拦石方案在岩溶洼地中的应用——以FAST工程为例

朱军，付君宜，吴斌，王鸿

（1贵州正业工程技术投资有限公司，贵州贵阳550005；2贵州省岩溶地基工程技术研究中心，贵州贵阳550005）

拦石方案在岩溶洼地中的应用
——以FAST工程为例

朱军1，2，付君宜1，2，吴斌1，2，王鸿1，2

（1贵州正业工程技术投资有限公司，贵州贵阳550005；2贵州省岩溶地基工程技术研究中心，贵州贵阳550005）

国家天文台500 m口径球面射电望远镜（简称FAST）是建设在天然超大型岩溶洼地内的国家大型科学项目。由于该工程所处喀斯特洼地，周边陡崖、峰林环绕，岩堆、危岩及崩塌密布，洼地内无平坦的场地供工程拼装使用，如何防治陡崖崩塌同时解决拼装场地是该工程需要解决的问题。

岩溶洼地；陡崖崩塌；设计方案

0 引言

崩塌是指陡峻斜坡上的危岩体在重力作用下脱离母体的崩落现象，是高山峡谷地区普遍发育的地质灾害之一[1]。在我国西南地区岩溶洼地上的陡崖一般较为发育，溶沟、溶槽及溶蚀裂隙分布较广，故易在洼地周围形成大量的崩塌性危岩。传统的方法一般通过加固危岩体的方式来治理崩塌，本文根据FAST工程内的危岩设计了一种拦石槽，该拦石槽能够在陡崖发生崩塌时，有效地将崩塌的岩石碎块与周围建筑物隔离。

1 岩溶洼地陡崖崩塌防治设计

1.1 地质背景

根据勘察报告的危岩分布，这里以大窝凼WY89为例。

（1）斜坡外形特征

WY89位于大窝凼洼地北侧斜坡顶部，地形坡度85°左右，坡向197°，危岩带宽250m，高15m，坡面为阶梯状。

（2）地层岩性

基岩区，危岩及基座岩性为T2l3浅灰、灰色中～厚层状白云质灰岩夹褐黄色含泥质灰岩、泥岩，岩层产状10°∠10°。斜坡结构类型为逆向坡。

（3）岩体结构特征

岩体中发育多组节理裂隙，主要有160°∠85°及240°∠80°，第一组节理长0.5～1.0m，宽0.5m，深0.1～0.5m，间距0.1～0.5m；第二组节理长0.5～1.0m，宽0.5m，深0.1～1.0m，间距0.5～ 1.0m，无充填。该点为危岩带，主要为岩石块零星分布于崖壁及顶部，块石一般为1.0m3，最大块石为2.0×2.0×1.0m3，该危岩体绕小窝凼崖顶成弧形分布，长约250.0m，高约15.0m，总方量为750.0m3。

WY89处于不稳定状态，岩脚见少量剥离、坠落岩块，滚落最大块石1.0×0.5×0.2～3.0×1.0×0.5m3。在风化、强降雨等因素的引发下危岩块体极易产生坠落。

1.2 岩溶洼地陡崖防治设计[2-4]

本文设计的岩溶洼地陡崖防治设计由拦石坝、落石槽和排水沟组成[5]。陡崖防治设计组成部分见图1所示，拦石坝顶部有危岩如图2所示，其同时作为拼装场地如图3所示。

图1陡崖崩塌防治设计现场图

图2坝顶大型拼装场地图

图3陡崖崩塌防治设计剖面图

（1）拦石坝

拦石坝的坝体为填方高边坡，坝顶为大型拼装场地，为满足场地10000m2以上的使用面积，临建筑物一侧分为两段放坡，边坡坡率为1:1.5，第一段高度为4.13m，第二段高度为10.87 m，临危岩一侧边坡坡率为1:2.3，高度为4.76 m，如图3所示。拦石坝标高为940 m，FAST台址开挖土石方量达到了86.5万m3[6]。由此产生的部分废渣的处理问题是必须要考虑的，本着充分利用资源的目的，将该部分废渣作为拦石坝的填筑材料，其坡体填料为碎石或块石，粒径在150～500mm之间。填料回填之前需要对地表植被层进行清除处理，且清除的植被层不能再次作为填料回填。填料采用渐进式法，以便回填时尽量做到填料上细下粗，使细粒填料能更好地充填空隙，增加压实后的密实度；压实厚度每层不大于1000 mm。回填顶面以下300 mm范围内控制最大填料粒径不大于150 mm。

（2）落石槽

在拦石坝与危岩之间设有落石槽，落石槽的底部宽度为23.46 m，且横截面下窄上宽。

（3）排水沟

落石槽底部设有排水沟，排水沟为混凝土结构，宽度为1.1 m，高度700 mm。

2 拦石坝和落石槽尺寸验算

块石从自然山坡的较高处向下崩落，其运动形式与石块形状、山坡坡度等因素有关，在长大山坡上，通常是滚动、滑动、跳跃等形式兼而有之。这里采用苏联尼·米·罗依尼什维里教授提出的落石运动速度的计算方法。

2.1 落石速度计算

将图3中的危岩体（WY89）下部的自然边坡简化为如下A、B、C、D四个山坡见图4[7]。

图4陡崖崩塌防治设计山坡分段图（单位m）

A段山坡：石块从陡坡坠落至A段山坡末端处时的速度Va的计算公式为：

表1 阻力特性系数K值计算公式表

B段山坡：石块自B段边坡向前运动的反射切线分速度（初始速度）Vb0为：

式中λ为块石冲击到缓坡上的瞬间摩擦系数，此处取λ= 0.3，下同。

石块运动至B段山坡末端处的速度为：

C段山坡：石块自C段边坡向前运动的反射切线分速度Vc0= Vb，石块运动至C段山坡末端处的速度为：

D段山坡：石块自D段边坡向前运动的反射切线分速度Vd0由式（2）得Vd0=(1-λ)Vccos(αc-αd)，石块运动至D段山坡末端处的速度由式（3）得

由上式计算石块在各个坡段的初速度和末速度如表2所示。

表2 石块下落速度

由表2得石块在D坡段的初始速度和末端速度分别为Vd0= 10.856，Vd=11.839。

2.2 落石腾跃计算[8]

落石槽的最小尺寸主要与石块运动轨迹与山坡面的最大偏离距离有关，从而确定拦截建筑物的高度和建筑物与山坡之间的最小距离。如图5所示，当α＜60°时质点运动轨迹在水平方向对斜坡面的最大偏移距离lmax为：

质点运动轨迹在垂直方向对斜坡面的最大偏离hmax为：

式中V0为石块落至O点时的反射速度；β为石块反射速度V0的方向与纵坐标轴间的夹角。

β角值根据大量试验观测资料为：

式中Vj为石块落至O时的入射速度。

图5撞击后质点运动轨迹图

图6落石平台宽度计算图

如图6所示，由上式计算最大偏移距离lmax和hmax，其中α取D段坡的坡度；V0取D段坡末端速度Vd；Vj此处取D段坡初始速度Vd0。计算得lmax=9.11m，hmax=4.647m。由于lmax落石槽的实际尺寸为23.46m，远远满足计算的要求，这里不再做石块弹跳计算，同时拦石坝实际尺寸同样满足要求。

3 结论

（1）本文提供岩溶洼地陡崖崩塌防治的设计方法，通过在FAST工程中的应用，表明该设计方法可以有效解决岩溶洼地区域的陡崖崩塌防治问题。

（2）拦石坝不仅为有效拦截块石的冲击，同时拦石坝顶部的10000m2以上广阔平台为FAST洼地环境下无建设场地提供了强有力的保证。

（3）拦石坝由挖方而来的废弃碎渣填方而成，充分利用场区资源，充分展现了经济节约型、环境友好型工程建设典范。

[1]任美锷，刘振中.岩溶学概论[M].北京:商务印书馆，1983：12-15.

[2]王兴平.四川省宣汉县天台乡滑坡治理排水工程措施及设计优化研究[D].成都：成都理工大学，2007.

[3]徐开祥.滑坡及危岩（崩塌）防治工程措施选择与工程设置[J].中国地质灾害与防治学报，2005，16（4）:130-134.

[4]杨艳娜，许模.边坡失稳段路基的排水系统设计[J].长安大学学报：自然科学版，2003，23（3）:44-46.

[5]沈志平，杨振杰.一种岩溶洼地陡崖崩塌防治结构[P].中国：ZL2014200996939.5，2014-07-30.

[6]吴斌，杨振杰.岩溶洼地开挖设计关键技术的研究和应用[J].科学技术与工程，2015，15（25）:187-191.

[7]铁道部第一设计院.特殊条件下路基[M].北京:人民铁道出版社，1978：257-291.

[8]胡厚田.崩塌与落石[M].北京:中国铁道出版社，1989：102-123.

责任编辑：孙苏，李红

Application of Block Stone Scheme in Karst Depressions

National astronomical observatory 500m Aperture Spherical Telescope（FAST）is a great national science project built in natural super large karst depression.Because the project is built in karst depression,which is surrounded by cliffs,hills,rock piles,dangerous rocks and cliff collapses, there is no flat site for engineering assembly,so how to solve the problem while preventing cliff collapse is an urgent problem for the project.

karst depression;cliff collapse;design scheme

TU471.99

：A

：1671-9107（2016）11-0026-03

基金论文：该论文为贵州省科技计划项目黔科合SY字（2014）3086和黔科合机字[2011]4002号论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2016.11.026

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.11.029

2016-07-08

朱军（1974-），男，研究生，高级工程师，主要从事岩土工程方向的研究工作。