中國西部山區(qū)崩塌石英災害形成條件與形成力學機理研究

中國西部山區(qū)崩塌石英災害形成條件與形成力學機理研究

崩塌和崩塌是世界上高山峽谷中常見的自然災害。這是地質和社會的一種突然而強烈的現(xiàn)象。斜坡上的不穩(wěn)定巖土體在重力、地震、降雨或其他外力作用下,突然向下崩落,在運動過程中翻滾、跳躍、相互撞擊、崩解,最后堆積于斜坡坡腳,并通過沖擊、掩埋等方式對斜坡下方的公路、鐵路、防護建筑等構造物構成嚴重威脅。崩塌形成的滾石粒徑大小從幾厘米到幾米,甚至十幾米,有的滾石質量高達幾百噸,沖擊速度高達幾十米每秒,具有非常強大的沖擊破壞能力。崩塌滾石災害在我國還具有分布范圍極廣,發(fā)生突然、頻率高,防不勝防的特點,已成為繼滑坡、泥石流災害之后的又一重大山地地質災害。近年來,我國崩塌滾石災害頻發(fā),造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失,已逐漸引起人們的高度重視。2007年5月25日,一輛中型客車從石棉縣開往漢源縣的途中,在國道108線石棉段被山上的滾石擊中車體,隨后滑下近10m高的斜坡,造成9人死亡、14人受傷的重大安全事故。2007年11月20日,宜萬鐵路高陽寨隧道發(fā)生巖崩,巨大的滾石將一輛從上海返回湖北利川的客車填埋,造成31人死亡的特大事故。特別是2008年“5·12”汶川特大地震誘發(fā)大規(guī)模的崩塌滾石災害,造成重大人員傷亡和基礎設施破壞(圖1~4)。比如:位于地震極重災區(qū)的北川中學由于后山發(fā)生大規(guī)模崩塌災害,造成近1500師生死亡的教訓(圖4);2009年7月25日都汶公路徹底關大橋橋墩被滾石砸斷,致6人死亡并造成都汶公路中斷(圖5)。2012年9月7日,彝良地震誘發(fā)大量的滾石災害,在已公布的81名遇難者中,被山上飛落而下的滾石砸中的遇難者占80%。2013年4月20日,蘆山地震中的崩塌滾石災害也是地震誘發(fā)的主要次生山地災害類型(圖6)。國內外對于崩塌滾石災害的防治方法可分為兩大類:主動防護和被動防護。主動防護可分為加固法、清除法和繞避法。其中加固法包括危巖錨固、坡面固網(wǎng)、錨噴、支撐、嵌補、排水等;清除法包括清除個別危巖、削坡等;繞避法線路改道、修建隧道、搬遷建筑等。被動防護可分為攔截法、疏導法、警示與監(jiān)測法。攔截法包括落石平臺、落石槽、攔石網(wǎng)、擋石墻、攔石堤、攔石柵欄、明洞或防滾石棚等;疏導法包括疏導溝、疏導槽等;警示與監(jiān)測法包括巡視、警告牌、滾石運動監(jiān)測、電棚欄、雷達和激光監(jiān)測等。近年來,瑞士布魯克公司研發(fā)的柔性防護網(wǎng)為崩塌滾石的防治提供了一種簡單有效的防治方法。柔性防護網(wǎng)對于表面巖石破碎、坡面無茂密的樹林和灌木的邊坡效果較好,它可以采用被動防護的方式攔截危巖、緩沖消耗掉危巖向下運動產(chǎn)生的動能,也可以采用主動防護的方式,直接對危巖進行“捆綁式”的約束。最為典型的是WICCO型、ROCCO型以及GBE型三種防護網(wǎng)技術,這三種技術針對不同的落石災害發(fā)揮著獨有的技術優(yōu)勢,大大降低了各種落石災害造成的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。崩塌滾石災害具有超強的動力特性,對沿程構筑物造成巨大的沖擊破壞。滾石一旦啟動后,其在坡面上的運動規(guī)律是減災防治必須關注的重點。Spadari等(2012)在澳大利亞新南威爾士開展了滾石的原位坡面試驗;何思明等研究了滾石坡面沖擊回彈特性,建立了滾石法向恢復系數(shù)、切向恢復系數(shù)的計算方法以及滾石坡面運動軌跡預測方法;此外,美國科羅拉多大學還開發(fā)了ROCKFALL軟件用于預測滾石坡面運動軌跡。研究崩塌滾石災害與承災體之間的動力相互作用,揭示崩塌滾石災害對承災體的沖擊破壞機理,是研究崩塌滾石災害易損性和工程結構防沖擊優(yōu)化設計的理論基礎。由于崩塌滾石災害對承災體的沖擊破壞涉及復雜的動力作用和能量轉化,國內外對此的研究工作還比較少,而且類似工作的重點都放在雪崩與防護結構的動力相互作用方面。例如:Teufelsbauer等采用室內水槽模型試驗和離散元方法研究了雪崩與防護結構的動力相互作用;Thibert在法國阿爾卑斯山區(qū)開展了雪崩對防護結構的原型沖擊試驗研究。Salciarini、Li和He采用離散元(DEM)方法研究了土擋結構防御崩塌體的有效性,其中崩塌體采用不同粒徑的圓盤組合體代替,顆粒之間的相互作用采用摩擦-接觸模型模擬,揭示了崩塌體、坡面以及土擋結構的幾何形態(tài)及其強度參數(shù)對崩塌體動力過程及其防治效果的定量影響。Plassiard等采用PFC方法研究了土擋的優(yōu)化設計;Kishi、何思明、王東坡、Delhomme、Mougin采用彈塑性接觸理論、動力有限元方法和試驗方法等研究了滾石對棚洞結構、橋墩、路面等結構的沖擊破壞。隨著全球氣候變暖,地震活動漸強,人類工程活動加劇,我國滾石災害的活動性、發(fā)生頻率與規(guī)模都將大幅上升,未來我國滾石災害減災形勢將異常嚴峻。然而,目前我國滾石災害研究基礎還比較薄弱,減災防災能力還難以滿足國家經(jīng)濟建設和公共安全的需要。具體體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)缺乏危巖失穩(wěn)的宏細觀判據(jù)。難以對潛在的滾石災害做出預判,應從宏細觀尺度上研究靜、動荷載作用下巖體裂隙從行核—擴展—貫通到失穩(wěn)破壞的動力演化機理,在此基礎上構建危巖失穩(wěn)的宏細觀準則是滾石災害研究所急需解決的重大科學問題。(2)滾石災害與承災體的動力相互作用及其易損性評價的研究亟待突破。分布于滾石災害多發(fā)區(qū)的各種構筑物(房屋建筑、交通工程、水電工程、輸油氣管線等)與滾石災害防護工程常常遭受滾石的高速沖擊,導致結構損傷和破壞。由于其相互作用涉及復雜的彈塑性變形、斷裂與損傷、短歷時的能量轉化等,現(xiàn)階段相關的研究成果還很有限,難以滿足國家經(jīng)濟建設和防災減災的迫切需求。(3)滾石災害風險評估的可靠性需要進一步提升。風險評估是保障山區(qū)重大工程和社會公共安全的重要手段,而傳統(tǒng)的山地災害風險評估一般基于經(jīng)驗性的判斷或概率統(tǒng)計模型方法,可靠性較低。目前國際前沿是基于物理模型的定量風險評估研究,開展基于滾石災害動力過程的定量風險評估研究是滾石災害減災的關鍵性突破點。因此,科學地認識滾石災害的形成演化規(guī)律,發(fā)展有效的減災關鍵技術,是我們面臨的一個重大課題。1崩塌和傾斜災害的形成崩塌滾石災害的形成要具備斜坡地形地貌、地層巖性與結構面三方面的條件,誘發(fā)因素包括地震、降雨與人類活動等等。(1)陡崖、山咀、陡崖和最佳微地貌崩塌滾石災害多發(fā)生在45°以上的急陡坡和陡崖上。據(jù)大范圍的調查統(tǒng)計,崩塌滾石發(fā)生的最佳地形坡度是55°~70°,70°以上的陡崖則是滾石(墜落)發(fā)生的最佳坡形。陡坡上突出的陡崖和山脊上凸出的山咀(又稱探頭崖)是崩塌和滾石發(fā)生的最佳微地貌形態(tài)。滾石則是坡面的單塊近球狀形態(tài)的塊石沿坡面向下的滾動現(xiàn)象。發(fā)生的地形坡度在40°以上。當陡坡面上的孤立近球狀巖塊,在地震和長期降雨作用下,巖塊的自重下滑分力大于巖塊與坡面巖土的摩擦力時,巖塊便立即滑移啟動,導致滾動。(2)巖石學和礦物學軟巖類巖、土(黏性土)是滑坡形成的主要物質,而較堅硬的脆性巖是崩塌、滾石形成的主要物質。如砂巖、石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、白云巖、白云質灰?guī)r、板巖等。這些巖體巖性較堅硬,抗風化能力較強,易形成陡崖、山咀,但性脆,在重力和振動作用下,陡崖邊、山咀上易發(fā)生沿節(jié)理裂隙的張裂和巖體卸荷碎裂。這為崩塌滾石災害的發(fā)生提供了條件。(3)組滑移后的擦痕情況控制滑坡形成邊界(滑動面)的結構面(優(yōu)勢結構面)一般有2~3組,滑坡啟動滑移后在結構面上留下擦痕;而崩塌的形成不具備這個特征,崩塌滾石災害的形成只需兩組陡傾節(jié)理,構成“X”型,再加上一組近水平的緩傾節(jié)理,即可使崩塌巖體與母巖脫離形成崩塌滾石災害。(4)震上下振動時地震對崩塌滾石災害形成的作用表現(xiàn)在地震上下振動時,將可能發(fā)生崩塌的巖體振松;左右劇烈晃動時,將可能崩塌的巖體折斷,并向臨空方向推舉、拋出。(5)坡腳沖刷作用水對崩塌滾石災害形成的作用主要體現(xiàn)在地表水、河水對坡腳的沖刷作用,使坡腳懸空產(chǎn)生崩塌;水滲入可能崩塌體的裂縫中,產(chǎn)生較大的水劈和冰劈作用(冬天裂縫中的水產(chǎn)生凍結,體積增大,使巖體裂縫增大加深)。(6)破壞巖體的穩(wěn)定性人類工程活動也是崩塌滾石災害形成的主要誘發(fā)因素,如工程施工擾動下,巖體中原有的平衡狀態(tài)被打破,引起巖體內的應力重分布,促使巖體內裂隙不斷累積和發(fā)展,進而產(chǎn)生宏觀斷裂,導致巖體發(fā)生破壞失穩(wěn),最終形成崩塌滾石災害。2裂隙巖體應力上節(jié)所述,強烈地震、暴雨以及人類工程開挖是誘發(fā)危巖崩塌的主要誘發(fā)因素,在外界作用擾動下,裂隙巖體應力發(fā)生重分布,導致巖體裂隙擴展—貫通進而引發(fā)崩塌滾石災害的發(fā)生。何思明等(2012)、吳永等(2011)、張正波等(2013)從斷裂力學的角度研究了不同類型擾動荷載下崩塌滾石災害形成的機理。2.1地震波入射方向與裂縫的正演計算拉剪復合型破壞是地震誘發(fā)巖體裂縫擴展的主要形式,應用斷裂力學理論可以確定危巖體裂隙失穩(wěn)的判據(jù):式中:ay為導致裂縫擴展的臨界地震加速度,下標“y”表示“yield”;KIC為巖體應力強度因子;b是地震波入射方向與裂縫的夾角;m是對應裂縫段寬度的巖體質量;j為斷裂角,即裂紋擴展方向與裂縫的夾角;x為幾何尺度系數(shù)。如圖7所示,震區(qū)的巖體隨時程的變化而不斷處于拉剪和壓剪破壞之中,但總體破壞門檻較低的拉剪破壞仍是各類巖體失穩(wěn)的主因之一。不同位置邊坡在拉剪破壞中裂縫的擴展方向不同,迎坡面的拉剪裂縫一般易向內部擴展,不易形成崩塌滾石,背坡面則向外擴展有臨空面存在,很容易形成崩塌滾石災害,這也從理論上解釋了崩塌災害發(fā)生的方向性效應。2.2裂隙擴展臨界深度危巖裂縫擴張到一定深度后,降雨充填到裂隙內可能導致裂縫失穩(wěn)擴張(圖8),采用斷裂力學理論確定了引發(fā)危巖裂隙擴展的臨界深度計算公式:式中:hy為降雨引發(fā)裂縫擴展的裂縫臨界深度,下標“y”也即“yield”;KIC為巖體應力強度因子;gw為水的重度。然而,并非所有裂隙危巖在裂縫水壓作用下都會擴展,只有裂縫深度達到臨界深度時,裂縫充填的降水才能提供足夠的動力促使裂縫擴展,并與下伏的軟弱夾層貫通,最終形成崩塌滾石災害(圖9)。2.3巖體開挖卸荷作用機理巖體開挖卸荷作用導致巖體應力重分布(圖10),使得處于壓剪狀態(tài)的巖體內部原生裂隙失穩(wěn)擴展,發(fā)生卸荷損傷(圖11)。以巖體斷裂力學為基礎,考慮巖體開挖卸荷作用的三種模式:1圍壓卸荷作用;2大主應力與圍壓同時卸荷作用;3主應力方向旋轉卸荷作用。采用巖體壓–剪斷裂理論研究這三種卸荷模式下巖體裂隙擴展的條件,得出巖體裂隙開挖卸荷擴展的機理。研究結果表明:處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖體裂隙,在開挖卸荷作用下,可能導致裂隙失穩(wěn)擴展,進而引發(fā)巖體開挖卸荷損傷。開挖卸荷作用引發(fā)巖體裂隙的擴展、融合是導致巖體失穩(wěn)破壞的關鍵。3崩塌和泥石流災害防治的核心技術3.1能耗減震器式棚洞結構棚洞結構是最為有效的滾石災害防護工程措施之一。傳統(tǒng)棚洞在棚洞頂板覆蓋一定厚度的砂礫石墊層來有效吸收滾石的沖擊能量,減輕滾石沖擊荷載對防護結構的沖擊。然而,墊層過厚使得棚洞結構自重大,導致建設成本過高,從而制約其推廣應用。為此,提出一種基于耗能減震技術的新型滾石棚洞結構,通過在棚洞支座處增設耗能減震器(SDR)替代砂石墊層吸收滾石的沖擊能量,改變棚洞結構體系的剛度,以便最大限度地達到耗能減震、降低結構自重的目的。同時,構建非線性質量彈簧體系模型來模擬滾石沖擊荷載下棚洞結構的動力響應,利用能量法分析了新型耗能減震棚洞的防滾石抗沖擊機理,為新型耗能減震滾石棚洞的結構設計提供理論基礎(圖12和圖13)。3.2動力學分析原理在鋼絞線動力沖擊控制方程中的應用棚洞墊層可起到有效耗能緩沖作用。通過在棚洞頂板上鋪設EPS+土層復合墊層結構,從而更大程度上耗散滾石沖擊的能量。進一步研究其耗能減震機理可引入靜力壓痕試驗,得到接觸力與壓痕在加載與卸載時的真實關系曲線;通過對真實曲線進行數(shù)值擬合,反演接觸力與壓痕所滿足的關系式;將關系式帶入到Olsson動力沖擊控制方程中,通過數(shù)值軟件Matlab對微分方程進行求解,最終得到棚洞頂板受到滾石沖擊時的EPS墊層材料厚度、密度在滾石沖擊過程中動力響應的理論解(圖14)。同時,研發(fā)了土工格柵+EPS復合耗能墊層結構(圖15)。與傳統(tǒng)墊層相比,新型墊層結構可降低50%以上的滾石沖擊力,并通過土工格柵的墊層效應降低施加在棚洞板上的集中荷載,從而降低棚洞板的厚度和配筋率,減小工程投資。4災后重建工程所取得的經(jīng)濟效益和社會效益近年來,我們在崩塌滾石災害研究方面取得的系列成果,引起了公路、鐵路、水電、國土等部門的廣泛興趣,并已成功應用于汶川地震、蘆山地震的災后重建工程中,發(fā)揮了獨特的作用,取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。4.1柔性鋼結構棚洞針對隧道進出口、橋隧結合處等崩塌滾石災害的多發(fā)區(qū),研發(fā)了一種新型柔性輕鋼結構棚洞,并成功應用于都汶(都江堰—汶川)高速公路桃關隧道出口和都汶高速公路沙坪大橋橋面滾石防護工程。相對混凝土棚洞而言,柔性鋼結構棚洞以鋼結構鋼架作為結構主體,鋪設柔性防護網(wǎng)作為滾石防護層,其充分利用了柔性防護網(wǎng)“以柔克剛”的特點,增加了棚洞的采光度,減小運營時采光以及通風的成本,具有結構輕巧可靠、外形美觀、施工便捷、應急能力強、造價經(jīng)濟、施工期間不妨礙交通正常運行等優(yōu)點。經(jīng)過近三年的工程實踐表明,柔性輕鋼棚洞取得了良好的滾石防護效果(圖16)。4.2基于人工干預防護的橋墩抗沖擊能力都汶公路是進出“5·12”汶川地震極重災區(qū)的生命通道,橫跨岷江兩岸的徹底關大橋橋墩在“5·12”汶川地震中被左岸崩落的滾石擊中而倒塌,經(jīng)過恢復重建,新建的徹底關大橋于2009年5月12日建成通車。2009年7月25日凌晨4:40左右,岷江右岸高位危巖發(fā)生大面積崩塌,巨石再次將徹底關大橋砸毀。經(jīng)調查,岷江兩岸山體存在多處危巖,極有可能再次發(fā)生滾石砸毀大橋的災難性事件。為防止岷江右岸的潛在崩塌體形成的滾石災害再次對徹底關大橋造成破壞,必須對可能遭受滾石沖擊的徹底關大橋橋墩采取工程措施進行抗沖擊被動防護。為此,一種新型橋墩滾石防護結構被提出,并對其在滾石沖擊下的動力過程進行了模擬研究,分析過程中不僅考慮混凝土內部的橫向和縱向鋼筋,同時考慮了重力載荷下橋墩的應力應變分布。通過采用Winfrinth混凝土材料本構模型,并考慮混凝土的應變率效應及開裂破壞對混凝土強度的影響,計算結果表明:橋墩在承受滾石沖擊荷載下,橋墩防護結構降低沖擊力30%,橋墩防撞能力顯著提高。據(jù)此設計的橋墩防護結構已付諸實施,效果顯著。經(jīng)過了5個雨季的考驗,徹底關大橋目前運行良好,如圖17所示。4.3蘆山縣第二p3年構造格局2013年4月20日8:02在我國四川省雅安市蘆山縣爆發(fā)了里氏7.0級地震。由于地震災區(qū)位于我國西部山區(qū),山高谷深,地質環(huán)境脆弱,地震災害誘發(fā)大量次生山地災害,以崩塌滾石災害為主要災害類型。據(jù)不完全統(tǒng)計,自“5·12”汶川特大地震以來,震后重建的S210線一年內因山體崩塌滾石造成交通中斷超過了10次以上?！?·20”蘆山地震誘發(fā)的崩塌滾石災害將進出地震災區(qū)的重要生命線工程S210線多處堵斷,并造成多人傷亡,嚴重威脅行車安全,制約抗震救災和災后恢復重建。S210線依山傍河而建,是蘆山縣至寶興縣的唯一公路通道。公路沿線山脈縱橫,地表崎嶇,崩塌滾石災害極其發(fā)育。通過現(xiàn)場調查,蘆山縣思延鄉(xiāng)到寶興縣穆坪鎮(zhèn)的S210線上沿途共分布對省道直接構成威脅的崩塌滾石災害34處,規(guī)模多為中小型崩塌滾石災害,主要分布于公路轉彎、斜坡陡坎等地段。