喀斯特山区崩塌落石运动特征分析——以贵州省六盘水市独山崩塌为例

李阳春，杨麒麟

（贵州省地质环境监测院，贵州贵阳550004）

喀斯特山区崩塌落石运动特征分析
——以贵州省六盘水市独山崩塌为例

李阳春*，杨麒麟

（贵州省地质环境监测院，贵州贵阳550004）

喀斯特山区岩溶发育，在高陡岩质斜坡中，崩塌灾害极发育，具有突发性、高速度、难预测等特点[1]。崩塌体在重力作用下，从高陡坡突然加速崩落、跳跃，具有明显的拉断、倾覆现象[2]。落石在斜坡上的运动规律受到诸多复杂因素影响[3]，具有很大的随机性。以贵州省六盘水市钟山区独山崩塌为例，通过实地调查，运用数值模拟与实际情况类比，综合分析典型喀斯特山区崩塌落石的运动轨迹、弹跳高度、运动能量等特征，并对该类典型崩塌落石的防治提出建议。

崩塌；落石；数值模拟；运动特征

1 概述

贵州省六盘水市独山崩塌位于钟山区东北侧，工程区地处滇东高原向黔中高原过渡，黔西北高原向广西丘陵过渡之梯级状大斜坡地带，总体地势为西北高东北低。这类地形、地貌组合及相关的岩性组合形成的崩塌灾害在喀斯特山区极具代表性。经实地调查走访，该崩塌历史上多次发生落石现象，崩塌堆积体（落石）多分布于高陡斜坡下部低缓地带，局部越过底部公路，弹跳至河沟一侧，落石块径一般为0.5～1.2m。独山崩塌主要威胁对象为沿线公路及低缓处居民及独山小学等，潜在经济损失巨大。

2 地质环境条件

（1）地形地貌。区内岩石主要以石炭系和二叠系地层分布最为广泛。主要岩性有石灰岩、白云岩、白云质灰岩等碳酸盐岩。独山崩塌北部陡崖顶部标高多分布在1884～1975m一带，底部坡度较缓，标高多在1723～1740m一带。

该地区为溶蚀、侵蚀低中山地貌。地形切割深度深，独山崩塌北部陡崖顶部标高1884～1975m，底部坡度较缓，标高1723～1740m。斜坡坡度总体上陡下缓，中上部陡崖坡度50°～70°，下部小于25°，为缓坡地貌。中上部陡崖为喀斯特山区典型的岩溶发育带，植被不发育，多为裸露岩壁。缓坡位置多为旱地及房屋，呈台阶状。

（2）地层岩性。区内岩石主要以石炭系和二叠系地层分布最为广泛。主要岩性有石灰岩、白云岩、白云质灰岩等碳酸盐岩；岩层总体产状258°～265°∠8°～15°，岩溶较发育。岩壁上可见溶洞、溶槽发育。下部缓坡主要分布二叠系下统梁山组灰白色粉砂岩、泥岩。

（3）水文地质条件。地质灾害点附近地下水类型为碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水2大类：碳酸盐岩岩溶水分布于二叠系中统栖霞组组灰岩及石炭系中统马平组灰岩岩溶管道及裂隙中；基岩裂隙水分布于二叠系下统梁山组粉砂岩、泥岩基岩裂隙中。地下水主要由大气降水补给。在低洼处以泉点形式排泄，汇成小溪向北流入三岔河。灾害点附近地表水不发育，地下水埋深大，对崩塌体稳定性影响较小。

（4）地质构造。钟山区处于鄂渝黔侏罗山式褶皱区毕节—安顺NE乡变形区及乌蒙山NW向走滑变形区接触地带，地质构造复杂，以北西向褶皱、断裂构造占主导地位。主要的构造有威水背斜、大湾向斜和威水断裂。局部有近南北向构造，如大河边向斜钟山北部还发育有北东向、北北东向次级断裂构造。地质灾害点位于这些北东向、北北东向次级断裂构造上。

调查区整体位于北东向、北北东向次级断裂构造影响区，测区没有大的断裂，由于构造作用结果，大体发育二组节理，其中一组产状90°∠85°，线密度0.7～1条/m，结构面粗糙，无填充，张开度5～6mm。第二组节理产状0°∠75°，线密度1～1.5条/m，结构面粗糙，无填充，张开度4～5mm。

3 崩塌基本特征

危岩体主要分布在自然风化形成陡崖区域，差异性风化与岩体本身不利结构面组合形成多处凹岩腔。2处典型危岩体W1、W2。危岩体W1中，一组节理，产状90°∠85°，构成危岩体后缘控制边界，一组节理产状0°∠75°，切割岩体，构成危岩体的侧部边界。两侧缘已经临空，节理裂隙清晰可见，一直向下延伸，裂缝张开度5～8mm，无充填，裂面较起伏，裂面粗糙。后缘发育植被，后缘裂隙被粘土。危岩体W2顶部高程1784.5m，底部高程1781m。危岩体高3.5m，宽3m，顶部厚0.8m，体积约8.4m3。主崩方向70°。此处出露的是二叠系中统栖霞组中厚层—厚层灰岩地层，岩层产状250°∠8°。一组节理，产状88°∠84°，构成危岩体后缘控制边界，另外一组节理，产状1°∠76°，切割岩体，构成危岩体的侧部边界。两侧缘已经临空，后缘节理裂隙清晰可见，裂缝张开度8～12mm，无充填，裂面较起伏，裂面粗糙。后缘发育植被。底部形成小台阶，为岩体崩落所致。凹腔深度为0.3m。随着底部泥页岩进一步风化即凹岩腔深度发育，将会产生倾倒式破坏。

4 崩塌形成机理

该危岩的形成与地质构造、不利的结构面组合、临空面条件、植被根劈作用等因素有关。

（1）地质构造：测区整体位于北东向、北北东向次级断裂构造影响区，测区内无大的断裂。受构造影响，发育2组节理，构成危岩体的界面。其中一组产状90°∠85°，线密度0.7～1条/m，结构面粗糙，无填充，张开度5～6mm。第二组节理产状0°∠75°，线密度1～1.5条/m，结构面粗糙，无填充，张开度4～5mm。

（2）地层岩性：测区危岩体所在陡崖出露二叠系中统栖霞组中厚层—厚层灰岩，夹10～15cm厚的黑色泥页岩。由于岩性差异性风化，往往形成凹岩腔，构成危岩体的底部边界。

（3）植物的根劈作用：在岩体节理裂隙发育地方植被较为发育，使得节理裂隙宽度及贯通率提高。

（4）降水及风化作用影响：降水一方面渗入裂缝，会降低结构面的力学强度，另外一方面，冬季在低温影响，水分渗入岩体裂缝产生冻胀作用，也会破坏岩体结构，使裂缝变宽。随着长时间溶蚀及风化作用，岩体变的更加破碎，下部逐渐松动崩落，从而加剧倒岩腔发育。

5 稳定性分析及发展趋势

根据大量野外调查，结合边坡地形地貌、岩体结构的特点，独山小学陡崖处岩体失稳模式主要为倾倒式。计算参数，灰岩饱和重度取26.43kN/m3，自然重度按工程地质手册取26kN/m3。危岩体抗拉强度取岩石的抗拉强度的0.4倍，取920kPa。根据《建筑边坡工程技术规程》（GB50330-2013）对结构面的取值，斜坡结构面属于硬性结构面且结合差，考虑长期风化影响取低值[4]，暴雨状态内摩擦角取20°，内聚力取50kPa。天然状态内摩擦角取25°，内聚力取80kPa。采用ROCKFAIL进行数值模拟[5]，结合经验计算方法[6]，模拟危岩体失稳后落石运动路径，计算落石各点的弹跳高度、运动速度、动能等参数。模拟时按照已失稳块体的实际情况，确定剖面上危岩体实际分布位置、可能的最大失稳块体体积等进行模拟。

经验计算方法：危岩破坏由后缘岩体抗拉强度控制时，按下式计算：

危岩体重心在倾覆点之外时：

危岩体重心在倾覆点之内时：

当危岩的破坏由底部岩体抗拉强度控制时，按下式计算：

式中：h——后缘裂隙深度，m；

hw——后缘裂隙充水高度，m；

H——后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离，m；

a——危岩体重心到倾覆点的水平距离，m；

b——后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离，m；

h0——危岩体重心到倾覆点的垂直距离，m；

flk——危岩体抗拉强度标准值，kPa，根据岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定；

θ——危岩体与基座接触面倾角，（°），外倾时取正值，内倾时取负值；

β——后缘裂隙倾角，（°）。

经过计算，稳定性系数K为1.15～1.27，危岩体处于欠稳定状态。

ROCKFALL模拟后，崩塌危岩体的运动特征见图1～图4：

图1 计算剖面及运动轨迹模拟

图2 岩块破坏时下方不同位置平动速度情况

图3 岩块破坏时弹跳高度情况

图4 岩块破坏时下方不同位置总能量情况

通过模拟分析，落石的最大反弹高度位于距起点27m位置，反弹高度与落石启动位置的高程、运动路径坡度、岩性等因素有关，一般危岩体分布越高、下部地层越坚硬，落石反弹的高度越大。根据模拟，落石滚动距离大于84m，可运动到小溪底部位置，实际上在小溪底发现不少落石。最大动能位于15.2m位置，最大总动能可达2579kJ；弹跳高度最高在距起点27m位置，弹跳高度6.47m。平动速度在距起点13m位置达到最大值，可达29.5m/s。模拟计算结果与实际情况较吻合。

根据调查分析，区内危岩受岩石差异风化及在结构面切割之下形成的危岩体，在岩石差异风化、溶蚀、水的作用下，稳定性将会越来越差，最终发生小规模崩塌破坏，威胁周边居民及独山小学的安全。

6 防治建议

类似于独山崩塌这一类灾害，在喀斯特山区非常常见。该类崩塌体多处于高陡斜坡，相对高差动辄上百米，且坡度一般大于45°。因施工场地及地形条件等限制，对危岩体采用清除、锚固等手段进行治理时，施工难得大，危险系数大，因此这类高陡斜坡上的崩塌灾害，不宜采用主动防护的方式进行治理。根据近年设计的一点经验，在弄清崩塌形成机理、运动特征等前提下，由于构造运动及外部营力的共同作用，形成陡峭陡崖，岩石属于硬质岩石，下部植被不发育，主要为坡地，落石运动以滚动和弹跳下落为主，最后受能量衰减而停止下来。由Rockfall模拟该类崩塌危岩体的运动轨迹及能量示意图，可知在坡底低缓地段，危岩体的弹跳高度、冲击能量、运动速度等均已衰减至最小值。因此，该类崩塌灾害的防治工程中，采用“缓坡段拦截”[7]的被动拦挡工程措施，效果明显。如：被动防护网、落石槽、拦石墙等。以独山崩塌为例，该崩塌已采用以上被动拦挡措施进行了综合治理。尤其是在拦石墙的设计中，根据数值模拟的结果，结合实际落石调查，在低缓地段设置落石槽，并在槽体以外设置拦石墙、缓冲层及被动防护网，达到了安全防护的目的。

7结论 喀斯特山区岩溶发育，岩体抗风化能力弱，节理发育，多组岩体结构面相互组合构成稳定性较差的危岩体[8]，且多发育于高陡斜坡上。该类崩塌一旦发生失稳，危险性高，危害性大。该类崩塌多位于高陡斜坡顶部，相对高差大，治理过程中施工难度大。采用实地调查、经验方法计算与数值模拟相结合的方式，查清崩塌形成机理、运动特征，采取“缓坡地段拦截”的思路，科学合理地对该类崩塌灾害进行防治，可达到这类崩塌地质灾害防护的要求。

[1]韦启珍.崩塌落石运动特征分析及应用——以景鹰高速公路为例[D].中国地质大学（武汉），2007.

[2]RitchieAM.Evaluation of Rockfall and its Control.Highway ResearchRecordof USA，Record17，WashingtonD.C.，1963：13-28.

[3]袁志辉.延长县崩塌的数值模拟和运动机理研究[D].长安大学，2008.

[4]袁志辉，倪万魁，陈志新.拉裂式崩塌的运动特征分析——以陕西延长县为例[J].灾害学，2014（4）：21.

[5]贾振华，张永，傅静雯.危岩崩塌运动轨迹特征的Rockfall数值模拟研究[J].灾害学，2011（8）：69.

[6]梁璋彬.崩塌落石的运动特征研究[D].成都理工大学，2008：57-61.

[7]刘永平，佴磊，李广杰.某高陡边坡崩塌落石运动特征分析及其防治[J].水文地质工程地质，2005（1）.

[8]陈洪凯，王蓉，唐红梅.危岩研究现状及趋势综述[J].重庆交通学院学报，2003（3）：2-4.

P642.21

A

1004-5716(2015)11-0101-04

2015-05-26

李阳春（1984-），男（汉族），湖北武汉人，工程师，现从事水工环地质相关工作。