某隧道高位危巖落石運(yùn)動(dòng)特征分析

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

危巖落石的運(yùn)動(dòng)特征通常與工程地質(zhì)條件相關(guān)，由于高海拔地區(qū)常年受到風(fēng)化剝削及冰雪融化作用，危巖落石異常發(fā)育且具有較大的重力勢(shì)能(最終一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能)，因此對(duì)高海拔地區(qū)的危巖落石防治應(yīng)采取不同的措施。本文擬分析危巖落石的運(yùn)動(dòng)特征，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)特征初步提出危巖落石的防治措施建議。

一、工程概況

康定位于松潘-甘孜造山帶的東緣，在強(qiáng)烈的構(gòu)造營(yíng)力作用下，地殼不斷抬升，形成了筆架山、蛇海子山、白海子山等一系列呈北西向分布的山脊線。山體渾厚，區(qū)內(nèi)最大高程6060m，位于線路左側(cè)的白海子山，距離擬建隧道線路大約18km，區(qū)內(nèi)最低高程1310m，位于大渡河的河床，相對(duì)高差一般大于1000m，最大高差可達(dá)4500m以上。整體群山簇立，常年受到大渡河流域的沖刷，同時(shí)伴有季節(jié)性凍融循環(huán)(高海拔地帶)作用。峽谷延伸長(zhǎng)，切割較深，為高位危巖體的形成提供了有利地形條件。

研究點(diǎn)(擬建隧道位置)地貌上屬高山峽谷地貌，地形起伏較大，有瓦斯溝流徑，瓦斯溝流向與構(gòu)造線一致，為“V”型河谷，局部為“U”型。沖溝內(nèi)堆積有沖洪積的漂塊石土，而兩側(cè)谷坡多為殘坡積、崩坡積物覆蓋，植被茂密，基巖零星出露，形成懸崖峭壁。

二、邊坡基本特征

該邊坡位于318國(guó)道瓦斯溝至康定段。邊坡坡頂線長(zhǎng)300m，最大高差400m，水平坡長(zhǎng)為450m，坡度50o～80o，邊坡整體呈現(xiàn)陡直趨勢(shì)，坡腳為318國(guó)道，318國(guó)道左方(往康定方向)為加油站，右方為瓦斯溝流域，河流岸邊有滾石堆積區(qū)，局部有網(wǎng)狀攔擋結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖

斜坡上覆為崩、堆積(Q4col)碎石土，坡殘積(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土；下伏基巖為灰白、灰黑色厚層澄江-晉寧期(γo2(4))斜長(zhǎng)花崗巖為主?；鶐r為硬質(zhì)脆性花崗巖，風(fēng)化節(jié)理較嚴(yán)重，易形成掉塊?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要發(fā)育5組節(jié)理：①300°～310°∠24°，基本閉合，2-4條/m，延伸大于3m；②139°～149°∠21°，基本閉合，2-3條/m，延伸大于4m；③ 336°～346°∠69°，基本閉合，2-4條/m，延伸大于3m；④33°∠69°，基本閉合，2-3條/m，延伸大于4m；⑤ 75 ° ～85°∠24°，基本閉合，2-5條/m，延伸大于4m。坡面為：173°∠60°。在多組節(jié)理切割下，使得巖體破碎，巖塊多為松動(dòng)，為危巖體的形成提供了有利的內(nèi)部條件。

三、典型危巖體運(yùn)動(dòng)特征分析

為了對(duì)潛在典型危巖體可能發(fā)生的落石運(yùn)動(dòng)軌跡、能量分布和彈跳高度等特征參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算。采用加拿大RockScience公司的巖石力學(xué)分析系列軟件中的Rockfall軟件模擬技術(shù)落石的運(yùn)動(dòng)特征。

計(jì)算模型采用如下假定：①邊坡簡(jiǎn)化為由若干直線段連接而成的二維問(wèn)題；②落石形狀假定為球體，質(zhì)量均勻分布；③落石和坡面視為各向同性的彈塑性體；④不考慮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中落石間的相互作用；⑤不考慮落石碰撞破裂的影響，假定落石始終保持完整。

計(jì)算過(guò)程如下：①根據(jù)坡面的巖性、坡面覆蓋層和植被特征，確定危巖體的法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)和動(dòng)摩擦角等計(jì)算參數(shù)；②根據(jù)危巖的幾何形狀、大小和密度確定危巖的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(墜落、跳動(dòng)、滾動(dòng)和滑動(dòng))；③通過(guò)危巖體的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算危巖體的運(yùn)動(dòng)特征；④危巖體與坡面碰撞后，計(jì)算出撞擊點(diǎn)的坐標(biāo)、能量、彈跳高度；⑤輸出危巖的運(yùn)動(dòng)軌跡、能量分布、彈跳高度等計(jì)算結(jié)果。

典型危巖體的長(zhǎng)2.47m，寬1.63m，厚0.89m，質(zhì)量約6200Kg。研究區(qū)域存在大量類似質(zhì)量的危巖體，因此為了有效設(shè)置攔擋結(jié)構(gòu)，規(guī)避下部建(構(gòu))造物的風(fēng)險(xiǎn)，需要了解潛在危巖體的運(yùn)動(dòng)特征。

危巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬見圖2的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，由圖分析可知，滾石在初始運(yùn)動(dòng)階段以滾動(dòng)為主，后期以彈跳飛躍運(yùn)動(dòng)為主，大量落石停積在水平距離400-500m的區(qū)域。根據(jù)落石軌跡特征分析可知，落石彈跳高度最高可達(dá)38m，其運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)46m/s，沖擊能量達(dá)到7100kJ。其中最大彈跳高度、最大運(yùn)動(dòng)速度、最大沖擊能量大約都在水平距離350 m左右。在運(yùn)動(dòng)初始階段，速度增長(zhǎng)較緩，當(dāng)運(yùn)動(dòng)距離達(dá)到50m后，速度增長(zhǎng)幅度變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)350m后，逐漸趨于平緩，最后墜落至瓦斯溝流域后能量迅速減小直至停止。

上述模擬結(jié)果分析，首先考慮對(duì)該危巖體進(jìn)行原位支撐加固，提高其穩(wěn)定，防止發(fā)生滾落。同時(shí)，可以考慮在水平距離60m(高程大約2850m左右設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng))。由于該處落石的運(yùn)動(dòng)能量較小，可有效減小防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)能量等級(jí)，提高防護(hù)網(wǎng)的攔截效率。但后期沖擊能量過(guò)大，攔截法無(wú)法適用，因此在隧道上部建議以疏導(dǎo)法為主。

圖2 典型危巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 總動(dòng)能

四、結(jié)論

本文對(duì)康定市的某隧道進(jìn)口高位危巖體運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要獲得以下結(jié)論：(1)通過(guò)對(duì)瓦斯溝至康定段某隧道進(jìn)口高位危巖體的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：滾石的最大彈跳高度可達(dá)38m，最大速度可達(dá)46m/s，最大沖擊能量可達(dá)7100kJ，具有高速度、高能量的特點(diǎn)。(2)在隧道上部，由于沖擊能量過(guò)大，不建議使用攔截法，應(yīng)以疏導(dǎo)法為主。