岩质滑坡和落石，死路一条？

  在年轻的山系（喜马拉雅山脉、安第斯山脉、阿尔卑斯山脉等）区域，岩石崩塌现象十分频繁，有时岩体体量巨大，因此是主要自然灾害。其造成的地面破裂几乎遍布所有岩体中的软弱结构面。这些结构面源于成岩过程（沉积岩的层理面、岩浆岩的冷缩裂隙等），或构造运动（构造过程中因板块运动形成大小不一的裂隙和断层）。岩体失稳可能局限于表层，波及范围有限，如所有山区都经常出现石块和碎屑崩落。然而，取决于特定岩体的非连续面与边坡临空面的组合，岩层滑动或倾倒破坏也相对较大，最终形成的大型滑坡体可达数千万立方米。不幸的是，地震后时常发生大型岩体失稳（如1970年的瓦斯卡兰山（Huascaran）, 和2014年的尼泊尔（Nepal）。尽管可以采取支挡、锚固、防护网等岩体防护措施，但要将其应用于所有已确定风险的地点，如城市、村庄、山路或岩石海岸附近的悬崖，所需成本巨大、难以承受。

  通常根据发生机制对滑坡进行分类，如滑动、倾倒、坠落、流动（图1），所涉及的体积从立方分米到几百立方百米（一立方百米相当于一个100米的山脊立方体，或一百万立方米）。

  其移动速度相差巨大，从每年几毫米到超过100公里/小时（接近在空气中自由落体的速度）。本文仅简述了岩质滑坡这一类别（请参阅《滑坡》）。

1. 岩质滑坡

  滑坡是指大量土壤或岩石在特定断裂面上滑移。根据滑裂面形状分为不同类型的滑移。

  平移式滑坡通常发生于岩体中已存在的一个或两个非连续面（称为楔形面）。法国迪瓦地区吕克市镇的滑坡事件（Claps de luco-en-diois）就是典型例子：1442年，由于德龙（Drôme）河侵蚀坡脚，厚厚的石灰岩层沿层理面发生滑动（图2）。滑坡体积超过1 hm³。但过去两千年里，阿尔卑斯山地区最大的滑坡是1248年11月影响格拉尼尔山（Mont Granier）北部泥灰岩边坡的滑坡事件。近500 hm³的泥灰岩在层状节理上向东滑动，摧毁了数个村庄，造成1000多人死亡（图3）。

  旋转型滑坡发生于轴对称表面；有时被称为圆弧型滑坡，因为在纵剖面上，滑动面呈圆弧状。这类滑坡发生在连续性地块中，也可能在没有非连续面的情况下发生。从法国昆布兰市镇（La Clapière）到圣艾蒂安德锡涅村的滑坡（Saint-Etienne-de-Tinée）就属于旋转型滑坡，滑坡体量约为50 hm³（图4）。

  其他类型的滑坡称为复合（或分裂）型滑坡，因为涉及岩体内部形变或滑动体分裂。

  人类活动也能引发山体滑坡。最著名的例子是意大利托克山（Mont Toc）滑坡。瓦依昂（Vajont）水库大坝落成并蓄水后，270 hm³的岩体滑进水库，导致库水大量溢出大坝，50 m高的水墙摧毁了隆加罗市（Longarone）（导致2000人遇难）。2001年上映的电影《人类的疯狂》（La folie des hommes）讲述了这场灾难。这次滑坡是20世纪阿尔卑斯山规模最大的高速滑坡。

2. 倾倒

  倾倒是滑坡体围绕其重心下方旋转轴翻转的过程。已有裂隙的岩块发生倾倒与岩层或岩壁发生弯曲不同。法国塞希利耶讷市镇（Séchilienne）塞克山（Mont Sec）的滑坡（图5）是近乎垂直的河岸发生了倾倒，形变层厚度超100 m，导致形成新裂隙，这些裂隙的状态仍在监测中。

3. 落石

  落石是指石块在边坡上发生自由落体、弹跳或滚动等快速运动。这在山区非常常见，也见于有悬崖和岩石峭壁的沿海地区。落石发生前，相关岩体通常会发生滑坡或倾倒。如果仅有碎石崩落，那落石间几乎没有相互作用。而在大规模岩质滑坡和岩崩中，石块如同颗粒一样流动，块体间的相互作用至关重要，这些块体从几dm³到几百m³不等，崩塌体总体积可达数十hm³。阿尔卑斯山区在20世纪发生了两次大规模山体滑坡，一次是意大利伦巴第的瓦尔波拉（Val Pola）山体滑坡，另一次是瑞士瓦莱州的兰达（Randa）山体滑坡。

4. 如何预测边坡行为？

  我们需要专业工程师来研究不同情况下的边坡运动：（a）诊断当前稳定的边坡（其稳定性能维持多久?）；（b）设计边坡将来的开挖或加固工程（采用多大坡角，须安置多少锚杆?）；（c）监测缓慢移动的不稳定边坡（是否有快速移动的风险？如有，何时发生?）。上述活动采用的预测方法因背景条件和目的而异。

4.1. 诊断稳定边坡

  利用和规划土地时，必须考虑边坡在百年人类活动时间尺度（human time scale）上的稳定性。为确定给定时间内是否有发生危害的可能，必须明确当前稳定状态（“过”稳定）和可能导致失稳的过程。岩质边坡的稳定性主要取决于鲜为人知的内部结构（岩石不连续面的分布），岩石强度及其不连续性。可能降低岩体稳定性并导致其破坏的主要因素包括：水的存在、冰的作用、地震和其他振动、坡脚受侵蚀或开挖、边坡上部过载。如果这些因素是自然产生的，则无法断定其演变进程。此外，我们往往并不了解这些因素的确切作用过程，因而很难模拟。基于此，只能用发生概率来预测和表述稳定边坡的未来行为，专家采用“灾害风险”一词描述岩体的潜在不稳定性。

  我们无法定量特定岩体破裂的概率（局地性风险），但可以根据历史数据库或地貌测量（如使用激光扫描仪）边坡或匀质地区的边坡位移（弥散性风险），估算单位面积的断裂数量及断裂发生时间（频率）。例如，格勒诺布尔（Grenoble）附近圣埃纳尔山（Mont Saint-Eynard）悬崖的激光扫描仪连续测量结果表明，每年每公顷（hm²：边长为100米的正方形）面积上崩落的岩块体积超过1 m³。

4.2. 边坡开挖或加固设计

  这方面重点不再是失稳发生的时间，而是确保不发生失稳。因此，通常采用保守的模型（换言之，预防性原则）分析所关注边坡的稳定性：最用的做法是，由于缺乏信息，我们假设断裂面无限延伸；模型参数不取最可能的值，而是取最不利的值。另外，目标通常是达到过稳定状态。如果达不到，则需要修改相应工程参数，例如减小坡角等。

  评估岩体稳定程度最快捷方法是将其位移描述为岩体在单个斜面上的滑动：比较引起滑动的力（滑动力）和抵抗滑动的最大力（抗滑力），抗滑力与滑动力的比值即为边坡稳定性安全系数（safety factor）。只有安全系数大于1才能认定边坡稳定。滑动力的计算不仅要考虑岩体的重量，还要考虑地震或者水渗入边坡等潜在偶发事件产生的应力。

  更复杂的数值方法，如离散元法，也可用于计算开挖引起的岩体位移，进而分析滑坡的复杂机理，确定位移量是否在接受范围内。与上述基于静力分析的方法不同，离散元法基于动力学原理（牛顿第二定律）。

4.3. 慢速位移的不稳定边坡的监测

  一旦发现边坡位移并形成风险，必须对其进行监测，通常包括测量边坡或岩体中标志物（如钻孔或坑道）的位移。受雨水或融雪后渗入边坡的水和地震等的影响，变形速度很少保持恒定。经验表明，没有外部因素作用的情况下，如果速度增加，那这种加速趋势可能一直持续，直至边坡失稳，滑坡体完全脱离初始区域，高速冲向下方。图4为监测边坡的实际例子（见上文）。

5. 岩质崩塌的运动距离能有多远？

  多种力学方法可用于计算岩质崩塌的运动距离。第一个方法基于能量角，可以量化滑坡体运动过程中的能量损失（图6）。滑坡体运动停止时，其势能较运动前更低；在一个边坡剖面中，从起动区域画一条线（能量线） ，且其倾角等于能量角，即可判定滑坡体的停止点。三维空间中，停止点位于地形曲面与锥体的交点，锥体顶点为起始区域。对于几百hm³的滑坡体，能量角可以小于10°。格兰尼尔（Granier）滑坡便是典型的例子，滑坡体移动距离超过8公里。落石的能量角一般约40°，但位移量最大的岩块能量角可低于30°。

  能量的耗散方式：发生不完全弹性形变岩石的回弹、岩体碎裂、产生震动波、损毁树木等。

  对于落石，可采用合适的软件计算其在边坡上自由落体、弹跳或滚动的轨迹。虽然空气中自由落体轨迹的计算较为容易，但建立弹跳模型却相当困难，可以借助能量恢复系数（energy restitution coefficients），该系数表示岩块在边坡弹跳或与另一块体碰撞后初始能量的留存比例。此外，对堆积在边坡上落石的统计可为预测落石发生范围和频率提供有价值信息。当然，统计结果可能存在偏差，这些落石可能在几个世纪的时间尺度内因自然因素或人类使用发生过移动。

  图7展示了使用Rockyfor3D软件模拟格勒诺布尔（Grenoble）附近的圣埃纳德堡（Saint-Eynard）山体滑坡。

  若块体数量众多，块体间相互作用强（岩崩与碎屑流），可以将其视为流体，使用颗粒力学定律建模。该方法也可模拟长距离、流体形式移动的滑坡（滑坡导致的泥石流）。

6. 自我防护/如何免受岩体失稳伤害

  有两类自然灾害防护措施。主动防护旨在消除危害本身，被动防护的目的不在于消除自然危害，而是降低其对建筑物、交通等的不利影响。

  主动防护方法颇多，包括：

• 通用方法，如地表或地下排水，以及利用护坡植被限制径流导致的侵蚀（沟蚀）和力学性能（摩擦特性，岩石节理的黏聚力）改变后的渗透；
• 支护，如挡土墙、锚杆或用喷射混凝土覆盖的锚网；
• 防护网（悬挂或沿壁锚定），即金属网结构，用以滞留块体和防止坠落石块飞溅；
• 清理与挖除：这些解决方法也可消除不稳定因素，但较为激进，且并非总能达到预期，例如持续扰动以及爆破导致的振动往往会损害被清除部分周围岩体的稳定性。

  被动防护方法也有很多：

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  防护挡墙（图8）和拦石墙是置于不稳定边坡底部的石笼或混凝土结构，目的是阻止岩石抵达防护对象。建设这些设施需要足够的空间，还要根据其建筑材料设计相应的尺寸。当然，建设之前要先对落石运动（落石轨迹研究）进行数值模拟；
• 导向堤是修筑在边坡上的堤坝，旨在将落石引导至没有风险的地方；
• 棚硐，类似于应对雪崩的隧道，可以保护落石区的交通路线；
• 在陡峭的边坡上设置刚性防护装置，尽量靠近岩石松动区域，但这类设施施工难度很大。

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  柔性防护网（图9）可置于落石区边坡下部靠近防护对象处。最著名的柔性网类似“反潜网”（在第二次世界大战期间用于防止潜艇进入港口），用钩环将防护网固定在刚性柱上，其设计安装需根据预研的随机落石的确切分布位置及落石的冲击能量。

  积极采取措施可有效降低岩石失稳风险，但往往需要大量资金，因此，不可能完全清除所有风险点。最好的防护措施是先进行地质勘察评估风险，采取有效预防措施（如排水和定期清除不稳定岩石），并在发现岩石位移后持续监测，为必要时封闭道路或疏散居民提供预警。