上硬下軟巖層斜坡墜落式崩塌運動過程分析

胡才源，劉秀偉，李小玲

(1.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550004;2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610069)

上硬下軟巖層斜坡墜落式崩塌運動過程分析

胡才源1，劉秀偉1，李小玲2

(1.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550004;2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610069)

崩塌是我國貴州山區普遍存在的一種地質災害，一般威脅到交通運行和居民的安全，多數發生在上硬下軟地層中的特點。崩塌發生模式多為剪切－墜落式，以自由落體、斜坡運動、滾動 －滑動的運動方式為主。運用能量守恒定律和運動學規律來計算崩塌的動能、落距，以此確定地質災害的威脅范圍和危害性。

崩塌;危巖體;地質災害;運動過程;威脅范圍

崩塌是危巖體在重力的作用下，從斜坡體上脫離母巖瞬時失穩發生墜落、滾動等運動方式的地質災害［1］，運動過程與危巖體的力學結構、坡面的形態、坡度有關。作者長期在貴州畢節一帶工作，發現該區對崩塌的研究較少，對其威脅范圍一般憑經驗劃取，為了能更好地確定崩塌地質災害的威脅范圍，提出更合理的防治措施［2－4］。作者通過長期的工作總結發現，該區域崩塌發生地質條件一般是下伏巖層為軟質巖組，即上硬下軟的巖組特征，多為剪切 －墜落式崩塌。作者認為對崩塌的研究建立適用的理想物理模型［5］和實驗模型［6］，并運用指導實踐工作是很有必要的。

1 運動過程分析

危巖體在受重力性疲勞破壞、控制結構面、大氣降雨、震動等作用影響下，易發生崩塌地質災害。對于下伏巖層為軟質巖，如龍潭組(P3l)、飛仙關組(T1f)，其斜坡軟質巖層常被深切割侵蝕，表層松散巖層重新分布，斜坡體坡度在兩巖層接觸面形成明顯的陡緩差異。

圖1 墜落式危巖

根據坡面形狀、運動學原理，危巖體的運動狀態至上到下分為以下3種類型:

1.1 自由落體

危巖體在突然失穩墜落，見圖1，在不與地表接觸，發生的運動過程，遵循自由落體運動規律，初速度 V0=0m·s－1;

式中:V1為自由落體運動末速度，g為重力加速度，取9.8m·s－2，H為垂直位移，t為運動過程所消耗的時間。

1.2 斜拋運動

表1 系數取值表

落石在瞬間碰撞的過程中，其自由落體的末速度分解為垂直坡面和平行坡面的分速度，假設落石不發生滾動，其平行坡面的分速度被摩擦力消耗，以垂直分速度作為下一步計算的合速度。

首先計算碰撞后的速度:

式中:E為碰撞速度恢復系數，其取值見表1［7］，θ為斜坡坡度，Vx為水平速度，Vy為垂直速度。

由運動學原理計算水平距離S1、垂直距離H1和末速度V:

利用賦值法求出 V即可解除 H1、S1。

1.3 滾動和滑動

滾動和滑動與坡面的摩擦系數、斜坡坡度有關。坡向法向方向一般認為為對心塑性碰撞，切向發生的碰撞損失速度的10%［8］，采用功能關系計算其運動過程，即落石的勢能變化與摩擦力做功、落石動能變化量及碰撞損失的能量之和相等:

式中:ΔH=Lsinφ錯誤!未找到引用源。一般地，假設斜坡下部為統一坡度 φ，即 μ=tanφμ=tanφ，當末速度為零時，ΔV最大，即Lconφ為落石的最大水平運動距離

圖2 滾石在自由落體狀態時的初始撞擊模型

2 工程實例

2.1 工程背景

以貴州省威寧縣金斗鄉高田村鄒家巖崩塌地質災害［9］為例(圖3)，該地質災害系自然因素引發，上部巖層為三疊系永寧鎮組(T1yn)的灰巖，下部為三疊系飛仙關組(T1f)的泥質粉砂巖。斜坡坡向200°，垂直高度約200 m，可分為兩段，高程1 525 m至1 675 m為緩坡，坡度30°，高程1 675 m至頂部為陡坡，中部存在一凹形腔，可近似看著垂直。斜坡下方水平距離200～270 m處有60戶277人居住。

進入21世紀以來，隨著英語的普及，關于英語口語的研究也在逐漸深入并呈現多樣化的發展趨勢。雖然口語能力的提升在這十幾年里被不斷地重視，然而無論是對于在校生還是在職的英語學習者，實際的提升效果并不太明顯，很多問題依舊存在，例如：不敢開口說，口語交流只限簡單問候、對話難以深入，口語表達不連貫等。即便是英語專業的學習者在口語交流時也存在語言輸出準確度較低的問題，如時態、詞性、詞序、詞匯選擇和搭配等失誤。此外，在目標語言輸出的流利度和復雜度上也有欠缺。

圖3 邊坡工程地質剖面圖

2.2 運動過程計算

假設危巖體為1 m3的球體，危巖體失穩崩塌可能產生的過程為三個，首先是墜落，即自由落體運動;其次碰撞彈跳，即斜坡運動;最后滾動滑動直至停止。

2.2.1 參數選取

初速度 V0=0m·s－1，自由落體高度 H=72 m，重力加速度 g取9.8 m·s－2，結合現場實際并參照表1，碰撞彈跳過程基巖外露，速度恢復系數 E取0.7。

表2 崩塌落石運動計算結果

2.2.2 計算過程

落石自由落體運動階段，利用公式①計算得歷時2.8 s，V 為 37.6 m·s－1，垂直位移 72 m;

碰撞彈跳階段，利用公式② ～⑧計算得 B值為 58.2，C值為905.1，帶入公式⑨計算得，在 6.7 s的斜坡運動過程中，水平位移為 76.2 m，末速度 35.4 m·s－1，在第一次碰撞后受表層殘積層影響，落石進入滾動滑動階段;

滾動滑動階段一般為小型的彈跳，在此，根據能量守恒計算得:水平方向可能運動位移646 m，垂直方向可能運動位移373 m，落石體才停止。

2.3 結果分析

在該崩塌地質災害的現有條件下，崩塌可能威脅的最大水平距離為722.2 m，而居民居住集中分布在270 m內的斜坡下部，一旦發生崩塌地質災害，必將遭受破壞。在居住房屋南西面約50 m為挖隴溝谷，據現場踏勘，溝谷內殘留有早期落石體，說明崩塌落石威脅至此處，在計算的可能最大水平距離內，也就證明了計算結論的可行性。據此，劃定崩塌威脅范圍沿著溝谷圈閉呈扇形，整體威脅范圍為0.093 km2。

3 結語

對崩塌地質災害防治、威脅范圍的劃定進行半定量的計算，將會大大增加對此災種的認識，有助于提出更為科學合理的治理措施，達到最佳防災減災的目的。但是在這一課題方面，還未總結出完善的崩塌落石評價體系，這對從事地質災害工作的人員來說還是一個挑戰。

［1］唐紅梅，易朋瑩.危巖落石運動路徑研究［J］.重慶建筑大學學報.2003，25(1):17 ～23.

［2］胡厚田.崩塌與落石［M］.北京:中國鐵道出版杜.1998.

［3］楊志法，張路青，尚彥軍.兩個值得關注的工程地質力學問題［J］.工程地質學報.2002，10(1):10 ～13.

［4］張路青，楊志法，許兵.滾石與滾石災害［J］.工程地質學報.2004，12(3):225 ～231.

［5］呂慶，孫紅月，翟三扣，汪慧幫，尚岳全.邊坡滾石運動的計算模型［J］.自然災害學報.2003，12(2):79～84.

［6］何思明，吳永，楊雪蓮.滾石坡面沖擊回彈規律研究［J］.巖石力學與工程學報.2008，27(增 1):2793 ～2798.

［7］林宗元，等.巖土工程勘察設計手冊［M］.遼寧科學技術出版社.1996.

［8］程軍，譚德軍.貴州桐梓水竹灣煤礦危巖崩落運程分析［J］.中國煤炭地質.2008，20(9):36 ～38.

［9］管慶軍.威寧縣金斗鄉高田村鄒家巖崩塌、泥石流地質災害防治可行性研究報告［M］.貴陽，貴州金杉土地資源勘查開發有限公司.2010.

P642.21

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1004－1184(2012)05－0145－02

2012－06－28

胡才源(1987－)，男，貴州畢節人，助理工程師，主要從事地質災害、水文地質等研究。