蒙西至華中鐵路某崩塌落石的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)特征分析

張志民

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 崩塌區(qū)的地質(zhì)條件

崩塌所處區(qū)域地貌單元屬低山丘陵區(qū)，主體山脈大致呈南北走向，支脈向東西方向展布，整體地勢(shì)西北高東南低，最高海拔高程約750 m，最低海拔高程約400 m。地貌受構(gòu)造及巖性控制明顯，兼有剝蝕、侵蝕、溶蝕類型。地形起伏較大，自然坡度一般20°～30°，局部山高坡陡，溝谷深切，陡峻成崖，自然坡度達(dá)70°。

崩塌區(qū)域地層較為簡(jiǎn)單，上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積碎石土、細(xì)角礫土、黏土、粉質(zhì)黏土，下伏石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r夾泥灰?guī)r。

受斷裂構(gòu)造擠壓影響，褶皺構(gòu)造發(fā)育，石炭系中上統(tǒng)地層組成有代表性的向斜和背斜，在向斜和背斜之間又發(fā)育次級(jí)向斜、背斜?？偟目催@些向斜、背斜軸線走向方向呈NE分布，軸面產(chǎn)狀較陡，有的近乎直立，兩翼基本對(duì)稱。本危巖落石體位于區(qū)域背斜的軸部附近，且受附近多條斷層影響，巖層較破碎，坡體較陡。

2 崩塌落石的基本特征

崩塌位于河谷斜坡區(qū)， 崩塌體坡腳高程530 m，頂部高程約600 m，相對(duì)高差約70 m。發(fā)生崩塌落石的山體總體呈上陡下緩，上部基巖裸露形成較陡高的臨空面，坡度約70°；下面坡體坡度約50°，大部分基巖裸露，可見少量植被和灌木叢，坡腳以下為洪積扇，扇體坡度約15°～20°。

灰?guī)r夾泥灰?guī)r呈層狀產(chǎn)出，基巖松散破碎，呈碎塊狀，坡面基巖主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙，將巖體切割呈塊體狀，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化作用的影響形成危巖，在自重及卸荷作用下產(chǎn)生落石，這些裂隙是發(fā)生危巖落石的主要結(jié)構(gòu)面。危巖受構(gòu)造影響及灰?guī)r與泥灰?guī)r的差異風(fēng)化形成的結(jié)構(gòu)特征，是崩塌落石形成的基本條件；崩塌山體坡度陡、相對(duì)高差大是崩塌落石形成的空間條件，也是該崩塌落石形成的必要條件之一。

崩塌坡角距蒙西至華中鐵路約20 m，主崩方向正對(duì)擬建線路，在暴雨或地震誘發(fā)作用下陡坡上的巖體向下崩落，將直接危害擬建鐵路的建設(shè)及運(yùn)營安全。

3 崩塌落石穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

陡坡上分布的危巖塊體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，采取以定性分析為基礎(chǔ)，以定量計(jì)算為重要輔助手段進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)[1，2]。

3.1 穩(wěn)定性定性分析

通過野外實(shí)地勘察，坡面上的危巖塊體經(jīng)3組裂隙切割后各部分和穩(wěn)定巖體間均有裂隙分開，部分巖體已經(jīng)輕微外傾，野外判斷其處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。選取一處代表性危巖塊體，通過室內(nèi)赤平投影分析，其不利結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡面傾向一致，但傾角小于坡面傾角，分析結(jié)論為不穩(wěn)定狀態(tài)(如圖1所示)。

圖1 危巖赤平投影分析

3.2 穩(wěn)定性定量分析

在不利因素作用下，陡崖分布的危巖體相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生重心偏移，將以底面一點(diǎn)為轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。取某危巖塊體為例，其三組節(jié)理裂隙貫通，危巖塊體下的泥灰?guī)r風(fēng)化內(nèi)凹，繼續(xù)風(fēng)化將使巖體部分臨空呈傾墜趨勢(shì)。設(shè)X、Y表示危巖體各點(diǎn)的坐標(biāo)，由圖2中可知，XD-XC<0、XA-XB<0，其穩(wěn)定系數(shù)按傾倒式崩塌穩(wěn)定性公式[1，3]計(jì)算。

圖2 危巖受力示意

根據(jù)公式可計(jì)算出危巖體加固前及加固后的穩(wěn)定性系數(shù)及設(shè)計(jì)的錨固力、距傾倒轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離及錨固角度。分析的危巖體體積為3.7 m3，體積較小，所以不考慮對(duì)其進(jìn)行錨固的治理方案，且危巖體裂隙貫通，不考慮抗拉應(yīng)力作用，則穩(wěn)定性計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

(2)

其中：

(XD-XB)(YA-YC)]

(3)

(5)

式中，W為危巖塊體重力/kN；a為傾倒轉(zhuǎn)點(diǎn)至重力延長線的垂直距離/m；U為靜水壓力/kN；hu為靜水壓力的力臂/m；F為水平地震力/kN，由F=Wξ計(jì)算，ξ為水平地震影響系數(shù)；c為水平地震力相對(duì)傾倒轉(zhuǎn)點(diǎn)的力臂/m。

荷載組合采取自重+孔隙水壓力+地震力的最不利情況，灰?guī)r重度為27 kN/m3，水平地震影響系數(shù)ξ取0.28，計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)K=0.91，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 落石的運(yùn)動(dòng)特征

落石在傾倒下墜過程中，遇到傾角較大且基巖裸露的坡面，就會(huì)發(fā)生碰撞彈跳，這種碰撞屬于非彈性碰撞。計(jì)算模型[7]采用規(guī)范[4]中的方法及推薦的法向恢復(fù)系數(shù)與切向恢復(fù)系數(shù)來分析危巖失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)軌跡。建立模型時(shí)，參考已有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成果[5]，采用粒徑為1 m的塊石進(jìn)行計(jì)算(如圖3所示)。

圖3 落石彈跳碰撞分析模型

(6)

落石的速度在碰撞處存在如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

(7)

當(dāng)?shù)趇次與第i+1次碰撞的位置位于坡面的同一折線段時(shí)，根據(jù)拋物運(yùn)動(dòng)基本公式可求得兩次碰撞的間隔時(shí)間

(8)

結(jié)合巖質(zhì)邊坡基巖裸露及植被的情況，分析時(shí)落石與邊坡間法向接觸系數(shù)取0.36，落石與邊坡間的切向接觸系數(shù)取0.84。

a=Bg(sinαLj-μcosαLj)

(9)

由能量守恒定律，滾滑運(yùn)動(dòng)的落石在斜坡折線段的任意處速度Vt可由如下公式計(jì)算

(10)

經(jīng)分析計(jì)算，落石最終滾落的位置距邊坡坡腳的水平距離S=42.2 m。

落石在坡面折線段L2與L3相交處的動(dòng)能最大，其動(dòng)能可用如下公式計(jì)算[9]：

(11)

式中，ET為落石平動(dòng)動(dòng)能(J)，Vi為防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置位置落石運(yùn)動(dòng)速度(m/s)。落石最大動(dòng)能為5 185.29 kJ。根據(jù)以上公式，可以計(jì)算出擬建防護(hù)結(jié)構(gòu)位置處落石的動(dòng)能，以指導(dǎo)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

根據(jù)危巖體的實(shí)際情況，危巖治理可采取加固或防護(hù)的方案，通過對(duì)其穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)特征的分析，可以計(jì)算加固或防護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)。由于影響危巖落石運(yùn)動(dòng)因素很多，運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，建立的平面運(yùn)動(dòng)模型不能完全實(shí)際反映落石的運(yùn)動(dòng)軌跡，且危巖與碰撞點(diǎn)的碰撞系數(shù)選取的人為主觀因素影響較大，經(jīng)過計(jì)算的危巖落石動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)距離還需參照相似的試驗(yàn)進(jìn)行修正，必要時(shí)要輔以一定范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確定更加合理的計(jì)算模型和參數(shù)選擇，使設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、有效、合理的危巖加固和防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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