上硬下软岩层斜坡坠落式崩塌运动过程分析

胡才源，刘秀伟，李小玲

(1.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610069)

上硬下软岩层斜坡坠落式崩塌运动过程分析

胡才源1，刘秀伟1，李小玲2

(1.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610069)

崩塌是我国贵州山区普遍存在的一种地质灾害，一般威胁到交通运行和居民的安全，多数发生在上硬下软地层中的特点。崩塌发生模式多为剪切－坠落式，以自由落体、斜坡运动、滚动 －滑动的运动方式为主。运用能量守恒定律和运动学规律来计算崩塌的动能、落距，以此确定地质灾害的威胁范围和危害性。

崩塌;危岩体;地质灾害;运动过程;威胁范围

崩塌是危岩体在重力的作用下，从斜坡体上脱离母岩瞬时失稳发生坠落、滚动等运动方式的地质灾害［1］，运动过程与危岩体的力学结构、坡面的形态、坡度有关。作者长期在贵州毕节一带工作，发现该区对崩塌的研究较少，对其威胁范围一般凭经验划取，为了能更好地确定崩塌地质灾害的威胁范围，提出更合理的防治措施［2－4］。作者通过长期的工作总结发现，该区域崩塌发生地质条件一般是下伏岩层为软质岩组，即上硬下软的岩组特征，多为剪切 －坠落式崩塌。作者认为对崩塌的研究建立适用的理想物理模型［5］和实验模型［6］，并运用指导实践工作是很有必要的。

1 运动过程分析

危岩体在受重力性疲劳破坏、控制结构面、大气降雨、震动等作用影响下，易发生崩塌地质灾害。对于下伏岩层为软质岩，如龙潭组(P3l)、飞仙关组(T1f)，其斜坡软质岩层常被深切割侵蚀，表层松散岩层重新分布，斜坡体坡度在两岩层接触面形成明显的陡缓差异。

图1 坠落式危岩

根据坡面形状、运动学原理，危岩体的运动状态至上到下分为以下3种类型:

1.1 自由落体

危岩体在突然失稳坠落，见图1，在不与地表接触，发生的运动过程，遵循自由落体运动规律，初速度 V0=0m·s－1;

式中:V1为自由落体运动末速度，g为重力加速度，取9.8m·s－2，H为垂直位移，t为运动过程所消耗的时间。

1.2 斜抛运动

表1 系数取值表

落石在瞬间碰撞的过程中，其自由落体的末速度分解为垂直坡面和平行坡面的分速度，假设落石不发生滚动，其平行坡面的分速度被摩擦力消耗，以垂直分速度作为下一步计算的合速度。

首先计算碰撞后的速度:

式中:E为碰撞速度恢复系数，其取值见表1［7］，θ为斜坡坡度，Vx为水平速度，Vy为垂直速度。

由运动学原理计算水平距离S1、垂直距离H1和末速度V:

利用赋值法求出 V即可解除 H1、S1。

1.3 滚动和滑动

滚动和滑动与坡面的摩擦系数、斜坡坡度有关。坡向法向方向一般认为为对心塑性碰撞，切向发生的碰撞损失速度的10%［8］，采用功能关系计算其运动过程，即落石的势能变化与摩擦力做功、落石动能变化量及碰撞损失的能量之和相等:

式中:ΔH=Lsinφ错误!未找到引用源。一般地，假设斜坡下部为统一坡度 φ，即 μ=tanφμ=tanφ，当末速度为零时，ΔV最大，即Lconφ为落石的最大水平运动距离

图2 滚石在自由落体状态时的初始撞击模型

2 工程实例

2.1 工程背景

以贵州省威宁县金斗乡高田村邹家岩崩塌地质灾害［9］为例(图3)，该地质灾害系自然因素引发，上部岩层为三叠系永宁镇组(T1yn)的灰岩，下部为三叠系飞仙关组(T1f)的泥质粉砂岩。斜坡坡向200°，垂直高度约200 m，可分为两段，高程1 525 m至1 675 m为缓坡，坡度30°，高程1 675 m至顶部为陡坡，中部存在一凹形腔，可近似看着垂直。斜坡下方水平距离200～270 m处有60户277人居住。

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图3 边坡工程地质剖面图

2.2 运动过程计算

假设危岩体为1 m3的球体，危岩体失稳崩塌可能产生的过程为三个，首先是坠落，即自由落体运动;其次碰撞弹跳，即斜坡运动;最后滚动滑动直至停止。

2.2.1 参数选取

初速度 V0=0m·s－1，自由落体高度 H=72 m，重力加速度 g取9.8 m·s－2，结合现场实际并参照表1，碰撞弹跳过程基岩外露，速度恢复系数 E取0.7。

表2 崩塌落石运动计算结果

2.2.2 计算过程

落石自由落体运动阶段，利用公式①计算得历时2.8 s，V 为 37.6 m·s－1，垂直位移 72 m;

碰撞弹跳阶段，利用公式② ～⑧计算得 B值为 58.2，C值为905.1，带入公式⑨计算得，在 6.7 s的斜坡运动过程中，水平位移为 76.2 m，末速度 35.4 m·s－1，在第一次碰撞后受表层残积层影响，落石进入滚动滑动阶段;

滚动滑动阶段一般为小型的弹跳，在此，根据能量守恒计算得:水平方向可能运动位移646 m，垂直方向可能运动位移373 m，落石体才停止。

2.3 结果分析

在该崩塌地质灾害的现有条件下，崩塌可能威胁的最大水平距离为722.2 m，而居民居住集中分布在270 m内的斜坡下部，一旦发生崩塌地质灾害，必将遭受破坏。在居住房屋南西面约50 m为挖陇沟谷，据现场踏勘，沟谷内残留有早期落石体，说明崩塌落石威胁至此处，在计算的可能最大水平距离内，也就证明了计算结论的可行性。据此，划定崩塌威胁范围沿着沟谷圈闭呈扇形，整体威胁范围为0.093 km2。

3 结语

对崩塌地质灾害防治、威胁范围的划定进行半定量的计算，将会大大增加对此灾种的认识，有助于提出更为科学合理的治理措施，达到最佳防灾减灾的目的。但是在这一课题方面，还未总结出完善的崩塌落石评价体系，这对从事地质灾害工作的人员来说还是一个挑战。

［1］唐红梅，易朋莹.危岩落石运动路径研究［J］.重庆建筑大学学报.2003，25(1):17 ～23.

［2］胡厚田.崩塌与落石［M］.北京:中国铁道出版杜.1998.

［3］杨志法，张路青，尚彦军.两个值得关注的工程地质力学问题［J］.工程地质学报.2002，10(1):10 ～13.

［4］张路青，杨志法，许兵.滚石与滚石灾害［J］.工程地质学报.2004，12(3):225 ～231.

［5］吕庆，孙红月，翟三扣，汪慧帮，尚岳全.边坡滚石运动的计算模型［J］.自然灾害学报.2003，12(2):79～84.

［6］何思明，吴永，杨雪莲.滚石坡面冲击回弹规律研究［J］.岩石力学与工程学报.2008，27(增 1):2793 ～2798.

［7］林宗元，等.岩土工程勘察设计手册［M］.辽宁科学技术出版社.1996.

［8］程军，谭德军.贵州桐梓水竹湾煤矿危岩崩落运程分析［J］.中国煤炭地质.2008，20(9):36 ～38.

［9］管庆军.威宁县金斗乡高田村邹家岩崩塌、泥石流地质灾害防治可行性研究报告［M］.贵阳，贵州金杉土地资源勘查开发有限公司.2010.

P642.21

B

1004－1184(2012)05－0145－02

2012－06－28

胡才源(1987－)，男，贵州毕节人，助理工程师，主要从事地质灾害、水文地质等研究。