地環(huán)境條件，提出了“坡腳修砌攔石墻+種植樹木+坡面危巖體嵌補”的防治方案，技術(shù)可行、經(jīng)濟環(huán)保、施工周期短，既防范了地質(zhì)災(zāi)害，又避免了過度治理，是一項合理有效的最佳方案。