基于路径模拟的崩塌落石灾害防治研究——以厦门市双狮南里边坡为例

吴少元

(厦门地质工程勘察院，厦门 361008)

近年来，随着城市逐渐扩张，山地丘陵不断被挤占，开山建房以及山地公园、矿山公园的开发利用等等，人工切削形成的高陡边坡越来越多，山坡岩体及坡上球状孤石体受到扰动并造成崩塌坠落事件越来越频繁，对坡下居民的生命财产安全构造严重威胁。危岩体崩塌的工程治理措施多种多样，工程造价千差万别，采用数值模拟对其失稳后的运动特征进行研究，进而采取更加合理可靠、经济可行的工程防护措施，避免过度治理造成不必要的浪费，具有巨大的经济价值。

目前对崩塌落石运动特征的研究，取得了不少的成果。亚南等[1]通过构建物理模型并进行落石模拟试验与数值模拟分析，对崩塌落石运动路径、运动能量、弹跳高度等进行了研究。黄润秋，刘卫华等[2～4]基于正交试验，对可能影响滚石运动特征的6个因素进行了研究与分析，并通过实验得出树木对落石具有较好的拦截作用。苏胜忠[5]在边坡工程勘察中运用运动学原理，将实际情况适当简化后，对崩塌落石的运动特征进行了计算分析。

RocFall软件通过定义边坡和落石的相关基本参数，对落石在边坡上的运动轨迹、弹跳高度、冲击能量等进行数值模拟与计算，在实际工程中得到广泛应用[6～8]。利用该软件进行落石运动轨迹的模拟，对拦石挡墙的合理设置具有较好的指导意义。

本文通过详细的野外调查，对崩塌落石的形成条件、稳定性进行研判，采用RocFall软件进行落石运动的数值模拟与反演，在此基础上确定合理且经济可行的工程防治措施，为同类型工程的勘察设计与防治提供借鉴。

1 地质背景条件

1.1 地形地貌

研究区位于厦门市湖里区双狮山山脚地带，低丘陵地貌，地形起伏相对较大，自然坡度一般15°～25°，局部较平缓。坡顶自然坡面植被繁茂，树木、杂草及灌木发育，多为相思树。边坡系人工采石开挖形成的高陡边坡，总宽约50 m，坡高19～23.5 m，坡面呈折线型，中上部较陡，总体约70°，下部稍缓，约15°～20°。坡面基岩裸露且未采取支护措施，坡脚修砌有石砌挡土墙，挡墙高约2.5 m，近直立砌筑。挡土墙距坡脚房屋仅为1.5～3 m，坡脚小区地面高程一般约7.3 m。边坡曾发生过岩块崩塌坠落现象，威胁到坡脚住户安全。见图1～2。

图1 边坡地形示意图

图2 坡面岩石破碎、部分滚落

1.2 气象水文

研究区属南亚热带海洋性季风气候，气候温暖湿润，降雨量充沛，多年平均降雨量1 347.6 mm，历年最大降雨量1 998.6 mm，最小降雨量747.2 mm。

1.3 地层岩性

边坡表部覆盖层为坡残积土，坡体岩性为燕山早期侵入的花岗斑岩。岩体主要结构面为节理裂隙，节理裂隙一般发育，结构面结合程度差，岩体被切割成裂隙块状或中厚层状结构，岩体较破碎，为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ类。

1.4 地质构造与地震

影响研究区场地的区域性断裂主要为NW向和近SN向断裂。NW向断裂属压性、压剪性断裂构造，总体走向北西320°，倾向北东，倾角70°～85°，断裂带由一系列压性、压剪性节理裂隙密集带组成，岩石破碎，蚀变强烈。近SN向断裂走向南北，倾向东，倾角60°～85°，断裂带岩石破碎，挤压强烈，压剪性节理发育，为压性逆冲性质[9]。

厦门岛属于闽东南沿海中新生代构造活动带中的相对稳定断块岛屿，区内断裂构造较发育，但自第三纪以来构造无明显活动迹象，属构造稳定区[10]。近年来，厦门及周边地区的微地震活动较频繁，但强度都很小。研究区断裂自第四纪以来活动逐渐减弱，现处于相对稳定状态，可不必考虑活动性断裂的影响。

2 工程地质条件分析

2.1 坡体结构特征

2.1.1 边坡形态

边坡属岩质边坡，崩塌区平面上呈半圆弧状，宽约50 m，总体朝向为南东。边坡下部坡度总体稍缓，多为边坡崩塌堆积物，坡度约15°～20°，边坡中上部坡度较陡，一般约70°，坡面凹凸不平。坡面基岩裸露，岩块较破碎，曾多次发生破碎岩块坠落、沿坡面滚落，块径大小不一，最大可达1.0～2.0 m。

2.1.2 节理裂隙

坡体岩体节理裂隙较发育，坡面岩体以碎块状镶嵌结构为主，局部为大块状砌体结构。边坡受区域断裂影响而形成的次一级节理、裂隙纵横交错，较为发育，边坡表面层节理裂隙由于爆破、开挖应力释放等多呈闭合-微张状，结构面类型为硬性结构面，结合一般，裂面光滑平整，且多数节理裂隙呈闭合-微张状，充填物很少，部分裂面附近风化迹较重，有铁质浸染，但裂面没有明显泥化现象。

边坡节理裂隙统计玫瑰花图及倾角分布直方图详见图3、图4。

图3 南段边坡节理走向玫瑰花图及倾角分布直方图

图4 北段边坡节理走向玫瑰花图及倾角分布直方图

2.2 水文地质条件

研究区地下水为第四系松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水两类。

第四系松散岩类孔隙水含水层为坡积粉质黏土，富水性贫乏，地下水类型为潜水，其补给来源主要为大气降水补给排泄条件良好。

块状岩类裂隙水的含水层岩性主要为花岗斑岩，富水性及导水性受裂隙控制，具有明显的区段性与方向性，富水性不均匀，总体属弱-微透水，弱含水层。

野外调查时研究区地下水位埋藏较深，坡脚未见泉点及常年天然流水。根据区域水文地质观测资料推测，预计研究区范围内全年地下水位动态变幅约2～3 m。

2.3 岩土体工程地质特性

坡残积粉质黏土层：干燥状态下多呈硬塑状，含有少量碎石、块石，黏性较好，干强度较高，属于中压缩性土。分布于边坡顶部，厚度不大，整体自稳性较好，仅靠近坡肩临空面处可能存在局部土体溜滑现象。

中风化花岗斑岩层：力学性质良好，为硬质岩，但岩体较破碎，节理发育，多数节理裂隙面光滑平整，延伸长度大，结构面结合程度一般。

2.4 场地地震效应

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)，边坡所在场区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15 g，设计地震分组为第二组，设计特征周期值为0.30 s。

3 边坡稳定性分析与评价

3.1 影响边坡稳定性的各因素分析

3.1.1 边坡的形态特征

边坡高度较大，达20 m左右，坡度陡峭，坡面呈上陡下缓的折线型，边坡中上部坡度多大于70°，坡面裸露，随着坡度和高度的增大，边坡的稳定系数将逐渐降低。

边坡开挖时的卸荷、应力释放、爆破震动等因素，会造成表层岩体的松动、开裂变形，在自身重力作用下出现向坡外临空面的位移变形。

由于人工爆破，南段边坡中上部个别岩石已松动，叠垒在坡面凸出岩石上，形成危岩体，局部对边坡的稳定性不利。

3.1.2 岩性特征

粉质黏土厚度较薄，分布于边坡顶部，自稳性较好。

坡体中风化花岗斑岩，块状构造，岩石较坚硬，但受构造与人为爆破影响，节理裂隙发育，易产生崩塌落石灾害。

3.1.3 岩体结构特征

南段边坡：根据南西侧边坡26条节理的统计结果，该侧边坡优势节理有5组，产状分别为：L1：(倾向) 60°∠87°(倾角)，L2：115°∠36°，L3：115°∠87°，L4：70°∠79°和L5：255°∠80°。

北段边坡：根据北侧边坡55条节理的统计结果，该侧边坡优势节理有6组，产状分别为：L1：110°∠34°，L2：110°∠64°，L3：170°∠79°，L4：250°∠88°，L5：115°∠60°和L6：160°∠68°。

坡体岩石节理裂隙发育，裂隙面中的充填物泥化不严重，胶结一般，节理面的力学性质较一般，因此岩体中节理裂隙及其与边坡坡面(临空面)的相互组合关系是控制边坡危岩体稳定性的最关键因素。

3.1.4 降雨

研究区属南亚热带海洋性季风气候，雨季历时长，多台风暴雨。雨季期间降雨充沛，加之坡面岩石裸露，大气降水直接进入岩体裂隙结构面，一方面对结构面起润滑作用，造成了结构面摩阻力的降低；另一方面，增加了岩体裂隙结构面间的孔隙水压力，增加了岩石的下滑力，对边坡危岩体的稳定性造成了不利影响。

3.1.5 地震及人为震动

地震及人为的爆破作业震动都可能使危岩体受到横向作用力而产生崩塌。边坡在地震时可能发生坡体岩石崩塌地质灾害，属于地震危险地段。

综上分析，岩体结构特征因素是影响本边坡危岩体稳定的最关键因素。

3.2 边坡稳定性评价

本边坡岩体的稳定性主要取决于结构面与坡面的组合关系，采用赤平投影法对各坡段的稳定性进行分析评价。

3.2.1 南段边坡

坡面(编号P)产状为(倾向)65°∠70°(倾角)，从赤平投影图(图5)可见：L4与L1、L2、L3节理所构成的三面柱体潜在倾倒式崩塌的可能；L4节理和L5节理所构成的楔形岩体潜在滑塌失稳的可能；L1节理与L2、L3、L4、L5节理所构成的三面柱体潜在倾倒式崩塌的可能。

图5 南段边坡赤平投影图

图6 北段边坡赤平投影图

3.2.2 北段边坡

坡面(编号P)产状为210°∠70°，从赤平投影图(图6)，可见：L4节理与L3、L6节理所构成的三面柱体潜在倾倒式崩塌的可能；L6节理与L2、L5节理所构成的三面柱体潜在倾倒式崩塌的可能；L4节理和L1、L2、L5节理所构成的不稳定楔形岩体潜在失稳的可能。

综上分析，边坡失稳破坏的形式是以多条结构面和边坡临空面组合切割而成的不稳定岩块，沿结构面出现失稳造成崩塌落石，失稳的模式主要为沿着外倾较缓结构面的滑塌式坠落和沿外倾高陡结构面的倾倒式坠落。

4 落石运动路径模拟

4.1 计算剖面的选取

为全面考虑边坡防护挡墙设置的合理性，根据边坡与坡脚建筑物的距离关系，选择3条剖面1-1′、2-2′、3-3′进行模拟计算，剖面分布位置见图1，坡面形态见图7～9。

图7 1-1′剖面示意图

图8 2-2′剖面示意图

图9 3-3′剖面示意图

4.2 计算参数的选取

通过对现场少量落石试验运动结果的反演拟合，并结合前人的经验总结，根据坡面岩性(材质)的不同，分别对各项参数进行赋值，见表1。

由于落石失稳前的位移为长期积累的过程，其初始速度一般较小，在运用软件进行计算时，不考虑随机因素的影响，将落石的初始状态进行适当的赋值，见表2，并假定当速度≤0.01 m/s时，认为落石停止运动。

表1 落石运动参数表

表2 落石初始状态参数表

4.3 落石运动模拟计算

根据坡面模型，将坡顶岩石裸露并且破碎的坡段设定为落石带，拟定落石数量为50个进行计算分析。为便于重复分析研究，落石随机数的生成采用伪随机的随机数产生方式。

根据现场岩石破碎情况，1-1′、2-2′剖面落石质量按100 kg，3-3′剖面落石质量按10 kg进行模拟计算。

4.3.1 1-1′剖面分析

随机生成的50个落石的运动轨迹、落石运动终点分布位置、落石弹跳包络线见图10～12。

图10 1-1′剖面落石运动轨迹图

图11 1-1′剖面落石运动终点分布位置图

图12 1-1′剖面落石弹跳距坡面高度包络线图

落石弹跳后与坡面垂直距离最高为4.22 m，最高点处位于边坡下半段(坚硬缓坡段)的中部(X坐标19.50～19.75 m处)。

从以上运动轨迹图和弹跳高度包络线图可见，坡脚落石平台段(F-G段，X轴坐标值为23.74～26.50 m)，为挡石墙最佳的修筑位置，该范围内落石弹跳高度分布见表3。

表3 1-1′剖面坡脚落石平台段(X=23.75～26.50 m)

从总动能包络线图(图13)可见，100 kg质量的落石下落过程中产生的最大总动能为12 023 J，位于坡脚落石平台段(X坐标26.00 m处)，而后总动能值发生较大的衰减，由最高值迅速衰减至7 410 J(X坐标26.25 m处)，见表4。

图13 1-1′剖面落石总动能包络线图

4.3.2 2-2′剖面分析

随机生成的50个落石的运动轨迹、落石运动终点分布位置见图14、图15。

图14 2-2′剖面落石运动轨迹图

图15 2-2′剖面落石运动终点分布位置图

落石弹跳后与坡面垂直距离最大值为2.66 m，最高点处位于边坡落石平台段起点H点附近；从落石平台中段(X=28.70 m)起，弹跳高度趋于平缓，为0.37～0.44 m，见图16，表5。

从总动能包络线图(图17)可见，100 kg质量的落石下落过程中产生的最大总动能为6 597 J，位于边坡中段第二块石堆积区(X坐标21.20 m处)。落石平台段的前半段，总动能仍然较高，后半段(X=29.00 m起)总动能值迅速衰减至2 700 J左右，见表6。

图16 2-2′剖面落石弹跳距坡面高度包络线图

图17 2-2′剖面落石总动能包络线图

4.3.3 3-3′剖面分析

随机生成的50个落石的运动轨迹见图18。

图18 3-3′剖面落石运动轨迹图

从以上模拟生成的运动轨迹图可见，落石从BC段不同部位失稳下落后，沿CD段滚落，至D点时发生轻微弹跳(弹跳最大高度为0.16 m)后滚动，并最终全部停留于坡脚落石平台段(D-E段)，最远停留点为X=12.66 m。落石运动终点分布位置及弹跳高度包络线见图19、图20，表7。

图19 3-3′剖面落石运动终点分布位置图

图20 3-3′剖面落石弹跳距坡面高度包络线图

X坐标位置/m弹跳高度/mX坐标位置/m弹跳高度/mX坐标位置/m弹跳高度/m9.5026010.9413912.38329.7914011.2311612.67010.0813311.5211812.96010.3613111.816413.25010.6513312.104613.540

图21 3-3′剖面落石总动能包络线图

从落石总动能包络线图(图21)可见，10 kg质量的落石沿该边坡下落过程中产生的最大总动能为260 J左右，位于边坡C-D段X坐标为7.48 m和9.50 m处。在D端点附近总动能值迅速衰减至140 J，并经小幅跳跃后再次迅速衰减，最终于12.67 m处停止，见表8。

5 高陡边坡崩塌落石治理方案比选

地质灾害治理工作应贯彻“以防为主，防治结合”的基本原则，因地制宜，针对不同规模、破坏后果、治理难度、经济效益等诸多方面进行综合考虑。

表8 3-3′剖面坡脚落石平台段落石总动能分布表

5.1 防治方案比选

崩塌落石的防治方式，总体上可概括为主动防护和被动防护两大类。

考虑到坡脚即为居民小区，应按永久性边坡来考虑防治方案的选择，既要技术可行、安全可靠，又要经济合理、环保实用。在对坡体工程地质条件、危岩体分布特征、失稳模式以及落石运动方式与轨迹综合的分析基础上，结合场地环境条件，对以下两种可选方案进行综合比选，详见表9。

鉴于边坡崩塌落石规模较小，坡脚空间相对较大具备足够的空间堆积落石，坡脚平台处与住户房屋建筑之间有一定的缓冲距离；同时，方案二防护费用投资较少，且施工对边坡山体植被破坏小。因此，建议采用方案二。

5.2 防护工程结构设计

依据落石运动模拟的分析结果，确定采用高度为2.0 m的悬臂钢筋混凝土墙做为拦石挡墙(位置见图22)，修筑于坡脚落石平台的靠外侧边缘或近边缘，基础采用人工挖孔桩加岩石抗拔锚杆以防倾覆与滑移；同时，在落石平台内种植高大乔木和套种灌木起共同防护作用。

5.3 防治经济效益对比分析

若采用方案一，初步预估费用约需250～300万元，而采用方案二，最终费用仅为90万元，节约了150～200万元。经济性可观，在同样防护效果的情况下节约了资金投入，且后续无须维护。

通过分析，所选方案技术可行、节约环保、施工周期短，是一项合理有效的最佳方案。

6 结论

(1) 在野外详细调查、稳定性综合分析评价以及少量的现场模拟试验基础上，采用RocFall软件对落石的运动路径(包括运动轨迹、弹跳高度、冲击能量等)进行数值模拟，对崩塌落石的防治具有较好的指导作用。

(2) 双狮南里边坡岩体的稳定性主要受节理裂隙的产状及组合所控制，受结构面影响存在外倾楔形岩体，形成潜在崩塌落石危岩体；而危岩体失稳的模式主要是滑塌式坠落和倾倒式坠落。

图22 坡脚拦石挡墙设置位置示意图

(3) 对于该边坡落石的防治，在贯彻“以防为主，防治结合”基本原则基础上，因地制宜，结合场地环境条件，提出了“坡脚修砌拦石墙+种植树木+坡面危岩体嵌补”的防治方案，技术可行、经济环保、施工周期短，既防范了地质灾害，又避免了过度治理，是一项合理有效的最佳方案。