丁 斌 孟永旭 裴晓东
(①上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200434, 中国)
(②中国三峡新能源(集团)股份有限公司, 北京 100053, 中国)
边坡上岩体或崩坡积块石失稳后向下沿着坡面快速运动的石块俗称滚石。当滚石造成了人员伤亡、建筑物损坏等后果就被称为滚石灾害(张路青等, 2004)。随着山区经济的发展,铁路、公路、水电站等基础设施项目日益增多,边坡滚石问题越来越突出,滚石灾害造成的严重后果屡见不鲜(黄雨等, 2010)。
地质灾害一般指滑坡、泥石流、崩塌、地震、地裂缝等大规模灾种。相比之下,滚石灾害具有其显著特征(胡厚田, 1989),应单独作为一类地质灾害进行专门研究。
前人对滚石的运动特征、计算模型建立及风险评价做了诸多研究,张路青等(2004)运用概率方法对公路沿线滚石的风险性进行了评估分析; 唐红梅等(2003),吕庆等(2003)对边坡危岩滚石的运动路径进行了研究总结,并建立了相关计算模型; 黄润秋等(2007)通过现场试验对滚石的运动特征进行了研究,对危岩体整体防治提出了新的可行方法; 黄雨等(2010)将STONE,CRSP,RocFall等数值模拟软件在滚石运动中的应用进行了重点阐述,并介绍了滚石冲击力的计算方法; 熊倩莹等(2014)通过现场试验和Rocfall软件分析,对危岩体的影响范围进行了划分; 刘海洋等(2017)运用无人机航空摄影测量技术获取崩塌区域地形数据,可有效解决崩塌区域地形测量难问题; 梅乐等(2018)运用GIS对崩塌源进行识别,利用Flow-R模拟出崩塌灾害影响范围; 石碧波(2018)基于正态分布概率计算,改进了落石轨迹计算模型; 杨志法等(2019)提出山地旅游规划工程地质方法,为旅游景区落石灾害成因及其防治提供新思路。
滚石运动受诸多不确定性因素的影响,如物源区不稳定体的规模、滚石的体积、形状及其强度、边坡的形态及物质组成、植被发育情况等。Wang et al.(2014)对滚石风险评估中不确定性因素进行了评估,证明了对不确定性因素的识别和量化在滚石风险建模中的重要性。
滚石灾害的防护措施一般分为主动防护措施和被动防护技措施。主动防护措施是指防止落石发生,主要包括对危岩体进行锚固、支撑、注浆、勾缝、排水、主动防护网、提前排险清除等; 被动防护措施是指滚石发生后对其进行有效拦截,主要包括滚石挡墙、截石沟、拦石栅栏、拦石网、防滚石棚等(叶四桥等, 2007)。
2018年9月15日20时50分左右,尼泊尔某水电站2号支洞洞口下游侧自然边坡发生高位崩塌。崩塌后形成的滚石击中项目部自卸车,致使2人死亡, 4人不同程度受伤的严重后果。通过现场工程地质调查,分析地质灾害成因机制,作出调查结论。通过对现场遗留痕迹分析,推测出滚石的运动路径,并还原出滚石的运动轨迹及运动速度,为防护措施方案的选用提供依据。
尼泊尔位于印度和欧亚板块交界处喜马拉雅弧形构造带内。喜马拉雅构造带经历了广泛的地壳水平缩短和垂向加厚作用,形成了数条延伸上千千米以上的构造带,自北向南依次划分为4个构造单元:特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅和次喜马拉雅构造区(Megh Raj Dhital, 2015)。工程区位于高喜马拉雅构造单元内,该构造单元南部边界为中央主断裂(MCT),北部边界为藏南拆离系(STDFS)。
印度板块和欧亚大陆的激烈碰撞作用表现在近南北向相对缩短速率可达50 mm·a-1,如今的汇聚速率略有降低,但仍以30~40 mm·a-1的速率向北运动,其中近一半的板块汇聚缩短发生在喜马拉雅构造带内。沿着喜马拉雅构造弧形带,已知历史上发生过至少8次MW7.5级以上大地震。其中1833年和2015年大地震是对工程区影响最大的两次地震,影响烈度达Ⅸ度。根据工程地震安全性分析成果,工程区100年、200年和1000年一遇地震动峰值加速度为0.1g、0.2g和0.4g,属强震区。根据USGS(美国地质调查局)网站资料, 2018年8月1日以来,工程近场区无大于MW2.5级以上的地震活动。
2018年6月进入雨季, 9月份以来降雨较多。9月1日至15日期间有12天有降雨, 9月15日上午灾害发生区域还有降雨发生。工程区缓坡地段植被良好,仅较大冲沟及基岩陡坡段植被较少。引水隧洞于2018年8月20日贯通, 9月份的施工主要在首部和厂房区域,灾害发生区近1个月来无人类活动。
综上所述,第四系以来工程区所在的高喜马拉雅构造区地壳强烈抬升,造就了高山狭谷的地貌特征,加之多次震动的影响,山坡表层岩体松弛破碎,危岩体众多,为地质灾害的发生提供了充足的地质条件,是崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害活动最为强烈的地区之一。9.15灾害发生前灾害发生区无人类活动,灾害发生于天然边坡上,非人类活动的影响,属自然地质灾害。
2号施工支洞下游地质灾害点在前期地质灾害排查中被编为2-4地质灾害点,并设置有防护措施。地质灾害点边坡上部(高程约2100 m以上)基岩裸露,多呈弱风化状,为陡立的岩质边坡,部分段坡度大于80°,岩层产状N10°W NE∠80°,与边坡走向小角度相交,属斜向岩质边坡,出露基岩为片麻岩,为硬质岩,呈现中厚层-厚层状。除层面节理外,尚发育有两组节理,一组与边坡小角度相交,产状N70°E SE∠80°,另一组缓倾坡内,产状N50°E NW∠30°。层面节理与这两组节理构成的结构体大小不一,有形成大型结构体的条件。根据赤平投影分析,结构体处于基本稳定状态,不易失稳。但在坡顶或地形突出的地段,受卸荷的影响可构成倾倒式危岩体,同时当下部岩体失稳后可能形成坠落式危岩体。边坡中部依旧为岩质边坡,坡度略缓,约45°左右,大部分地段植被良好,以松树为主。边坡中下部为土质边坡,由崩坡积体构成,土质松软,植被茂密。边坡发育两条冲沟,近2号施工支洞的冲沟(以下简称上游冲沟),沟内多有崩塌堆积,沟内陡坎处多基岩出露。下游冲沟规模较小,沟内植被良好。
从边坡地质条件可见,上游冲沟上部基岩裸露的陡立边坡是崩塌发生的主要物源区,初步估算物源区范围至少约2000 m2。裸露基岩为中厚-厚层状片麻岩,多呈弱风化状,岩石强度高,在裂隙的切割下能够形成较大的块体,为滚石的产生和运动提供便利条件,边坡中部为崩塌体滚落区,中下部为堆积区。灾害发生前崩塌主要发育于上游冲沟上方,以碎屑的形式沿上游冲沟运移。2015年MW7.8级地震发生后地震灾害调查表明, 2-4地质灾害点沟内分布有崩塌形成的块石,沟口的路面散落较多岩块。说明地震后边坡崩塌的物源及运移方式并未发生大的变化。
对比9.15灾害发生前后的照片(图1~图2)发现,崩塌主要发生于上游冲沟附近,其他区域崩塌现象不明显。但9.15地质灾害时崩塌明显向高高程扩展。可见本区地质灾害主要发生于冲沟附近,且符合下部岩体失稳形成坠落式危岩后岩体崩塌继续向高高程扩展的规律。
图1 9.15灾害发生前边坡图
图2 9.15灾害发生后边坡图
9.15地质灾害发生于2018年9月15日20时50分左右,由于天黑,无目击灾害发生过程的人员。根据受伤人的口述: 20时10分左右, 9名工人步行途经2号支洞附近时,发现施工道路上有落石,于是联系装载机前来清理。在装载机清理路面落石过程中,约20时50分,在场人员发觉上部边坡突然落石,自卸车、装载机和人员都后退避险。避险过程中,自卸车被滚石砸中并翻落至坡底(坡高约80 m)。据调查,灾害发生区对面当地居民反映,事发时听到了巨大的响声。
现场崩塌堆积物主要分布于冲沟内,且上部碎石较多,沟口路面也有大量落石,事发点有回弹坑。可见本区总计发生两次崩塌事件,且第2次的规模大于第1次。自卸车被吊起放平,发现该车左前方有约0.5 m×0.5 m孔洞,孔洞内壁铁皮向下紧贴四周,转向臂断裂痕迹与路面掉落部分痕迹吻合,其他部位未发现明显滚石撞击痕迹。可见车辆当时仅被一块滚石击中,且方量较大,与现场只有一个回弹坑的撞击特征相吻合。
通过对9.15地质灾害后现场进行详细工程地质调查后发现,崩塌物主要散落于上游冲沟路面上,其他地区很少见到崩塌的块石,说明大部分崩塌形成的块石依然沿上游冲沟运移。事故点仅在车辆侧翻处的路面有回弹坑,但路面无碎石仅有几个断裂的松树枝,道路内侧边坡可见滚石与地面的划痕。擦痕走向140°,倾角55°,说明击中车辆的滚石路径为NW320°,指向冲沟拐弯处。
沿程调查发现在这一路径上有少量的碎石分布,在冲沟下游侧山梁上有石块卡在较大的树枝上,其方向指向冲沟下游侧; 根据被石块打断的松树断口方向判断滚石飞行方向也是指向冲沟下游侧。根据这些现象分析判断滚石的轨迹线与落点擦痕方向基本一致,滚石在空中斜越两个冲沟的山梁。滚石与树木的擦痕高于地面4 m。
通过对上游冲沟的进一步调查,发现在陡立边坡下部,冲沟急转向下游侧,且沟面倾向下游,如图3所示。沟内堆积有大量碎石,且在沿沟方向有少量石块分布。说明冲沟上方崩塌体坠落至此部位后破碎形成滚石,为第1撞击点(图4)。
图3 冲沟流向变化
图4 第1撞击点及散落碎石
高位崩塌区的方量约500m3左右,塌落后的坡形表现为明显的坠落特征,说明产生了较大规模的崩塌,强烈撞击会产生很大的声响,被对岸的当地村民听到是正常的。
低位崩塌区边坡不具备发生大规模崩塌的条件。现场发现有撞击痕迹,且位于滚石飞行的路径上,分析认为此处为滚石的撞击点,通过现场调查分析,未发现该撞击点至第1撞击点间有明显的滚石撞击痕迹,可认定该处为滚石的第2撞击点。
零星落石点至车辆撞击点的方向大约为120°,与地面擦痕方向差异较大。故认为击中车辆的滚石来源此处的可能性不大。
根据以上痕迹分析,高位崩塌区发生崩塌,在撞至第1撞击点后形成滚石,滚石轨迹方向约140°,在冲沟下游侧撞击第2落点发生弹跳后砸中位于路面的自卸汽车。现场整体灾害痕迹如图5所示。
图5 灾害痕迹图
高陡边坡危岩塌落形成的滚石具有突然性、运动速度快和路径不确定的特点。一般崩塌发生后,岩块运动方向与地形等高线垂直,当发生撞击时,运动方向常会发生改变。根据崩塌区地质条件分析认为其机理如下:
崩塌区地形坡度陡立。崩塌区岩体受节理切割,结构体倾向坡内,不易发生滑动,大部分结构体处于基本稳定状态。由于岩体卸荷、长期风化、雨水侵蚀等作用,在坡顶或地形突出的地段存在倾倒式危岩体,当下部岩体失稳后,将形成坠落式危岩。经过多次崩塌后,崩塌区高位结构体由倾倒式转变为坠落式,具有发生较大规模崩塌的地质条件。9月15日第1次崩塌后,导致崩塌区上部岩体的稳定性变差,发生2次崩塌,第2次崩塌体积约500m3,坠落的岩体在高速下落过程中,击中冲沟谷转弯处倾向下游的沟床,崩塌体分解过程中大部分岩块沿冲沟以屑碎流的形式运行,部分岩块运行方向发生改变,抛向下游,其中一部分散落在边坡上,个别大块石向沟谷下游做斜抛运动,在击中第2撞击点后发生跳跃并击中正避险的车辆而引发事故。因此,高位危岩体崩塌撞击沟床后形成滚石是造成事故的直接原因。
滚石运动与很多不确定性因素相关,前节对物源区规模与滚石途经的边坡形态、物质组成、植被发育情况等做了描述说明。滚石的运动轨迹还与滚石本身的块度、形状及力学性质有关。本节就滚石本身的这些不确定性因素做简要的补充说明。
危岩体整体脱离母岩时,体积普遍较大,体内裂隙发育,击中沟谷沟床后,崩塌体分解,分解后的岩块完整性好。对比该灾害点本次和以往的灾害现场发现,散落在沟口和路面的滚石块径一般为0.2~1.5 m,呈棱角状,原岩岩性为片麻岩,强度高。
通过对本次灾害现场痕迹和自卸车底盘上残留的孔洞分析,击中自卸车的滚石块径约0.5 m,滚石的密度约2.7g·cm-3。
危岩落石的运动状态一般分为坠落、滑动、滚动、碰撞弹跳、斜抛运动。危岩落石在空中飞行时,空气阻力、风力及风向等都对其有影响,但其影响与飞石的形状、大小等诸多因素有关,是非线性的,很难将其量化。且这些因素都会导致飞石的运动速度和能量降低,若不考虑这些因素的影响,对支护措施设计和防护是有额外安全度的。本节对落石做如下假设: ①将岩块视为均质体,不考虑岩块散体对飞行路径的影响; ②不考虑岩块在空中飞行时的自转; ③不考虑空气阻力、风力及风向的影响。
(1)坠落。坠落指危岩体脱离母岩后,只在重力作用下的运动。
(2)滑动或滚动。滚石沿着坡面运动时一般分为滑动或滚动。当坡角较大,即mgsinα>f时,滚石将沿坡面滑动; 当坡角较缓时,则为滚动。滑动状态下,滚石的加速度a见式(1),滚石沿坡面滑动s距离后的速度νt见式(2)。
(1)
(2)
式中:α为边坡坡角(°);f为滑体的抗滑力(N);μ为滑块与坡面间的摩擦系数;ν0为滑块刚开始滑动时的初始速度(m·s-1)。
(3)碰撞弹跳及斜抛运动。滚石撞击地面时属于非弹性碰撞,需将撞击前瞬间的水平速度ν1x和竖直速度ν1y分解为顺坡面的切线速度ν′1x和垂直坡面的法向速度ν′1y,相关公式见式(3)~式(4),其中α为撞击点处边坡坡角。
v′1x=v1xcosα+v1ysinα
(3)
v′1y=v1ycosα-v1xsinα
(4)
根据前人的研究,切线速度的变化由瞬间摩擦决定,即滚石碰撞后顺坡面的切线速度将变为ν′2x,式中Rt为切向恢复系数。
v′2x=Rtv′1x
(5)
法向速度的变化可根据牛顿等人提出的碰撞理论来确定,滚石碰撞后法线速度将变为ν′2y,且方向由垂直坡面向下变为垂直坡面向上,式中Rn为法向恢复系数。
v′2y=Rnv′1y
(6)
上述两个恢复系数是估算落石轨迹的重要参数。实践经验表明,碰撞点若出露基岩,且强度越高,碰撞越趋向于弹性碰撞,能量损失较小,相应的恢复系数取值越大; 相反,碰撞点若为松散的覆盖层或植被茂密,能量损失较大,相应的恢复系数取值较小。根据前人总结的经验,一般情况下,滚石碰撞弹跳的切向恢复系数Rt在0.4~0.9之间,法向恢复系数Rn在0.2~0.5之间(吕庆等, 2003)。
然后再将修正后顺坡面的切线速度ν′2x和垂直坡面的法向速度ν′2y分解为水平方向速度ν2x和竖直方向速度ν2y,见式(7)~式(8):
v2x=(Rtcosα2-Rnsina2)v1x+(Rt+Rn)sinαcosαv1y
(7)
v2y=(Rncosα2-Rtsina2)v1y-(Rt+Rn)sinαcosαv1x
(8)
此后滚石将做斜抛运动,当竖直方向速度减小至0时滚石到达最高点,接着滚石将做平抛运动,直到触碰至下个碰撞点,整个过程轨迹如图6所示。
图6 滚石斜抛运动轨迹图
图中各个未知量的计算公式见式(9)~式(12):
(9)
(10)
(11)
H=Smaxtanα
(12)
滚石离开某个碰撞点后做斜抛运动至下一个碰撞点之间的历时时间t,见式(13)。
(13)
滚石即将撞击下个碰撞点前瞬间的水平速度ν3x和竖直速度ν3y分别为:
v3x=v2x
(14)
(15)
滚石再次碰撞后,将重复上述过程运动。当滚石沿法向向上的速度趋于0时,滚石将顺坡滑动或滚动,直至最终停下来。
(4)落石轨迹及能量计算。无人机具有操作方便,可视化强,工作效率高等优点(王帅永等, 2016),尤其是在类似山高坡陡,地形复杂,植被相对稀疏的地区进行地质灾害排查和高精度、高分辨率的地形测量具有得天独厚的优势。但尼泊尔是无人机管制国家,若想使用,申请手续相当繁琐,本次工程地质调查未能使用无人机进行调查与测量。
根据调查成果,危岩体崩塌后形成的滚石运动轨迹平面示意图如图7所示。根据调查出的撞击点位置、物质组成及几何特征,再运用运动学原理反分析出撞击点处的恢复系数。落石的运动过程如下:危岩体在O点脱离母岩后沿OA斜面(129°)滑动,到达A点与基岩面发生碰撞。由于此时岩块的体积很大,碰撞产生了巨大的响声。碰撞后大部分岩块分解沿冲沟以碎屑流的形式向下滑落,部分大块石沿145°方向做斜抛运动。在自重作用下,竖直速度迅速增大,重力势能转化为动能,到达B点后发生第2次碰撞,此时落石的动能非常大,碰撞又一次产生了巨大的响声。第2次碰撞点植被茂密,土质松软,吸收了较大的能量。碰撞后落石再次做斜抛运动,由于碰撞后初始竖直分速度较小,滚石运动轨迹近乎平行于坡面。最终碰撞至C点,而此时自卸车司机根据山体上传来的异响正在倒车后退,正退至C点。滚石在C点再次反弹,击中了自卸车底盘,导致车侧翻后顺边坡滚落至坡底,造成了严重的安全事故。
图7 岩体崩塌后落石运行轨迹平面示意图
根据上述理论公式计算,滚石整个运动过程的几何及力学参数见表1,滚石的运动轨迹见图8。
表1 滚石几何参数及运动参数
图8 滚石运行轨迹剖面示意图
从表1中可知,危岩体整个运动过程不到25 s,尤其是撞至A点产生巨大声响后到滚石击中自卸车该过程不足13 s。这个时间不足以让自卸车司机在天黑慌乱的情况下将车倒退至安全地带。根据动能公式可知,击中自卸车滚石能量E=34 kJ。
综合以上分析: 2-4地质灾害点地质灾害活动具有向高高程扩展的特征。9月15日第1次崩塌后,导致超高位的岩体下部临空,由倾倒式转变为坠落式,发生较大规模的二次崩塌。部分崩塌体在高速下落过程中,击中冲沟谷转弯处倾向下游的沟床,分解后部分岩块运行方向发生改变,向沟谷下游做斜抛运动,在击中第2落点后再次弹跳,由于滚石速度快能量大,击中正避险的车辆引发事故。
物源区边坡整体稳定,但存在不稳定块体,从不确定性因素角度考虑,年发生概率较低,但一旦发生,危害性大。
随着崩塌灾害的继续发生,崩塌危岩体的位置有向高高程扩展的趋势,与前期发生的灾害相比,后期落石运动路径及落石坠落区域的不确定性增大,灾害点前期防护措施整体有效,需进一步清理维护,但更重要的是在滚石可能影响范围内进行有效的拦截防护。
为灾害后设置有效的防护装置,需要掌握超高位危岩体崩落后运动至进场道路处的飞行高度及能量大小范围。利用rocfall软件对超高位危岩运动轨迹进行随机模拟分析,假定超高位崩落的危岩体是直径约为0.5 m,质量约175 kg的岩块,质地坚硬; 初始速度为0; 不考虑角速度; 边坡粗糙度均设为2°。其余rocfall软件中所需的边坡相关参数见表2。
表2 边坡基本参数
滚石轨迹如图9所示,从图中可知,大多数滚石离开第2撞击点后将处于低空飞行状态。这与现场调查时发现的滚石与树木间的擦痕高度相匹配。
图9 Rocfall软件模拟滚石运行轨迹
通过rocfall软件分析计算,滚石运动过程中能量变化如图10所示。
图10 滚石运动中的动能变化
可见滚石运动至盘山公路时的能量约200 kJ,且滚石均为硬质岩,强度高,块径一般为0.2~1.5 m,破坏能力强。普通的钢丝网无法有效拦截。张口式帘式网具有很强的韧性,防护能级高,且具有拦截和引导的双重功能(吕汉川等, 2018),可有效解决传统拦截系统清理难度大的问题。
隧洞进口及盘山道路上部边坡可采用张口式帘式网对高陡边坡滚石进行防护。防护网设置时,最好直立并略向下游倾斜,这样能够更好地对滚石进行拦截。建议防护装置设置如图11所示。
图11 张口式帘式网支护方案示意图
除了设置防护网外,还可以在第2撞击点一定范围内布置一定厚度的砂土,这对落石的能量有较强的吸收作用,能够有效降低滚石灾害的风险。
2015年4.25大地震后2号洞洞口下游冲沟落石问题比较突出,根据安全需要项目部采取了以下安全措施:清除洞口边坡左侧松散的碎屑物质并进行喷砼防护; 在洞口边坡上方建多道防护网,并设置排水系统; 在下游冲沟上方不同位置处建造三道铅丝笼挡墙; 在落石频发路段完成了预制混凝土人行通道的修建,并在上部铺设了一定厚度的砂土; 所有车辆和移动设备应停放在远离洞口及滚石可能出现的位置; 安排了专职安全员24 h值守,主要负责人员出入登记和边坡巡查。
通过本次现场调查发现,以上预防边坡滚石灾害的安全措施均具有一定的成效。人行通道顶部堆积了大量碎屑物质,且外侧有被落石击中刮擦的痕迹,人行通道内部完好无损; 冲沟中建造的铅丝笼挡墙阻挡了大量顺沟滑落的碎屑物质; 修建的防护网大部分已被落石击穿。
9.15地质灾害发生于前期排查的2-4地质灾害点范围内。地质灾害发生区为天然边坡,无人类活动的影响,属自然地质灾害。
9.15地质灾害共发生两次崩塌,第1次规模较小,无人员和财产损失,第2次崩塌发生在排险过程中,为超高位岩体崩塌,由于滚石速度快,且其落石的范围超过前期预测的危险区,司机在短时间内无法完全将车倒至安全地带,是造成事故的主要原因。
除洞口附近处的危岩体可采取清除或锚固的方法处理,其余区域均为高陡边坡,只能采取被动防护措施。
该边坡属于超高边坡,一旦发生崩塌后,滚石的速度快,能量大,路径不明确,覆盖范围大。需对危险区范围进行重新划定,并在危险区范围内设置被动防护网,应采用高度不小于5 m的张口式帘式网代替前期的铅丝笼拦网; 在危险区树立警示牌,拉警戒线,要求行人观察后快速通过,不允许在危险区逗留; 严禁夜间处理灾害不明的崩塌体和落石; 要进一步健全地质灾害防范体系,完善地质灾害避灾路线,有针对性地加强员工地质灾害应急处置和避险培训。
工程区边坡高陡,松散物源丰富。2015年地震后加剧了地质灾害的发生。地质灾害的发生具有时效性,地质灾害发生部位和影响范围可能发生变化,且滚石灾害突发性强,速度快,建议对工程区地质灾害进行排查,划分危险源和危险区,重新确定地质灾害防范措施。
利用奥维地图、罗盘、测距仪等进行现场定位有一定的误差,尤其在滚石的实际运动路径、碰撞点的实际特征、计算参数取值及数值模拟结果等方面的不确定性较大,建议在条件允许下可用无人机对类似工程物源区做详细调查,识别崩塌体的位置、规模并量化风险分析中的不确定性因素,测量高精度地形图,提高定量计算和模拟的可信度,为实际工程灾害排查与防护提供切实有效的决策建议。
工程区域大多为高陡边坡,除洞口附近可采用主动防护措施外,其余均只能采取被动防护措施,张口式帘式网防护能级高,推荐采取张口式帘式网对危险区高陡边坡滚石进行防护。