蒙西至華中鐵路某崩塌落石的穩定性及運動特征分析

張志民

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 崩塌區的地質條件

崩塌所處區域地貌單元屬低山丘陵區，主體山脈大致呈南北走向，支脈向東西方向展布，整體地勢西北高東南低，最高海拔高程約750 m，最低海拔高程約400 m。地貌受構造及巖性控制明顯，兼有剝蝕、侵蝕、溶蝕類型。地形起伏較大，自然坡度一般20°～30°，局部山高坡陡，溝谷深切，陡峻成崖，自然坡度達70°。

崩塌區域地層較為簡單，上覆第四系全新統坡殘積碎石土、細角礫土、黏土、粉質黏土，下伏石炭系中上統灰巖夾泥灰巖。

受斷裂構造擠壓影響，褶皺構造發育，石炭系中上統地層組成有代表性的向斜和背斜，在向斜和背斜之間又發育次級向斜、背斜。總的看這些向斜、背斜軸線走向方向呈NE分布，軸面產狀較陡，有的近乎直立，兩翼基本對稱。本危巖落石體位于區域背斜的軸部附近，且受附近多條斷層影響，巖層較破碎，坡體較陡。

2 崩塌落石的基本特征

崩塌位于河谷斜坡區， 崩塌體坡腳高程530 m，頂部高程約600 m，相對高差約70 m。發生崩塌落石的山體總體呈上陡下緩，上部基巖裸露形成較陡高的臨空面，坡度約70°；下面坡體坡度約50°，大部分基巖裸露，可見少量植被和灌木叢，坡腳以下為洪積扇，扇體坡度約15°～20°。

灰巖夾泥灰巖呈層狀產出，基巖松散破碎，呈碎塊狀，坡面基巖主要發育3組節理裂隙，將巖體切割呈塊體狀，受構造運動、風化作用的影響形成危巖，在自重及卸荷作用下產生落石，這些裂隙是發生危巖落石的主要結構面。危巖受構造影響及灰巖與泥灰巖的差異風化形成的結構特征，是崩塌落石形成的基本條件；崩塌山體坡度陡、相對高差大是崩塌落石形成的空間條件，也是該崩塌落石形成的必要條件之一。

崩塌坡角距蒙西至華中鐵路約20 m，主崩方向正對擬建線路，在暴雨或地震誘發作用下陡坡上的巖體向下崩落，將直接危害擬建鐵路的建設及運營安全。

3 崩塌落石穩定性分析評價

陡坡上分布的危巖塊體的穩定性評價，采取以定性分析為基礎，以定量計算為重要輔助手段進行綜合分析評價[1，2]。

3.1 穩定性定性分析

通過野外實地勘察，坡面上的危巖塊體經3組裂隙切割后各部分和穩定巖體間均有裂隙分開，部分巖體已經輕微外傾，野外判斷其處于臨界穩定狀態。選取一處代表性危巖塊體，通過室內赤平投影分析，其不利結構面組合交線的傾向與坡面傾向一致，但傾角小于坡面傾角，分析結論為不穩定狀態(如圖1所示)。

圖1 危巖赤平投影分析

3.2 穩定性定量分析

在不利因素作用下，陡崖分布的危巖體相對穩定狀態發生重心偏移，將以底面一點為轉點發生轉動失穩。取某危巖塊體為例，其三組節理裂隙貫通，危巖塊體下的泥灰巖風化內凹，繼續風化將使巖體部分臨空呈傾墜趨勢。設X、Y表示危巖體各點的坐標，由圖2中可知，XD-XC<0、XA-XB<0，其穩定系數按傾倒式崩塌穩定性公式[1，3]計算。

圖2 危巖受力示意

根據公式可計算出危巖體加固前及加固后的穩定性系數及設計的錨固力、距傾倒轉點的距離及錨固角度。分析的危巖體體積為3.7 m3，體積較小，所以不考慮對其進行錨固的治理方案，且危巖體裂隙貫通，不考慮抗拉應力作用，則穩定性計算公式簡化為

(2)

其中：

(XD-XB)(YA-YC)]

(3)

(5)

式中，W為危巖塊體重力/kN；a為傾倒轉點至重力延長線的垂直距離/m；U為靜水壓力/kN；hu為靜水壓力的力臂/m；F為水平地震力/kN，由F=Wξ計算，ξ為水平地震影響系數；c為水平地震力相對傾倒轉點的力臂/m。

荷載組合采取自重+孔隙水壓力+地震力的最不利情況，灰巖重度為27 kN/m3，水平地震影響系數ξ取0.28，計算的穩定性系數K=0.91，處于不穩定狀態。

4 落石的運動特征

落石在傾倒下墜過程中，遇到傾角較大且基巖裸露的坡面，就會發生碰撞彈跳，這種碰撞屬于非彈性碰撞。計算模型[7]采用規范[4]中的方法及推薦的法向恢復系數與切向恢復系數來分析危巖失穩后的運動軌跡。建立模型時，參考已有現場試驗研究成果[5]，采用粒徑為1 m的塊石進行計算(如圖3所示)。

圖3 落石彈跳碰撞分析模型

(6)

落石的速度在碰撞處存在如下坐標轉換關系

(7)

當第i次與第i+1次碰撞的位置位于坡面的同一折線段時，根據拋物運動基本公式可求得兩次碰撞的間隔時間

(8)

結合巖質邊坡基巖裸露及植被的情況，分析時落石與邊坡間法向接觸系數取0.36，落石與邊坡間的切向接觸系數取0.84。

a=Bg(sinαLj-μcosαLj)

(9)

由能量守恒定律，滾滑運動的落石在斜坡折線段的任意處速度Vt可由如下公式計算

(10)

經分析計算，落石最終滾落的位置距邊坡坡腳的水平距離S=42.2 m。

落石在坡面折線段L2與L3相交處的動能最大，其動能可用如下公式計算[9]：

(11)

式中，ET為落石平動動能(J)，Vi為防護結構設置位置落石運動速度(m/s)。落石最大動能為5 185.29 kJ。根據以上公式，可以計算出擬建防護結構位置處落石的動能，以指導防護結構的設計。

5 結束語

根據危巖體的實際情況，危巖治理可采取加固或防護的方案，通過對其穩定性及運動特征的分析，可以計算加固或防護的設計參數。由于影響危巖落石運動因素很多，運動形式復雜，建立的平面運動模型不能完全實際反映落石的運動軌跡，且危巖與碰撞點的碰撞系數選取的人為主觀因素影響較大，經過計算的危巖落石動能和運動距離還需參照相似的試驗進行修正，必要時要輔以一定范圍內的現場試驗，以確定更加合理的計算模型和參數選擇，使設計人員可以進行經濟、有效、合理的危巖加固和防護結構設計。

參考文獻

[1] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2007

[2] 劉傳正.地質災害勘查指南[M].北京:地質出版社，2000

[3] 董捷，宋緒國，許再良，等.基于平面坐標系統的傾倒式危巖穩定性研究[J].鐵道標準設計，2012(9)

[4] 鐵道第四勘察設計院.鐵路特殊路基設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2007

[5] 黃潤秋，劉衛華，周江平，等.滾石運動特征試驗研究[J].巖土工程學報，2007，29(9)

[6] 葉四橋，唐紅梅，祝輝.基于落石運動特性分析的攔石網設計理念[J].巖土工程學報，2007，29(4)

[7] 董捷，宋緒國，許再良.沈丹客運專線本溪隧道出口落石影響范圍研究[J].鐵道建筑，2012(9)

[8] 呂慶，孫紅月，翟三扣，等.邊坡滾石運動的計算模型[J].自然災害學報，2003，12(2)

[9] 陽友奎，周迎慶，姜瑞琪，等.坡面地質災害柔性防護的理論與實踐[M].北京:科學出版社，2005