高风险落石运动分析及边坡防护综合设计
时间：2022-12-05 19:00:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李源亮, 郭阿龙
(1.广西交通设计集团有限公司，南宁 530011；
2.马克菲尔(长沙)新型支挡科技开发有限公司，长沙 410016)
落石是山区常见的一类地质灾害，是指陡峻斜坡上破碎、松动的岩块在外界因素的扰动下与母岩脱离后向下快速运动的过程(图1)。落石高位下坠、弹跳的过程中，势能向动能转化，巨大的冲击力可给人类生命财产及建构筑物安全造成严重伤害。
图1 山体落石Fig.1 Mountain rockfall
前人在落石发育规律、运动模式及影响因素、工程防护等方面做了大量的研究工作[1]。笔者曾对四川西部3 600多个落石灾害的发育规律进行统计分析[2]，发现硬质岩构成的高陡斜坡是落石的主要孕灾环境，降雨及地震则是主要的诱灾因子。相关研究对落石运动模式的划分存在一定争议，目前达成共识的运动模式包括弹跳、滚动、自由飞落等[3-4]。落石运动过程中与坡面发生多次碰撞，碰撞前后其速度及运动轨迹将发生显著变化，研究落石碰撞过程不同方向的速度变化具有重要意义。这方面章广成等[5]、叶四桥等[3]学者在现场试验、模型试验和数值模拟的基础上，总结了岩土体类型、撞击角度等因素对碰撞过程速度变化影响的一般规律。落石轨迹分析及冲击能计算是确定防护工程位置、防护能级的重要依据，目前常用的方法是数值模拟[6]、理论计算法。常见的落石防护有主动防护、被动拦截两大类[7-8]方法，主动防护是采用锚固、挂网、支撑等手段将危岩进行原位加固，从源头避免落石发生；
被动拦截[9]是在落石运动路径上设置防护网、拦石墙等设施拦截落石。近年来新出现的覆盖式引导防护系统[10]为落石防护提供了新的解决方案。
中越边境广西境内某高速公路面临严峻的落石灾害风险，常规的落石防护方案难以奏效。为解决这个问题，本文在地质调查的基础上，运用数值模拟方法对落石轨迹和能量进行分析，提出3种有效的综合设计方案，研究思路及成果可为高风险落石防护提供借鉴和参考。
拟建高速位于广西西南部，是连接中越边境通商口岸的重要通道。
项目区为峰丛洼地地貌，具有峰丛基座相连、山体陡峻突兀的特点。受复杂地形的限制，某段路基被迫以挖方的形式从狭窄的峰丛垭口之间通过(图2(a))，左侧为陡崖、右侧为陡坡。山体基岩为泥盆系上统(D3)厚层状中风化灰岩，岩质坚硬，岩层产状268°∠14°。发育两组陡倾角共轭剪节理，节理面平直光滑、延伸长0.2～2 m不等。危岩落石区工程地质剖面见图2(b)。
图2 危岩落石区航拍和工程地质剖面Fig.2 Aerial photography and engineering geologicalprofile of rockfall area
航拍发现峰顶危岩区尚发育风化卸荷裂隙，形态波折起伏，充填岩块、泥质物(图3(a))。
路线左侧厚层灰岩构成的孤立峰丛陡崖，在缓倾岩层面与陡倾节理面切割组合下，岩体完整性遭到破坏；
陡峻突兀的地形特点加剧了岩体风化卸荷作用，既有裂隙张开、次生裂隙产生并不断扩展，危岩在降雨、地震等因素诱发下间歇性发生崩塌落石。陡崖下方的垭口及洼地内覆盖大量崩塌岩堆，堆积体块石粒径0.5～3 m不等(图3(b)、图3(c))。
图3 危岩及坡脚落石堆积Fig.3 Dangerous rock and rock pile at slope toe
从地质过程来看，陡崖危岩落石伴随地貌演化持续时间长，落石隐患长期存在。由于走廊狭窄，路线无法避让，危岩相对路基高差约180 m，对拟建工程施工、运营威胁极大。
3.1 基本原理
落石运动过程中与坡面岩土体发生碰撞，碰撞前后其在边坡法向与切向上的速度将发生变化。一般采用法向恢复系数(Rn)和切向恢复系数(Rt)对碰撞前后速度的变化进行描述，定义如下：
Rn=Vn后/Vn前;
(1)
Rt=Vt后/Vt前。
(2)
式中：Vn前和Vn后分别为落石碰撞前、碰撞后撞击点法向速度；
Vt前和Vt后分别为碰撞前、碰撞后撞击点切向速度。
合理选取恢复系数对落石模拟具有重要的意义。本文参考原铁道部运输局推荐的恢复系数取值方案(表1)，在此基础上吸收叶四桥等[11]学者关于斜坡坡度对恢复系数影响的研究成果，最终采用的法向恢复系数和切向恢复系数取值见表2。
表1 法向恢复系数和切向恢复系数(原铁道部运输局)Table 1 Normal recovery coefficient and tangentialrecovery coefficient
表2 本项目落石运动恢复系数及摩擦角Table 2 Recovery coefficient and friction coefficientof rockfall movement in the project
3.2 常规边坡落石运动分析
初步拟定采用常规台阶式边坡，坡率1∶0.5，共设4级边坡，单级坡高15 m，各级边坡间设2 m宽平台。根据现场调查，落石粒径以0.5～3 m为主，在此模拟20 t重的落石(约等效于2 m×2 m×2 m立方体岩块)运动过程，采用软件为RocFall，落石模拟次数为500次。
图4 常规台阶式边坡落石运动轨迹Fig.4 Rockfall trajectory of conventional stepped slope
计算参数见表2，计算模型及运动轨迹模拟结果见图4，运动过程速度及动能变化见图5。落石运动过程及规律如下：AB段陡崖近似直线，落石由A点启动后紧贴坡面加速运动至B点，平移速度由0剧增至31.6 m/s，最大总动能由0剧增至12 200 kJ。B-C段为上凹的弧形边坡，受其影响，落石速度和动能在振荡中略有下降但幅度不大。C点为挖方边坡顶点，坡型在此突变成上缓下陡型，C点以上坡度约33°，C点以下挖方段坡度为63°，受坡面上缓下陡剧烈变化的影响，落石从C点抛射、弹跳后侵入路基范围。
图5 常规台阶式边坡方案落石总动能及平移速度Fig.5 Total kinetic energy and translation velocity ofrockfall in conventional slope scheme
模拟表明：若按常规台阶式边坡进行设计，则所有落石都将侵入路基，落石最大平动速度40.6 m/s(等效为146 km/h)，最大冲击总动能约18 900 kJ，远超现有落石防护措施的防护能级，足以对公路及往来车辆构成毁灭性伤害。
考虑采用工程措施进行防护。危岩区主动加固方案受限于施工条件，不具备可行性。若采用被动防护网对落石进行拦截，需满足：①被动网有足够的高度以防落石跃网而过；
②有足够的强度以抵挡落石冲击；
③需具备施工的可行性。目前市场上被动网防护能级最大可达8 600 kJ。AD范围内落石总动能最小的C点都达到了8 646 kJ，已超过被动网最大防护能级。
因此，常规放坡条件下，不管采用何种工程措施对落石防护均难以奏效，需对坡型坡率进行优化设计。
3.3 坡型优化设计及落石运动分析
通过对常规台阶式边坡落石运动分析得到以下认识：①挖方边坡与上方自然斜坡应尽量平顺过渡、避免坡型出现上缓下陡的剧烈变化，以防落石沿变坡点向路基抛射，有利于引导落石贴坡坠落，有效控制落石轨迹。②碰撞可有效降低落石速度和冲击能，应在轨迹可控的条件下通过坡型设计引导落石碰撞、减速消能，这对类似本例这样的冲击能远超工程措施防护能级的情况尤为重要。
基于上述认识，初步拟定3个改进方案(表3、图6)。改进方案1与改进方案2的二级边坡线重叠，挖方高度、坡顶挖方线与自然坡切线角度相同(α=19°)，区别在于前者为13.6 m宽平台、后者为12.5 m内倾落石槽。改进方案3落石槽宽度与改进方案1平台宽度均为13.6 m，改进方案3边坡更高，但坡顶挖方线与自然坡切线角度更小(α=10°)。
表3 挖方边坡坡型设计方案Table 3 Design schemes of excavation slope type
图6 挖方边坡坡型对比Fig.6 Comparison of excavation slope types
此外，为研究填土垫层对落石弹跳的缓冲效果，改进方案又做了有缓冲垫层和无缓冲垫层的对比模拟。
3.3.1α对落石抛射轨迹的影响
图7为改进方案落石运动轨迹。不难发现：落石自挖方顶部变坡点抛射以后的下一次撞击点均位于宽平台或落石槽范围内，有效避免了落石对公路的直接侵害。
图7 改进方案落石运动轨迹Fig.7 Rockfall trajectory of improved scheme
13.6 m平台与12.5 m内倾落石槽的二级边坡线重叠，坡顶挖方线与自然坡切线夹角α=19°，因此落石在挖方坡顶到宽平台及落石槽这一段的运动轨迹基本一致，运动轨迹包络线与坡面距离D≈10 m；
对于13.6 m落石槽，挖方线与顶部自然坡相接更加平顺，夹角α=10°，运动轨迹包络线与坡面距离D≈5 m。
以上现象充分说明开挖线与自然斜坡过度越平顺(即坡顶挖方线与自然坡切线夹角α越小)，越有利于引导落石贴坡坠落，规避轨迹失控带来的风险。
3.3.2 撞击平台/落石槽后的轨迹及弹跳高度
由图7可以发现：落石撞击平台后运动轨迹比较规则，多数落石与平台发生一次斜向撞击后飞向路基，运动轨迹类似“打水漂”，两次落点间的平距较大、竖向弹跳高度较小，不设置缓冲垫层时，落石撞击平台后在平台范围的最大弹跳高度H≈10 m，设置缓冲层后最大弹跳高度H降到5.2 m。
内倾落石槽方案运动轨迹比较复杂、随机性较强，落石以近乎垂直的角度撞向落石槽后发生剧烈弹跳，两次落点之间的平距较小；
12.5 m落石槽方案不设置垫层时最大弹跳高度H≈20 m，设置缓冲垫层H≈6.2 m；
13.6 m落石槽方案，因二级边坡更高，落石抛射进入自由加速阶段的时间点更早，故冲击能更大，撞击落石槽后弹跳更高，无垫层时H≈22 m，设置垫层后H≈8 m。
3.3.3 落石滞留率
表4统计了500次模拟中不同坡型条件下的落石滞留率。
工区南部缓坡带上物源口呈多个点状，在靠近物源区的多条冲沟前发育多个扇三角洲沉积，水上和水下环境并存，重力流与牵引流混杂，砾石含量较高，岩石颗粒粗并呈现正韵律特征；
北部陡坡带则主要发育水下冲积扇沉积，而在洼陷带发育从扇三角洲前缘滑塌下来的浊积扇沉积。因此，本工区以发育多点物源富砾扇三角洲沉积体系为主，如图1所示。
表4 不同坡型、垫层条件下落石滞留率Table 4 Rate of detained rockfall under different slopeand cushion conditions
不设垫层的13.6 m宽平台滞留了0.2%的落石(1次)、12.5 m内倾落石槽滞留了57.6%的落石(288次)、13.6 m内倾落石槽滞留了46.8%的落石(234次)。设置缓冲土垫层后宽平台滞留了2.4%的落石(12次)、12.5 m内倾落石槽滞留了96.0%的落石(480次)、13.6 m内倾落石槽则滞留了100%的落石。分析以上数据可以得到如下认识：①同等垫层条件下，内倾落石槽对落石的滞留效果显著优于宽平台；
②缓冲垫层对宽平台落石滞留能力的提升不明显、对内倾落石槽则有显著的效果。有垫层时12.5 m内倾落石槽滞留了96%的落石，13.6 m落石槽滞留了100%的落石。
3.3.4 动 能
图8为不同坡型、垫层条件下动能包络线，反映了落石运动全过程动能的变化情况。落石自启动以后沿直线坡段做匀加速运动；
至上凹坡段与坡面发生频繁的轻微碰撞，动能在震荡中略有下降；
过挖方边坡顶部变坡点后发生抛射，动能包络值在撞击宽平台或落石槽前的瞬间达到峰值，约21 000 kJ。
图8 不同坡型、垫层条件下动能包络线Fig.8 Kinetic energy envelopes under different slope andcushion conditions
在此定义：碰撞能量衰减率=碰撞过程中损失的能量/碰撞瞬间前的最大能量。不设置缓冲层时，落石分别与13.6 m宽平台、12.5 m落石槽、13.6 m落石槽发生碰撞后能量包络值衰减到4 000、2 540、2 290 kJ，对应的能量衰减率分别为81%、88%、89%；
设置缓冲层时，能量分别衰减到1 740、1 070、0 kJ，对应能量衰减率分别为92%、95%、100%。设缓冲垫层的13.6 m落石槽能量衰减达到100%，这说明落石在经过多次碰撞弹跳后完全留滞在落石槽范围内。
以上结果综合表明：落石槽在冲击能衰减、落石滞留方面的效果优于宽平台，宽平台则在控制落石运动轨迹、避免不规则弹跳方面有优势。填土缓冲垫层的使用能显著减小落石弹跳高度、提高落石滞留率、大幅度削减落石动能。
3.4 落石防护比选
鉴于缓冲填土垫层在落石能量衰减、轨迹控制、落石滞留方面的显著作用，不管采用何种边坡形式，填土垫层都是必选配置。
12.5 m内倾落石槽+缓冲垫层方案：落石撞击后最大弹跳高度6.2 m，冲击能1 070 kJ，轨迹较复杂多变。在落石槽外侧采用RB 150型被动防护网进行拦截，网高7 m，最大防护能级1 500 kJ。
13.6 m宽平台+缓冲垫层方案：落石与平台斜向撞击后最大弹跳高度5.2 m，冲击能1 740 kJ，轨迹稳定单一。在平台外侧采用强度更高的RMC 200/A型被动防护网进行拦截，网高6 m，最大防护能级2 000 kJ。
13.6 m内倾落石槽+缓冲垫层方案：落石多次撞击后完全滞留在落石槽范围内，外侧不设置被动防护网。
以上3个方案技术上均可行。13.6 m内倾落石槽+缓冲垫层方案不需设置被动网，经济上略有优势，但挖方最高、挖方坡顶接顺等工艺要求较严，施工难度稍大。经综合比选，该边坡最终采用的是相对折衷的13.6 m宽平台+缓冲垫层+6 m高RMC 200/A型被动防护网方案。
本段公路边坡落石风险极大，由于地形陡峻，无法对危岩体进行主动加固或清除。常规台阶式边坡条件下高位山体落石运动轨迹难以控制、冲击力强，采取结构直接拦挡无法奏效。通过模拟分析不同坡形、垫层组合条件下落石的运动规律，得到如下认识：
(1)山体落石防护，需认真分析落石运动轨迹及冲击能大小，通过坡型及结构设计达到落石轨迹可控、冲击能可承受的目的。
(2)本例中，坡顶挖方线与自然坡切线角度α=19°时，落石运动轨迹包络线与坡面距离D≈10 m，α=10°时，D≈5 m。这表明挖方边坡与上方自然斜坡平顺过渡有利于引导高位山体落石贴坡坠落，使其轨迹可控。相反，若坡体出现上缓下陡的剧烈变化，落石容易沿变坡点向下凌空抛射，轨迹难以控制。
(3)碰撞可有效降低落石速度和冲击能。因此，当无法对危岩区进行主动加固、落石冲击能又远超工程措施防护能级的情况，应合理设计坡型坡率引导落石沿可控的轨迹运动、碰撞减速消能。本文中的宽平台、内倾落石槽即使不设置缓冲垫层，对落石动能的衰减率也达到了80%以上。
(4)内倾落石槽具有优越的落石滞留和能量衰减效果，但落石运动轨迹较复杂、弹跳较高。为防落石碰撞后弹跳越网而过冲向路基，可配合较高的低能级被动防护网使用；
宽平台的优势在于落石运动轨迹规则(类似“打水漂”)、弹跳高度较小，可配合较矮的高能级被动防护网使用。
(5)填土缓冲垫层的使用能显著减小落石弹跳高度、提高落石滞留率、大幅削减落石动能。实践中垫层可采用弃土(例如路基换填的软土、高液限土等)，不仅提高了边坡的安全性，还缓解了弃土带来的环境污染，种植绿化后尚有美化环境的作用，可谓“一举三得”。
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