落石軌跡模擬分析在廢棄礦山生態(tài)治理中的應(yīng)用

羅曉娟，余勇利

0 引言

隨著對環(huán)境的日益重視，廢棄礦山的治理工作愈來愈得到強化，在治理過程中不僅需要消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，同時需要進行生態(tài)環(huán)境治理，使其與周邊環(huán)境融合，消除視覺污染。廢棄露天礦山的高陡邊坡地質(zhì)環(huán)境問題中，滾石以突發(fā)性、不確定性、高頻率等特點(吳順川等，2006)，使得其成為高陡邊坡最易發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害類型之一(蘇勝忠，2011)，在廢棄礦山生態(tài)環(huán)境治理中需要高度重視。

國內(nèi)外學(xué)者對滾石的運動特征和治理進行過大量研究和實踐(呂慶等2003;張路青等，2004;韓俊艷等，2010)，其治理手段歸納起來主要有2種思路：一種是主動防護;另一種是被動防護。被動防護中較為重要的一種形式是防護墻，在實際工程應(yīng)用中，防護墻的設(shè)計一般都由經(jīng)驗決定，事實上，防護墻的位置、高度、強度等設(shè)計條件都必須充分考慮滾石的彈跳高度和落點分布范圍(張新光等，2009)。

考慮到廢棄露天礦山的治理要求越來越全面，不僅要求消災(zāi)，還要求復(fù)綠，因此在治理設(shè)計過程中必須充分考慮復(fù)綠工程對下墊層的改變等因素，使廢棄礦山的治理工作更加經(jīng)濟、合理、有效。以溫州市平陽縣鰲江鎮(zhèn)荊溪山廢棄礦山高陡邊坡為例，通過對落石運動軌跡的模擬分析，結(jié)合景觀設(shè)計原則(柯林等，2010)，提出綜合生態(tài)治理方案，以期為相關(guān)邊坡生態(tài)治理提供參考。

1 落石軌跡模擬計算基礎(chǔ)

國內(nèi)外對滾石運動軌跡進行模擬分析的相關(guān)軟件有10余種(黃雨等，2010)，Rockfall軟件通過輸入斜坡和落石的相關(guān)基本參數(shù)，模擬落石在邊坡上的運動軌跡、能量和彈跳高度變化，在實際工程中得到了廣泛使用，具有較好的模擬效果(王春山等，2013)。利用該軟件，可以模擬運動軌跡，合理設(shè)計緩沖帶寬度，將擋墻布置在滾石崩落最低點;軌跡模擬的同時，利用能量分布圖，為被動防護網(wǎng)的強度設(shè)計提供有力證據(jù)。

通過采用Rockfall對邊坡上的塊體跳躍軌跡方程進行試算，落石初始速度定為0，坡面為硬性的基巖面，坡腳為塊石堆積體、土體、水泥地面等，分別采用不同的反彈恢復(fù)系數(shù)，得到各段邊坡典型剖面的崩塌體運動軌跡圖。塊石在坡面上的彈跳運動軌跡及運動速度采用下列計算公式。

(1)運動軌跡。落石的拋物線路徑與坡面的交點，即下次彈跳的起始坐標(biāo)為：

式(1)中，A=(－vy0/vx0+tg θ)v2x0/g。

(2)運動速度。落石拋物線軌跡與地面相交觸地前的瞬間速度分量為：

由于坡面上法向和切向阻尼系數(shù)Rn和Rt的減速作用，觸地后再次彈跳起的初始速度分量為：

式(3)中，A1=Rt(vx'cos θ+vy'sin θ)，A2=Rn(－vx'sin θ+vy'cos θ)，落石滾動彈跳的計算示意圖見圖1。圖1中，θ為邊坡坡角;H為計算參考起始坡面高度;h為彈跳模式中的落石起始位置距離坡面的高度。計算中落石速度與坐標(biāo)軸方向一致為正，反之為負(fù)。

圖1 落石彈跳滾動示意圖Fig.1 Schematic diagram showing rockfall bouncing and rolling

本次邊坡崩塌計算，坡面巖土體的反彈恢復(fù)系數(shù)，分段采用表1所列數(shù)值。

表1 恢復(fù)系數(shù)取值表Table 1 Value selection of recovery coefficients

2 廢棄礦山高陡邊坡基本特征

該邊坡位于平陽縣鰲江火車站西北，邊坡坡頂線長1 896 m，最大高差115 m，坡度50°～85°，邊坡上部近陡直，局部反傾，邊坡局部地段有平臺，未采取支護措施(圖2)。

出露的基巖主要為燕山晚期侵入巖，巖性為肉紅色花崗巖，巖石堅硬，花崗結(jié)構(gòu)。殘坡積層主要分布于山體的淺表部，厚度普遍在1.0～1.5 m左右。

邊坡坡體以中風(fēng)化巖為主，巖體破碎，呈鑲嵌－碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育5組節(jié)理：① 100°～115°∠85°，基本閉合，2 ～3 條/m，延伸大于3 m;② 75°～85°∠30°～35°，基本閉合，2 ～4 條/m，延伸大于3 m;③ 20°～50°∠80°～85°，基本閉合，2～3 條/m，延伸大于3 m;④75°∠88°，基本閉合，1～2 條/m，延伸大于3 m;⑤50°∠40°，張開約1～2 cm，無充填，延伸大于3 m。在多組節(jié)理切割下，坡頂、坡面上破碎、松動巖塊較多，易造成崩塌、滾石災(zāi)害(圖2)。

圖2 邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Profile of slope engineering geology

3 邊坡失穩(wěn)成因分析

邊坡失穩(wěn)主要受以下幾方面條件的影響。

(1)地形地貌。區(qū)內(nèi)邊坡由于人工開挖形成較高陡的地形。高陡的邊坡改變坡體的原始應(yīng)力狀態(tài)、加劇巖體的風(fēng)化、卸荷作用，為危巖體的形成、發(fā)展、崩塌、落石的發(fā)育提供了有利的地形條件。

(2)巖土工程地質(zhì)特性。邊坡巖體節(jié)理發(fā)育，在多組節(jié)理切割下，邊坡巖石坡面多形成楔形體，為崩塌、落石的形成提供了物源。

(3)其他因素。主要包括風(fēng)化卸荷作用、強降雨作用及人類工程活動等方面。①人工開挖。人工開挖不僅會形成高陡的臨空面，開挖過程中的爆破振動，使區(qū)內(nèi)巖體裂隙發(fā)育、危巖體的變形進一步加劇，巖體穩(wěn)定性進一步降低。②強降雨。強降雨是區(qū)內(nèi)危巖失穩(wěn)的重要誘發(fā)因素，尤其是臺風(fēng)暴雨所帶來的強降雨，在短期暴雨沖刷作用、雨水靜水壓力下導(dǎo)致巖體節(jié)理裂隙面的進一步擴張，進而加速了崩塌的發(fā)生、發(fā)展。③風(fēng)化作用。區(qū)內(nèi)邊坡形成已有多年，受外界風(fēng)化因素影響，區(qū)內(nèi)邊坡的表部巖體往往較為破碎，從而形成“風(fēng)化—剝落(崩塌)—風(fēng)化—剝落(崩塌)”的惡性循環(huán)，促進邊坡巖體的破壞。

綜上所述，該邊坡高陡，巖體節(jié)理較發(fā)育，爆破開挖形成的邊坡坡面松動，破碎的塊石較多，坡面存在較多的滾石隱患體，在風(fēng)化、卸荷作用、強降雨誘發(fā)等因素的影響下，容易形成滾石災(zāi)害。

4 落石軌跡模擬分析與設(shè)計參數(shù)

4.1 傳統(tǒng)設(shè)計思路

在傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計治理中，一般先進行清坡，然后在坡面上巖石破碎處打錨桿并掛主動防護網(wǎng)，在坡腳設(shè)置2.5 m高擋墻，擋墻上方設(shè)置1.5～2.0 m的被動防護網(wǎng)。擋墻設(shè)置2道，第一道設(shè)計在平臺上方坡腳處，另一道設(shè)計在坡底。

4.2 利用Rockfall軟件模擬

為合理選取擋墻設(shè)計高度、強度等基本要素，選取邊坡的3 個典型剖面1—1'、2—2'、3—3'進行落石軌跡模擬分析，每個邊坡都對2種不同介質(zhì)進行模擬，分別是光滑而堅硬的基巖面與植被覆蓋的土質(zhì)邊坡。

4.2.1 光滑而堅硬的基巖面 據(jù)表1可知，光滑而堅硬的基巖面的法向恢復(fù)系數(shù)和切向恢復(fù)系數(shù)均大幅高于其他界面，達(dá)到0.53和0.99。因此，在這種介質(zhì)的坡面上，落石的彈跳高度和彈跳距離均較大(圖3、圖4、圖5)。

據(jù)圖3、圖4、圖5的模擬分析結(jié)果可知：1—1'邊坡在距坡腳20 m處，滾石的最大彈跳高度有10 m;2—2'邊坡在距坡腳20 m處，滾石的最大彈跳高度有8.5 m;3—3'處邊坡在距坡腳70 m處，滾石的最大彈跳高度有16 m。根據(jù)模擬結(jié)果可知，在光滑而堅硬的基巖面介質(zhì)下，擋墻以及其上方的主動防護網(wǎng)的設(shè)計高度至少應(yīng)達(dá)到16 m才能完全消除落石對下方居民、行人和財產(chǎn)的威脅。

圖3 邊坡1—1'落石軌跡模擬圖Fig.3 Simulation of rockfall trajectory along the slope 1－1'

圖4 邊坡2—2'落石軌跡模擬圖Fig.4 Simulation of rockfall trajectory along the slope 2－2'

圖5 邊坡3—3'落石軌跡模擬圖Fig.5 Simulation of rockfall trajectory along the slope 3－3'

具體設(shè)計方案：在坡腳距離外側(cè)公路約5 m處設(shè)置約12 m高的鋼筋混凝土擋墻。擋墻墻體厚0.8 m，每隔5 m設(shè)置0.6 m寬的扶肋1道，擋墻基礎(chǔ)開挖至中風(fēng)化基巖面處，墻體豎向主筋均錨入基巖2.0 m深。擋墻上方設(shè)置4.0 m高RXI－1500型防護網(wǎng)1道，防護網(wǎng)直接安裝在擋墻墻頂，防護網(wǎng)鋼柱基礎(chǔ)采用2.0 m深的鋼筋砼柱體，現(xiàn)澆在塊石墻體里。

4.2.2 植被覆蓋的土質(zhì)邊坡 為達(dá)到邊坡綠化的目的，在邊坡現(xiàn)有平臺回填種植土，外側(cè)輔以0.5 m高的小擋土墻防止水土流失，平臺上方種植灌木、草本、爬掛類植物進行綠化，宕底擋土墻內(nèi)填土1.0 m厚，種植高大喬木、灌木、草本植物進行綠化，消除視覺污染。這些措施是傳統(tǒng)的廢棄礦山綠化手段，以往只將其作為景觀考慮，事實上，這些綠化措施不僅有美化環(huán)境的作用，還能起到綠化緩沖消能的作用，是一個很好的災(zāi)害緩沖帶。

為了方便比較，選取 1—1'、2—2'、3—3'剖面，對其在綠化之后的落石軌跡進行模擬分析。覆土綠化改變了原有介質(zhì)的法向恢復(fù)系數(shù)和切向恢復(fù)系數(shù)，降低為0.3和0.8，這也造成落石的彈跳高度與距離大幅減小(圖6、圖7、圖8)。

綠化緩沖消能后，根據(jù)圖6、圖7、圖8的模擬分析結(jié)果可知：邊坡落石經(jīng)過覆土綠化后的平臺的緩沖，到坡腳時，彈跳高度基本已經(jīng)降為0，邊坡高處落石的落地位置基本上位于平臺和宕底的植被緩沖帶中，不會威脅到坡腳以外居民、行人和財產(chǎn)的安全。

圖6 1—1'邊坡落石運動軌跡圖Fig.6 Diagram showing rockfall trajectory along the slope 1－1'

圖7 2—2'邊坡落石運動軌跡圖Fig.7 Diagram showing rockfall trajectory along the slope 2－2'

圖8 3—3'邊坡落石運動軌跡圖Fig.8 Diagram showing rockfall trajectory along the slope 3－3'

擋墻設(shè)計方案：擋土墻頂寬0.5 m，底寬0.9 m，墻高1.3 m，墻背垂直，墻面坡率1∶0.20，埋深0.4 m。擋墻基礎(chǔ)和墻身均采用M7.5漿砌塊石砌筑，墻身采用水泥砂漿勾縫，管口離排水溝底不小于10 cm，每間隔15 m設(shè)置1條沉降縫，內(nèi)用瀝青麻絲填塞。擋墻上方不設(shè)計主動防護網(wǎng)。

4.2.3 設(shè)計方案比較 針對該邊坡，主動防護所采取的措施基本一致，落石軌跡模擬的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在被動防護的設(shè)計上。

在傳統(tǒng)設(shè)計思路中，坡腳都設(shè)置了擋墻，通過落石軌跡模擬分析可知，在光滑而堅硬的基巖面介質(zhì)情況下，滾石基本躍過設(shè)計的2道擋墻，仍然對邊坡下方行人和車輛有較大威脅，說明設(shè)計未完全起到消除隱患的目的。

利用落石軌跡模擬分析之后，撤銷平臺坡腳擋墻。將擋墻直接設(shè)計在坡底，但是在對原坡面介質(zhì)不處理的情況下，擋墻以及擋墻上方的主動防護網(wǎng)的設(shè)計高度至少達(dá)到16 m才能起到消除隱患的作用。消除隱患的作用完全能達(dá)到，只是造價高昂。

通過對邊坡平臺、宕底進行綠化，有效地改變了原坡面下墊層的介質(zhì)性質(zhì)，降低了法向和切向恢復(fù)系數(shù)，縮小了落石的彈跳范圍，降低了落石的彈跳高度，使得原擋墻設(shè)計從12.0 m降至1.3 m，而且不用設(shè)置主動防護網(wǎng)就能起到消除地質(zhì)災(zāi)害的作用，造價大大降低。同時，對邊坡平臺、宕底的綠化消除了視覺污染，美化環(huán)境，達(dá)到了社會效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的共贏。

5 結(jié)論

(1)將數(shù)值模擬方法應(yīng)用到廢棄礦山高陡邊坡的生態(tài)治理中，通過實例對落石在光滑而堅硬的基巖面、植被覆蓋的土質(zhì)邊坡2種情況下的運動軌跡進行模擬。

(2)將傳統(tǒng)設(shè)計思路與落石軌跡模擬分析方法相比較，后者通過軌跡和能量模擬為擋墻的位置、高度、強度等設(shè)計因素提供依據(jù)。

(3)充分考慮植被的動能緩沖作用。模擬證明，植被可以大幅消減落石的動能，減小落石的影響范圍和彈跳高度。

(4)將地質(zhì)災(zāi)害治理與生態(tài)治理相結(jié)合，合理運用臺階植被綠化等生態(tài)治理措施，一方面美化環(huán)境，消滅視覺污染;另一方面大大降低落石的動能，使得擋墻設(shè)置更為經(jīng)濟、有效、合理。

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