攔石方案在巖溶洼地中的應(yīng)用——以FAST工程為例Application of B lock Stone Scheme in KarstDepressions

朱　軍，付君宜，吳　斌，王　鴻（1貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州貴陽550005；2貴州省巖溶地基工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550005）

攔石方案在巖溶洼地中的應(yīng)用——以FAST工程為例
Application of B lock Stone Scheme in KarstDepressions

朱軍1，2，付君宜1，2，吳斌1，2，王鴻1，2
（1貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州貴陽550005；2貴州省巖溶地基工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550005）

國(guó)家天文臺(tái)500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱FAST）是建設(shè)在天然超大型巖溶洼地內(nèi)的國(guó)家大型科學(xué)項(xiàng)目。由于該工程所處喀斯特洼地，周邊陡崖、峰林環(huán)繞，巖堆、危巖及崩塌密布，洼地內(nèi)無平坦的場(chǎng)地供工程拼裝使用，如何防治陡崖崩塌同時(shí)解決拼裝場(chǎng)地是該工程需要解決的問題。

巖溶洼地；陡崖崩塌；設(shè)計(jì)方案

基金論文：該論文為兩個(gè)貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：黔科合SY字（2014）3086、黔科合機(jī)字［2011］4002號(hào)）論文之一。

0　引言

崩塌是指陡峻斜坡上的危巖體在重力作用下脫離母體的崩落現(xiàn)象，是高山峽谷地區(qū)普遍發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害之一［1］。在我國(guó)西南地區(qū)巖溶洼地上的陡崖一般較為發(fā)育，溶溝、溶槽及溶蝕裂隙分布較廣，故易在洼地周圍形成大量的崩塌性危巖。傳統(tǒng)的方法一般通過加固危巖體的方式來治理崩塌，本文根據(jù)FAST工程內(nèi)的危巖設(shè)計(jì)了一種攔石槽，該攔石槽能夠在陡崖發(fā)生崩塌時(shí)，有效地將崩塌的巖石碎塊與周圍建筑物隔離。

1　巖溶洼地陡崖崩塌防治設(shè)計(jì)

1.1地質(zhì)背景

根據(jù)勘察報(bào)告的危巖分布，這里以大窩凼WY89為例。

（1）斜坡外形特征

WY89位于大窩凼洼地北側(cè)斜坡頂部，地形坡度85°左右，坡向197°，危巖帶寬250m，高15m，坡面為階梯狀。

（2）地層巖性

基巖區(qū)，危巖及基座巖性為T2l3淺灰、灰色中～厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r夾褐黃色含泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖，巖層產(chǎn)狀10°∠10°。斜坡結(jié)構(gòu)類型為逆向坡。

（3）巖體結(jié)構(gòu)特征

巖體中發(fā)育多組節(jié)理裂隙，主要有160°∠85°及240°∠80°，第一組節(jié)理長(zhǎng)0.5～1.0m，寬0.5m，深0.1～0.5m，間距0.1～ 0.5m；第二組節(jié)理長(zhǎng)0.5～1.0m，寬0.5m，深0.1～1.0m，間距0.5～1.0m，無充填。該點(diǎn)為危巖帶，主要為巖石塊零星分布于崖壁及頂部，塊石一般為1.0m3，最大塊石為2.0×2.0×1.0m3，該危巖體繞小窩凼崖頂成弧形分布，長(zhǎng)約250.0m，高約15.0m，總方量為750.0m3。

圖1　陡崖崩塌防治設(shè)計(jì)剖面圖

圖2　陡崖崩塌防治設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)圖

WY89處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巖腳見少量剝離、墜落巖塊，滾落最大塊石1.0× 0.5×0.2～3.0×1.0×0.5m3。在風(fēng)化、強(qiáng)降雨等因素的引發(fā)下危巖塊體極易產(chǎn)生墜落。

1.2巖溶洼地陡崖防治設(shè)計(jì)［2-4］

本文設(shè)計(jì)的巖溶洼地陡崖防治設(shè)計(jì)由攔石壩、落石槽和排水溝組成［5］。陡崖防治設(shè)計(jì)組成部分見圖1所示，攔石壩頂部有危巖如圖2所示，其同時(shí)作為拼裝場(chǎng)地如圖3所示。

圖3　壩頂大型拼裝場(chǎng)地圖

（1）攔石壩

攔石壩的壩體為填方高邊坡，壩頂為大型拼裝場(chǎng)地，為滿足場(chǎng)地10000m2以上的使用面積，臨建筑物一側(cè)為分兩段放坡，邊坡坡率為1∶1.5，第一段高度為4.13m，第二段高度為10.87m，臨危巖一側(cè)邊坡坡率為1∶2.3，高度為4.76m，如圖3所示。攔石壩標(biāo)高為940m，F(xiàn)AST臺(tái)址開挖土石方量達(dá)到了86.5萬m3［6］。由此產(chǎn)生的部分廢渣的處理問題是必須要考慮的，本著充分利用資源的目的，將該部分廢渣作為攔石壩的填筑材料，其坡體填料為碎石或塊石，粒徑在150～500mm之間。填料回填之前需要對(duì)地表植被層進(jìn)行清除處理，且清除的植被層不能再次作為填料回填。填料采用漸進(jìn)式法，以便回填時(shí)盡量做到填料上細(xì)下粗，使細(xì)粒填料能更好地充填空隙，增加壓實(shí)后的密實(shí)度；壓實(shí)厚度每層不大于1000mm?；靥铐斆嬉韵?00mm范圍內(nèi)控制最大填料粒徑不大于150mm。

（2）落石槽

在攔石壩與危巖之間設(shè)有落石槽，落石槽的底部寬度為23.46m，且橫截面下窄上寬。

（3）排水溝

落石槽底部設(shè)有排水溝，排水溝為混凝土結(jié)構(gòu)，寬度為1.1m，高度700mm。

2　攔石壩和落石槽尺寸驗(yàn)算

塊石從自然山坡的較高處向下崩落，其運(yùn)動(dòng)形式與石塊形狀、山坡坡度等因素有關(guān)，在長(zhǎng)大山坡上，通常是滾動(dòng)、滑動(dòng)、跳躍等形式兼而有之。這里采用蘇聯(lián)尼·米·羅依尼什維里教授提出的落石運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算方法。

2.1落石速度計(jì)算

將圖3中的危巖體（WY89）下部的自然邊坡簡(jiǎn)化為如下A、B、C、D四個(gè)山坡（見圖4）［7］。

A段山坡：石塊從陡坡墜落至A段山坡末端處時(shí)的速度Va的計(jì)算公式為：

表1　阻力特性系數(shù)K值計(jì)算公式表

注：K值計(jì)算公式可用于下列情況的山坡：

①α≥45°基巖外露的山坡；

②α=35°～45°基巖外露，局部有草和稀疏灌木的山坡；

③α=30°～35°有草，稀疏灌木，局部基巖外露的山坡；

④α=25°～30°有草，稀疏灌木。

B段山坡：石塊自B段邊坡向前運(yùn)動(dòng)的反射切線分速度（初始速度）Vb0為：

式中λ為塊石沖擊到緩坡上的瞬間摩擦系數(shù)，此處取λ= 0.3，下同。

石塊運(yùn)動(dòng)至B段山坡末端處的速度為：

C段山坡：石塊自C段邊坡向前運(yùn)動(dòng)的反射切線分速度Vc0= Vb，石塊運(yùn)動(dòng)至C段山坡末端處的速度為：

D段山坡：石塊自D段邊坡向前運(yùn)動(dòng)的反射切線分速度Vd0由式（2）得Vd0=（1-λ）Vccos（αc-αd），石塊運(yùn)動(dòng)至D段山坡末端處的速度由式（3）得

圖4　陡崖崩塌防治設(shè)計(jì)山坡分段圖（單位m）

由上式計(jì)算石塊在各個(gè)坡段的初速度和末速度如表2所示。

表2　石塊下落速度

由表2得石塊在D坡段的初始速度和末端速度分別為Vd0= 10.856，Vd=11.839。

2.2落石騰躍計(jì)算［8］

落石槽的最小尺寸主要與石塊運(yùn)動(dòng)軌跡與山坡面的最大偏離距離有關(guān)，從而確定攔截建筑物的高度和建筑物與山坡之間的最小距離。如圖5所示，當(dāng)α＜60°時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡在水平方向?qū)π逼旅娴淖畲笃凭嚯xlmax為：

質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡在垂直方向?qū)π逼旅娴淖畲笃xhmax為：

式中V0為石塊落至O點(diǎn)時(shí)的反射速度；β為石塊反射速度V0的方向與縱坐標(biāo)軸間的夾角。

β角值根據(jù)大量試驗(yàn)觀測(cè)資料為：

式中Vj為石塊落至O時(shí)的入射速度。

圖　撞擊后質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖6　落石平臺(tái)寬度計(jì)算圖

如圖6所示，由上式計(jì)算最大偏移距離lmax和hmax，其中α取D段坡的坡度；V0取D段坡末端速度Vd；Vj此處取D段坡初始速度Vd0。計(jì)算得lmax=9.11m，hmax=4.647m。由于落石槽的實(shí)際尺寸為23.46m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足計(jì)算的要求，這里不再做石塊彈跳計(jì)算，同時(shí)攔石壩實(shí)際尺寸同樣滿足要求。

3　結(jié)論

（1）本文提供巖溶洼地陡崖崩塌防治的設(shè)計(jì)方法，通過在FAST工程中的應(yīng)用，表明該設(shè)計(jì)方法可以有效解決巖溶洼地區(qū)域的陡崖崩塌防治問題。

（2）攔石壩不僅為有效攔截塊石的沖擊，同時(shí)攔石壩頂部的10000m2以上廣闊平臺(tái)為FAST洼地環(huán)境下無建設(shè)場(chǎng)地提供了強(qiáng)有力的保證。

（3）攔石壩由挖方而來的廢棄碎渣填方而成，充分利用場(chǎng)區(qū)資源，充分展現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)節(jié)約型、環(huán)境友好型工程建設(shè)典范。

［1］任美鍔，劉振中.巖溶學(xué)概論［M］.北京：商務(wù)印書館，1983：12-15.

［2］王興平.四川省宣漢縣天臺(tái)鄉(xiāng)滑坡治理排水工程措施及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2007.

［3］徐開祥.滑坡及危巖（崩塌）防治工程措施選擇與工程設(shè)置［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005，16（4）：130-134.

［4］楊艷娜，許模.邊坡失穩(wěn)段路基的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003（3）：44-46.

［5］沈志平，楊振杰.一種巖溶洼地陡崖崩塌防治結(jié)構(gòu)［P］.中國(guó)：ZL2014200996939.5，2014-07-30.

［6］吳斌，楊振杰.巖溶洼地開挖設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（25）：187-191.

［7］鐵道部第一設(shè)計(jì)院.特殊條件下路基［M］.北京：人民鐵道出版社，1978：257-291.

［8］胡厚田.崩塌與落石［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1989：102-123.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Nationalastronom icalobservatory 500m Aperture Spherical Telescope（FAST）is agreatnational science projectbuilton the super largenatural karst depression,due to which the project is surrounded by cliffs and mountains and threatened by rockpiles，dangerous rocks and cliff collapse. There isno flatground forassembly,so the prevention and treatmentof cliff collapse and assembly ground are the urgent issues to be handled for this project.

Karstdepression;cliff collapse;design scheme

TU 471.99

A

1671-9107（2016）10-0034-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.10.034

2016-07-08

朱軍（1974-），男，貴州貴陽人，研究生，高級(jí)工程師，從事關(guān)于巖土工程的研究工作。