老河口市紅層邊坡崩塌危巖體運動軌跡及沖擊能量分析

常亮CHANG Liang；平明明PING Ming-ming；周艷松ZHOU Yan-song；肖宇煌XIAO Yu-huang；易春瑤YI Chun-yao；楊穎YANG Ying；楊登YANG Deng；文美霞WEN Mei-xia；楊虎成YANG Hu-cheng；孫亮SUN Liang

（①資源與生態環境地質湖北省重點實驗室（湖北省地質局），武漢 430034；②湖北省地質環境總站，武漢 430034；③湖北省協誠交通環保有限公司，武漢 430050；④湖北省生態環境廳恩施州生態環境監測中心，恩施 445000；⑤湖北省地質實驗測試中心（國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心），武漢 430000）

0 引言

老河口市境內紅層主要分布于老河口市西北部洪山嘴鎮。由于城鎮房屋和道路交通建設，集鎮留下較多的紅層高陡邊坡，受多組結構面切割形成危巖體。據調查，洪山嘴鎮在紅層內發育6 處崩塌，占集鎮災害點數的24%，威脅124 人、資產7499.48 萬元。針對洪山嘴鎮特殊的紅層地質條件，開展變形破壞模式的研究，有針對性地提出集鎮地質環境開發利用建議，為集鎮的可持續發展提供基礎支撐。程強等將近年來紅層軟巖地區工程建設中的主要巖土工程問題進行了系統的分類，為紅層地區公路建設邊坡穩定性評價及防護技術提供了參考[1]。

1 地質環境條件

1.1 地形地貌

洪山嘴鎮地處南陽盆地邊緣，地勢北高南低，地形分為丘陵、崗地、平原三種地形。境內最高點三尖山位于肖灣村薛溝，海拔462m；最低點唐家洲位于太山廟村，海拔91m。

1.2 地層巖性

老河口市境內出露地層在洪山嘴鎮幾乎全部涵蓋，從北至南依次出露奧陶系、寒武系、震旦系、第三系和第四系。

1.3 地質構造

研究區內斷裂、褶皺構造未發育在第三系地層中，故本次選取對紅層巖體影響顯著的節理裂隙進行研究。在研究區內選取基巖露頭較好、節理裂隙發育較好且方便人工測量的地點進行節理裂隙特征統計，選取地點為漢丹鐵路切坡坡腳未護坡處。

由裂隙統計可見，泥質砂巖具有密度大、規模小，延伸短的特點，在降雨沖刷和風化卸荷作用下，易剝落形成凹巖腔，導致上覆泥質灰巖底部懸空，泥質灰巖裂隙發育密度相對較小，其主控結構面延伸較長，易貫穿該巖層組成的危巖體形成崩塌。同樣在砂巖中，裂隙發育密集，各種斜傾互交的結構面（含巖層層面）互切巖體，使巖體呈塊裂狀，降雨沿邊坡表面裂隙滲入，極易使邊坡失穩。

2 紅層邊坡特征

研究區內紅層主要為第三系玉皇頂組（E2y）沉積的一套紫紅、棕紅色和雜色的砂巖、粉砂巖、砂礫巖、泥質粉砂巖及泥質灰巖。紅層具有巖體強度低、工程性質差、透水性差、親水性強、浸濕后巖體強度降低、失水后容易產生崩解等特征，其分布面積廣，在洪山嘴鎮艾家溝村至蘇家河村直接露頭，洪山嘴村屋后切坡處見有露頭，研究區地層發育平緩，巖層傾角普遍小于5°，近水平層狀。巖性組合以互層為主，總體呈“軟硬巖互層”的特征。

3 成因分析及破壞機理

3.1 成因分析

區內崩塌發生的構造條件和巖體內發育結構面的傾向、傾角、發育程度以及各結構面之間的組合關系有著密切聯系。根據野外數據顯示，泥質灰巖內主要發育結構面3 組，泥質砂巖內主要發育結構面4 組（表1），并制作主要結構面典型赤平投影進行分析（圖1、圖2）。

圖1 泥質灰巖結構面赤平投影

表1 主要結構面統計表

泥質灰巖中的L1、L2 結構面組合交棱線順傾坡外，且傾角小于坡度角，組成外傾坡腳的楔形體，為不利組合形式，L3 反向切割形成危巖的基座。3 組結構面的組合對危巖體的穩定性極為不利。

泥質砂巖中發育的4 組結構面密度多在4～7 條/m，在重力和降雨的作用下，坡體上易形成長約2～4cm、寬1～3cm、厚1.5～4cm 的碎粒、碎塊剝落。

3.2 破壞機理

由上述成因分析可知，邊坡中泥質砂巖風化作用強烈，裂隙發育，在邊坡開挖形成后未及時進行防護的段落易發生不同程度的風化剝落現象，破壞過程可分為：風化-泥質砂巖剝落-形成巖腔-泥質灰巖落石-坡面線后退-風化，如此循環，坡面線逐漸后退，坡腳風化堆積物逐漸加寬加厚形成松散堆積體。同時裂隙發育的產狀導致凹巖腔進一步演變成傾倒或錯斷式崩塌，傾倒式破壞過程可以概括為：后緣陡傾裂隙貫通-下部巖腔形成-危巖體重心向外-發生傾倒崩塌，錯斷式破壞過程可概括為：后緣裂隙發育-下部巖腔深度切過裂隙面-裂隙逐漸貫通-危巖體發生墜落。

4 邊坡崩塌安全距離研究

崩塌落石的運動距離是劃分安全范圍的重要依據[2]。如前述，洪山嘴鎮廣泛發育的危巖帶是影響集鎮安全的主要地質問題之一，為科學合理地劃分洪山嘴鎮危巖崩塌的影響范圍，本文選取典型互層的泥質砂巖、泥質灰巖組成的陳零溝崩塌II 作為研究對象，采用崩塌落石統計分析軟件Rockfall 對落石的運動特征進行計算模擬。

4.1 邊坡幾何模型建立

利用陳零溝崩塌II 剖面圖建立模型分析，邊坡幾何模型如圖3 所示。其中剖面穿過位于一級陡崖的崩塌（危巖）帶和二級陡坡段，且該剖面頂部局部危巖體已經崩落。

圖3 陳零溝崩塌II 模型

4.2 地表（坡面）巖性材料

斜坡地表巖性條件將直接影響崩塌落石的運動規律和特征，RockFall 模擬軟件對各種材料的切向、法向阻尼系數劃定了取值范圍。根據剖面地層巖性及地表材料特征，將陳零溝崩塌II 模型地表材料從上至下依次設置為基巖表面、光滑堅硬的表面、無植被的崩塌堆積體、植被稀少的土質邊坡和柏油路面5 種材料，材料參數最終取值如表2 所示。

表2 邊坡地表巖性材料

4.3 崩塌落石初始運動條件

崩塌落石的初始運動條件包括其起動位置、質量和初始速度（水平和垂直）。在本次計算中，崩塌落石的起動位置設置在二級陡崖處；落石質量根據其天然密度和已發生的最大崩塌體積（假設整塊崩落）求得，即泥質灰巖為2570（kg/m3）×12（m3）=30840（kg）；考慮危巖在自重作用下失穩破壞，因而其初始水平和垂直速度均設為0。

4.4 運動軌跡和沖擊能量分析

根據野外實測得到的崩塌模型及泥質灰巖和地表巖性材料計算參數，采用Rockfall 軟件能量分析法進行滾石運動軌跡和沖擊能量的分析（圖4）。

圖4 滾石在B 點處的沖擊與回彈

體積12m3的滾石從A 點垂直落體，接觸坡面滾動加速后，以入射角37°入射坡面B 點后發生彈跳，此時塊石速度4.52m/s，動能360kJ，彈跳飛出角度12°，在空中飛行軌跡為拋物線；飛行1.7m 后，沖擊到坡面C 點處，撞擊C點處時各項瞬時數據達到最大值，塊石速度18.66m/s，動能6680kJ；撞擊C 點后能量快速得到釋放，各項數據值急劇下降，動能1146kJ，速度7.6m/s，彈跳高度2.08m；塊石繼續向坡腳滾動，在D 點處塊石能量消散。根據區內節理裂隙切割巖體情況，崩落塊石直徑降至0.3～0.8m，取被切割后可能形成的塊石進行最大影響距離分析（表3），能更加準確地判斷該區域崩塌的影響范圍。

表3 研究區滾石沖擊能量綜合預測

4.5 崩塌落石危害區域

Rockfall 模擬軟件在進行落石運動分析時，采用了隨機數生成方法，即默認50 塊巖石（崩塌落石）從同一起始點開始運動，以此來考慮落石運動過程中的隨機性，從而求得落石運動特征的統計學規律。

在落石運動特征分析中，最重要的運動特征參數是落石的水平運動距離，它是預測崩塌影響范圍的直接依據[3]。圖5、圖6 為落石水平運動距離統計分布圖，從圖中可以看出，多數落石的最大水平運動距離在15m 左右，最遠的運動距離接近32m，與現場調查在坡腳處一塊徑0.8m 的塊石距危巖體的距離較為吻合。漢丹鐵路沿線危巖帶和下方居民建筑之間的水平距離分別為31.2m、36.9m，即沿線危巖體直接威脅平臺處的漢丹鐵路和下方居民建筑安全，不威脅S302 省道及省道過往行人和車輛。

圖5 陳零溝崩塌II 落石運動軌跡圖

圖6 落石水平運動距離統計分布圖

5 防治建議

泥質砂巖、泥質灰巖互層邊坡主要分布在洪山嘴鎮西側漢丹鐵路沿線，此區域邊坡高差大，沿線最小安全距離為32m，變形破壞模式為落石、傾倒式和錯斷式，變形規模有限，受鐵路沿線施工條件限制，此區域防治手段可采取以下幾種：①專業監測，主要監測泥質灰巖形成的危巖體。②輔以工程防護，對局部風化程度高、裂隙發育的泥質砂巖段進行噴漿護坡；對較不穩定的泥質灰巖段采用主動防護網對其圍護、加固。

6 結論與建議

①經過危巖段邊坡特征分析，研究區崩塌主要發育在泥質灰巖邊坡中，危巖塊結構類型主要為楔形體，邊坡破壞模式主要為落石、傾倒式和錯斷式。②運用Rockfall 軟件對滾石運動軌跡和沖擊能量進行了模擬，在墜落過程中，巖塊受斜坡影響運動軌跡存在跳躍、彈跳型墜落。③危險性評估及防治建議：經計算得出典型坡面滾石運動軌跡，確定落石的影響范圍最遠可到邊坡坡腳32m 處。受鐵路沿線施工條件限制，此區域防治手段建議以專業監測為主，局部輔以工程防護。