杭(州)绍(兴)台(州)高速公路大岙溪危岩崩塌运动学特征研究

王凯强，胡卸文, 2

( 1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031； 2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 610031)

1 引言

随着我国改革开放的不断深入，国内大量基础建设在各种地质环境条件下展开，不可避免地受到各种不良地质的影响，尤其是复杂艰险山区交通运输工程沿线高陡边坡的危岩崩塌影响显得尤为突出。崩落过程中落石沿着坡面弹跳、滚动、滑动，相互碰撞，最后堆积于坡脚[1, 2]，落石运动过程对沿斜坡或坡脚展布的公路、铁路建设及安全运营会构成严重威胁。

拟建的浙江省杭(州)绍(兴)台(州)高速公路台州段将穿越临海市的大岙溪段危岩，因山高坡陡，该段线路拟以桥梁方式通过，显然大岙溪段危岩的存在对高速公路构成潜在威胁。本文通过现场勘察，在查明危岩体发育特征基础上，对可能崩塌落石后的运动学特征进行了系统研究，并结合工程实际，提出了治理措施建议。

2 地质环境条件概述

大岙溪危岩位于浙江省临海市白水洋镇，该危岩主要分布于岩西坑至梨树下南侧，植被茂密，主要为竹林、高大松柏树。斜坡坡度总体23°～58°不等，而近分水岭附近的陡峭山体一般为70°，局部近直立，下部多形成凹腔，而这些部位正是危岩发育部位。拟建杭绍台高速公路从大雷山隧道出口后，沿大岙溪南侧(右岸)丘陵斜坡下部布置大岙溪特大桥。

危岩及拟建大桥所在部位地层岩性主要为：大岙溪河床及两侧狭长地带的第四系冲洪积层(Q4al+pl)卵石、漂石；斜坡山麓地带的第四系崩坡积层(Q4col+dl)含黏性土碎石、块石及巨型块石；斜坡上部侏罗系上统茶湾组(J3c)巨厚层砂砾岩、薄层泥页岩和斜坡中下部侏罗系上统茶湾组(J3c)凝灰岩。其中危岩体岩性为砂砾岩。

根据赋存条件，研究区所在部位地下水分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两大类。松散岩类孔隙水可分为全新统冲洪积卵石、漂石孔隙潜水和第四系崩塌坡积层孔隙潜水，而基岩裂隙水赋存于基岩网状风化裂隙和构造裂隙之中。

影响本区域的地质构造主要为北东向鹤溪-奉化大断裂和北西向孝丰-三门湾大断裂。根据已有资料[3]，确定本区域地震烈度为Ⅵ度。

3 危岩发育特征与形成机制

危岩区分布于高程360～450 m、地形坡度大于70°的陡坡地段，呈近东西向延伸，沿侏罗系上统茶湾组巨厚层砂砾岩形成的陡崖带分布，距坡脚沟床相对高差约250 m，其平面形态呈长条带状。根据分布高程可将整个危岩区划分为上、下两个危岩带，全景如图1所示，平面分布如图2所示，典型剖面如图3所示。

图1 大岙溪危岩全景图

图2 大岙溪危岩平面图

图3 大岙溪危岩剖面图

3.1 上危岩带

上危岩带呈长条状沿近东西方向展布，分布高程410～450 m，长约200 m，高差约20 m，地形坡度60°～80°。该危岩带内共发育4处危岩体，典型危岩体如图4所示。

岩体稳定性定性分析中常采用赤平投影方法[4-6]，该部位危岩体岩层面闭合、倾角较缓且反倾坡内，胶结良好，对坡体整体稳定极为有利；岩体中存在3组构造节理(J1：346°～355°∠70°～75°；J2：258°～267°∠80°～90°；J3：81°～87°∠70°～80°)，其中J1发育极少，J2、J3与坡面近垂直相交，表现为发育程度弱、可见延伸长度短、间距大，因此这两组陡倾节理仅对岩体完整性产生一定影响，不影响危岩体的整体稳定性。现场勘查未发现危岩体后缘存在长大、深拉的卸荷裂隙。由于下部泥页岩强烈风化剥蚀形成凹腔，使得危岩悬空。因此对上危岩带内各危岩体稳定性起控制作用的只有下部大小不等的凹腔。但相对于巨厚层砂砾岩，凹腔深度和延伸长度还不足以影响其稳定，在天然状态和降雨作用下，危岩体处于稳定状态；只有在较高地震烈度作用下，沿凹岩腔内侧可能会出现裂隙发展、贯通的趋势，存在发生倾倒式破坏的可能。

图4 上危岩带典型危岩体

3.2 下危岩带

下危岩带在空间上位于上部危岩带下部，分布高程360～390 m，长约700 m，高差10～20 m，地形坡度60°～80°。根据危岩体发育密度及构造裂隙发育程度，可将下危岩带自西向东划分为危岩发育段、危岩弱发育段及危岩较发育段(见图2)。该危岩带内共发育15处危岩体，典型危岩体如图5所示。

图5 下危岩带典型危岩体

岩层层面与上危岩带相近，反倾坡内，对坡体整体稳定有利。而3组构造节理较上危岩带发育，危岩常被切割呈长柱状或块状。滑移式破坏的危岩体在其后缘均存在发育较深的卸荷拉裂缝，一旦遇暴雨或地震，在危岩体自重力等作用下很容易发生滑动；坠落式破坏的危岩体在下部均存在凹腔，受重力作用等外界因素影响，后缘裂隙岩桥段提供的抗力不足以抵抗岩体自身重力时，危岩体则以坠落方式失稳；倾倒式破坏的危岩体受裂隙组合切割成柱状或块状，当后缘拉裂缝自上而下贯入时，一遇暴雨雨水入渗拉裂缝内形成静水或动水压力，就容易沿危岩体下部凹腔转折点部位发生倾倒破坏。

3.3 形成机制

研究表明，大岙溪危岩形成机制为：斜坡上砂砾岩和泥页岩交界位置由于岩体的差异性风化，下伏泥页岩风化强烈形成凹腔，上覆砂砾岩风化缓慢形成高陡临空面，砂砾岩中发育的节理裂隙将巨厚层岩体切割成大小不一块体，受降雨等外界因素的影响，节理裂隙不断延伸最终贯穿，致使危岩体与母岩分离发生崩塌落石。

4 崩塌落石运动学特征分析

根据现场调查，根据不同部位危岩崩塌落石的地表坡面形态、坡表植被影响等的物理力学特性，通过RocFall软件模拟不同部位危岩可能崩塌落石的运动过程，统计分析其运动特征。

4.1 参数取值

假定崩落块体体积为4 m3，为比较不同斜坡坡面材质特性对崩塌落石运动轨迹的影响，在本次模拟过程中，分别考虑了以下3种条件：

(1) 坡面为基岩出露，岩石较坚硬，推测早期危岩崩落时的运动情况。

(2) 早期崩塌体覆盖于部分缓坡地带，有少量植被发育，分析落石崩落过程受坡面演化的变化情况。

(3) 坡面灌木林覆盖植被好、含少量滚石的土质边坡，预测落石运动后对拟建杭绍台高速公路的影响。

参考已有研究成果[7-11]，模拟采用参数见表1。

表1崩塌落石坡表恢复系数取值

4.2 结果分析

图6为3种条件下落石崩落过程的运动能量变化情况。分析可知：崩落过程初期重力势能大多转化为动能，落石的运动能量不断增加，但随着高度下降、坡度减缓等综合因素的影响，落石在与坡面发生碰撞和摩擦的过程中，动能不断转换为内能及其他能量，落石的运动能量不断减少，直至运动停止，落石的能量减为0。3种条件下的落石最大运动能量依次为：11 169.9 KJ、9 134.1 KJ、6 999.7 KJ，能量最大位置距危岩崩落点水平距离依次为：234.8 m、224.6 m、214.3 m，在坡面的同一位置，运动能量依次减小，主要原因是恢复系数和摩擦系数的不同，造成势能转化为运动能量的效率不同，恢复系数越大、摩擦系数越小，则转化效率越高，运动能量增加越快、减小越慢。

图6 落石崩落运动能量变化图

图7为3种条件下落石崩落过程的弹跳高度变化情况。分析可知：危岩与母岩分离后，沿坡面发生滚动、滑动。运动过程中落石主要在两段发生明显弹跳，距离危岩崩落点的水平距离依次为：210.0～265.4 m、301.4～336.8 m，对应位置的微地貌均表现为上一段斜坡坡度小于下一段斜坡坡度(均相差9°)，局部地形凸出，落石沿上一段坡面运动到该位置附近时发生斜抛运动，飞离地面，随后与地面发生多次碰撞。虽然在坡脚处相邻两段斜坡坡度也有较大变化，但由于落石速度较小，弹跳不明显。在坡面的同一位置，3种条件下的落石弹跳高度依次减小，主要是由于同一位置落石的速度不同，速度越大，则落石抛出越远，腾空越高。3种条件下的最大弹跳高度位置为同一位置，距危岩崩落点水平距离为224.6 m，最大弹跳高度依次为：2.05 m、1.93 m、1.60 m。

图7 落石崩落弹跳高度变化图

图8为3种条件下落石崩落后最终停积位置的分布情况。分析可知：3种条件下的落石运动水平距离依次减小，主要原因是恢复系数和摩擦系数的不同，造成势能转化为运动能量的效率不同，当恢复系数越大、摩擦系数越小，则转化效率越高，落石的运动能量在崩落初期增加得越快，在后期减少得越慢，因此落石运动得更远，与图6分析结果相符。拟建高速公路距危岩点水平距离为418.5 m的斜坡位置，随机产生的500块落石在3种情况下均越过此位置。

图8 落石停积位置分布图

图9为3种条件下落石崩落运动到拟建高速公路位置的运动能量分布情况。运动能量依次为：1 396.2 KJ～4 747.2 KJ、1 141.8 KJ～2 511.9 KJ和175.0KJ～875.0KJ，总体表现为依次减小，与图6分析结果相符。

图9 拟建高速公路位置运动能量分布图

图10为3种条件下落石崩落到在拟建高速公路位置的弹跳高度分布情况，最大的弹跳高度不足0.08 m，即该位置落石运动形式以滚动、滑动为主，但3种条件下的落石弹跳高度依次减小，与图6分析结果相符。

图10 拟建高速公路位置弹跳高度分布图

上述结果表明，大岙溪危岩会对拟建高速公路部位构成威胁，应加强对危岩及其可能崩塌落石的工程治理，以确保高速公路运营安全。

5 结论和建议

5.1 结论

(1) 大岙溪危岩沿近东西方向展布，基岩为巨厚层砂砾岩，可分为上下两条近平行的危岩带，上危岩带结构面不发育，以巨型块体为主，稳定性好，下危岩带主要受三组结构面控制：反倾坡内的层面、平行坡面的卸荷裂隙和垂直坡面的陡倾构造节理，稳定性一般，破坏方式以倾倒式、坠落式为主，少量为滑移式。

(2) 大岙溪危岩为差异性风化造成下伏泥页岩形成凹腔、上覆砂砾岩形成高陡临空面，砂砾岩中发育的节理裂隙将巨厚层岩体切割成大小不一块体，当节理裂隙不断延伸最终贯穿后，危岩体与母岩分离发生崩塌落石。

(3) 崩落过程中落石的运动能量总体表现为先增加后减小，考虑3种不同坡面介质条件下的落石最大运动能量、能量最大位置距危岩水平距离和最终运动水平距离依次减小，在坡面的同一位置的运动能量也依次减小，主要原因是势能转化为运动能量的效率不同，当恢复系数越大、摩擦系数越小，则转化效率越高，运动能量增加越快，减小越慢；崩落过程中落石运动以滚动、滑动为主，发生明显弹跳为局部凸出地形部位，3种不同坡面介质条件下在坡面的同一位置的落石弹跳高度依次减小，主要是由于同一位置落石的速度不同，速度越大，则落石抛出越远，腾空越高。但3种条件下的最大弹跳高度位置为同一位置，即坡形为控制落石弹跳高度的关键性因素。

(4) 3种不同坡面介质条件下的落石均能运动到拟建高速公路位置，运动形式以滚动、滑动为主，能量较大，均会对其构成严重威胁。

5.2 建议

(1) 对大型凹腔危岩体进行支撑加固。

(2) 考虑到弹跳高度普遍小于桥台路面高程，因此仅需针对高速公路桥墩进行局部防护，可采用拟建桥墩以上合适位置设计普通拦石墙或桩板拦石墙。

(3) 加强危岩体治理前、中、后的变形监测巡视与监测预警工作。