西藏玉龙铜矿崩塌落石运动特征及数值模拟研究

陈跃

（华北有色工程勘察院有限公司，石家庄 050021）

1 引言

斜坡上已有变形迹象，具有失稳破坏征兆的岩块体，称为危岩，而危岩的失稳过程亦被称为崩塌［1]。崩塌一般发生在坚硬岩地区的高陡边坡，其形成机制往往是河流切割或人工开挖形成的高陡边坡在卸荷作用下的应力重分布后，在边坡卸荷区内形成裂缝，同时与其他节理裂隙或结构面组合逐步贯通形成危岩体，从而在地震或爆破震动、降雨等其他外力作用下导致危岩体突然脱离母体，翻滚、坠落下来。由于多种因素的影响，多山地带的崩塌落石事件一般都具有多发性、突发性、随机性等难以预测的规律，对交通线路、建筑设施及人身安全都具有极大的危害。根据危岩失稳破坏的可能性，可将危岩分为坠落式危岩、倾倒式危岩和滑移式危岩［1]。唐红梅等［2]对危岩落石的运动路径进行了研究，获取了各个阶段的运动方程；陈洪凯等［3]对危岩体进行了分类研究，同时对其破坏机理和不同类型危岩体的锚固方法进行了研究；秦志英等［4]、何思明等［5]对崩塌落石运动过程中的碰撞恢复系数进行了分析；黄润秋等［6－7]根据现场试验对落石的启动方式、斜坡坡度、坡面长度、植被特征及落石质量和形状等指标进行了分析，这些研究对认识崩塌落石的特征及对其防治具有实际意义。因此，研究危岩的特征、形成机制，崩塌落石的运动路径、速度及能量大小是进行崩塌落石防护设施合理设计的当务之急。

本文以西藏玉龙铜矿的运矿道路两侧的危岩灾害为实例，通过现场调查研究对该道路的危岩特征及形成机制进行分析，并建立地质模型，通过Rockfall数值软件模拟落石的运动轨迹，得到其速度及能量大小，并对道路两侧危岩的防治提出相应的建议，为今后对崩塌落石加深认识和整体防治提供理论依据。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

玉龙铜矿位于西藏自治区昌都地区江达县青泥洞乡觉拥村玉龙沟内，西距昌都140 k m，东至江达县80 k m，距成都1 150 k m，国道317线从场地南侧约2.2 k m处通过，矿区公路在玉龙沟沟口与国道317线相连，交通较方便，工作区交通位置见图1。工作区位于青藏高原东南角的金沙江与澜沧江之间的宁静山脉北段，山脉、山系多呈北北西－南南东方向排列，地形切割程度中等至强烈，运矿胶带道将连接玉龙铜矿采矿区与厂房，该范围内地形高差较大，海拔高程在4 506～4 765 m间，两侧山坡地形较陡竣。工作区地貌属于“青南藏东川西高原区”，地貌类型以高山构造剥蚀地貌类型为主，构造侵蚀－溶蚀地貌、侵蚀堆积地貌及冰川地貌次之。

2.2 地层岩性

本次研究工作区及周边的地层岩性较单一，运矿道路两侧山体斜坡出露的地层为上三叠统阿堵拉组（T3a）灰岩和波里拉组（T3b）泥质页岩及泥质粉砂岩，表部位第四系残坡积物（Qel＋dl），未见侵入岩出露。现由老至新分述如下：

图1 交通位置图

（1）上三叠统阿堵拉组（T3a）灰岩：灰黑色－灰白色，隐晶质结构，块状构造，主要矿物成分为方解石，节理裂隙发育，中风化至强风化，主要分布于坡顶部分地段。

（2）上三叠统波里拉组（T3b）泥质粉砂岩：灰色－灰黑色，粉砂质结构，块状构造，主要矿物成分为石英及长石，节理裂隙发育，强风化，主要分布于边坡中下部及沟谷处。

（3）上三叠统波里拉组（T3b）泥质页岩：灰黑色，泥质结构，薄层状构造，主要矿物成分为黏土矿物，节理裂隙发育，强风化，泥钙质充填，主要夹于泥质粉砂岩中。

（4）第四系残坡积（Qel＋dl4）的碎石土：杂色，松散－稍密，稍湿，主要组成为残坡积灰岩碎屑，主要粒径10～40 mm，充填粉土，土质不均。

2.3 区域地质构造

工作区的整个大区域内主要发生过6次构造运动。加里东运动使元古界与古生界奥陶系呈不整合接触；华力西运动使泥盆系与下伏地层呈不整合接触；第三次构造运动使部分地区下、中三叠统缺失和岩浆活动；澜沧运动造成地壳褶皱变形使得上三叠统与下伏地层呈角度不整合接触；印支运动使地壳沉降与上升，造成上三叠统厚大沉积和中下侏罗统变薄和缺失；喜马拉雅运动使北西向构造框架最后定型。区内主要区域性构造为压扭性觉涌断裂和宗拉夷向斜。

3 场地边坡特征及稳定性分析

3.1 边坡特征

由于区域构造运动频繁，特别是喜马拉雅运动所引起的地层强烈挤压、抬升以及断裂的走滑、拉张，使场区内虽然无大的区域构造分布，但裂隙构造发育。由于边坡的潜在危岩落石主要出现于近坡顶处的灰岩地层，在此仅说明灰岩区的4组裂隙发育状况，情况如下：（1）裂隙L1，产状为275°∠73°，宽度为2～20 mm，延伸长20～130 cm，裂隙率为2～3条／m，裂面平直光滑，大都呈闭合状，少量微张，充填物为粘性土、灰岩；（2）裂隙L2，产状为225°∠65°，宽度3～20 mm，延伸长10～210 cm，裂隙率为2～5条／m，裂面大都较平直、少数闭合至微张，充填物为粘性土；（3）裂隙L3，产状为145°∠73°，宽度5～20 mm，延伸长30～120 cm，裂隙率为2～5条／m，裂面较平直，多呈张开状，部分闭合，充填物为粘性土；（4）裂隙L4，产状为75°∠68°，宽度5～20 mm，延伸长30～160 cm，裂隙率1～8条／m，裂面较平直，多呈张开状，部分闭合，充填物为粘性土。

3.2 危岩特征及形成机制

边坡因存在构造结构面，长时间临空岩体的卸荷作用等因素将岩体后缘的节理结构面和裂隙逐渐形成贯通面，从而在坡面形成了大块的危岩体，局部已崩塌掉块形成了凹腔，在本次研究区主要存在滑移式危岩体（图2）。由于边坡开挖形成高陡临空面，且发育一组中－陡倾外光滑裂隙面，岩体沿该光滑面向临空方向发生滑动，脱离母岩，形成崩塌落石。危岩主要分布于边坡的中上部陡壁处，分布和形态不规则，单块体积较大的和较完整的为危岩体，单块体积较小、分布集中、数量多的为危岩带。

图2 玉龙铜矿运矿道的潜在滑移式危岩落石

表1 各危岩带描述及稳定性判别

经现场调查，危岩体（带）有4处，主要危岩受到卸荷裂隙和构造裂隙的影响，岩体完整性较差，在降雨、地震或卸荷作用下，易产生崩落现象，危岩体最大规模约为20 m3，其余为零星小危岩体，直径约为10～20 cm，分布高程约在45 m，基岩边坡坡度近于65°～85°，而残坡积物段坡度为对位于边坡下部的运矿道路威胁性极大。通过野外调查，分析边坡基本特征、危岩特征及滑移式崩塌类型，认为研究区的4个危岩带的稳定性描述如表1（不利工况为暴雨、地震作用）。

4 危岩落石数值模拟分析

在落石运动轨迹分析时，本研究采用Rockfall分析软件对危岩落石的运动过程进行模拟，分析落石在坡面运动过程中冲击能量、弹跳高度及运动速度的变化，为工程防治提供直观有效的指导依据。

4.1 落石运动参数确定

采用Rock Fall软件对危岩落石的运动轨迹进行数值模拟时，需要做出如下假设：边坡的坡面是由若干段折线连接而成的；落石的形状为质量分布均匀的球体；落石及坡面均为各向同性弹塑性体；不考虑崩塌落石之间的水平相互作用力；忽略空气的作用力；落石碰撞后不发生碎裂，形态保持完整。

对于落石的运动路径运用Rockfall软件进行模拟，需考虑落石的体积和密度、坡面形态、坡面滑动和滚动摩擦系数（φ）等，同时需考虑法向阻尼系数（Rn）和切向阻尼系数（Rt）。落石基本位于边坡40 m的高度，在边坡中AB段表面为灰岩，BC段表面为砂岩夹页岩，基本为裸露基岩，则选择Rn＝0.35，Rt＝0.85，φ＝30°，选择的而CD段表面为残坡积物与草植被，则选择Rn＝0.30，Rt＝0.80，φ＝30°，同时危岩体物理力学参数如表2所示。

表2 危岩体（灰岩）物理力学性质统计表

4.2 落石运动轨迹分析

经现场调查，发生崩塌破坏的危岩体虽然整体规模较大，但受节理裂隙切割，启动后多破坏分解成为小块体，破坏后的岩体大部分在10 m3以下，危岩体距运矿道路的高度约为45 m，且危岩体的岩性都为灰岩。本次数值模拟落石的原始数量设为50个，体积为10 m3来进行计算，其他参数见表2。

图3 落石模拟的运动轨迹图

从图3对落石运动过程的数值模拟结果可知，落石开始在坡面滚动，值坡度较陡区域发生跳跃和碰撞，落石全部到达运矿道路位置，并分布于运矿道路下侧的沟谷内。在运矿道路附近落石的最大动量为47 000 kJ，同时在运矿道路附近的落石弹跳高度约为0.7～0.8 m（图4）。

图4 落石运动模拟的结果

5 崩塌落石防护处治设计

（1）主动处治

对于裂隙宽张，后缘裂隙张开，结构面贯通，已基本脱离母岩、易崩落下滑且难以锚固的危岩体应予以清除。对于裂隙张开度较大，整体基本稳定的，宜采用锚杆锚固、裂隙灌浆等措施加固欠稳定的部位，闭合裂隙，整体加固危岩体。

（2）被动防护

对于零星落石难以彻底清除段，可在本研究区结合地形条件选择主动柔性防护网（SNS防护网）覆盖于危岩带，限制危岩的剥落或浅表的崩落来进行防护；或者选择被动柔性防护网，在运矿道路里侧设置被动柔性防护网，其抗冲击性能和高度需满足落石在该处的动能及弹跳高度的要求。

6 结论

（1）西藏玉龙铜矿地区位于构造复杂地区，且复杂的构造作用形成高陡边坡，潜在的崩塌落石对矿业运输道路具有重大的安全隐患。

（2）通过数值模拟认为本研究区的落石在运矿道路附近的弹跳高度为0.7～0.8 m，总动能达到47 000 kJ。

（3）对潜在崩塌落石可进行清除或加固措施，或者采用防护网技术对落石进行防护，以达到减轻落石灾害的目的。

［1]胡厚田.崩塌与落石［M].北京：中国铁道出版社，1989.

［2]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.

［3]陈洪凯，唐红梅，胡明，等.危岩锚固计算方法研究［J].岩石力学与工程学报，2005，24（8）：1321－1327.

［4]秦志英，陆启韶.基于恢复系数的碰撞过程模型分析［J].动力学与控制学报，2006，4（4）：294－298.

［5]何思明，吴永，李新坡.滚石冲击碰撞恢复系数研究［J].岩土力学，2009，30（3）：623－627.

［6]黄润秋，刘卫华，周江平，裴向军.滚石运动特征试验研究［J].岩土工程学报，2007，29（9）：1296－1302.

［7]黄润秋，刘卫华.滚石在平台上的运动特征分析［J].地球科学进展，2008，23（5）：317－523.