某公路边坡落石形成条件及运动特性研究
时间：2023-04-08 21:20:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李亨，舒伟富，谢力欢，郭代泉，袁明
（四川志德岩土工程有限责任公司，四川成都 610094）
落石是指陡峻斜坡上的个别岩石块体在重力和其他外力作用下，突然向下滚落的一种很常见的不良地质现象[1-3]，尤其在我国西部山区（云南、贵州、四川、西藏、重庆）随处可见。落石一旦发生，造成的危害不亚于泥石流和滑坡。小规模的落石灾害会对铁路、公路的安全运营带来影响[4-6]，大规模的落石灾害不仅会严重威胁到建筑物[7]，还会造成人员伤亡、较大的经济损失。研究落石的形成条件、运动形式、运动轨迹，对落石防治方案的选择以及优化具有重要意义。
现场调查表明，某公路边坡上部坡表植被发育，下部基岩裸露，坡脚落石堆积。该边坡总体上缓下陡，总体高度360.51m，水平长度479.21m，总体平均坡度约37°。边坡从上至下划分为AB、BC……HI 命名的坡段共8 段，边坡剖面线如图1 所示，边坡坡面模型见图2，边坡坡段破表特征见表1。
图1 边坡现状
图2 边坡坡面模型
表1 边坡坡面特征
2.1 地形地貌
一般边坡高度越高、边坡坡度角越大越容易发生落石，同时落石的规模和强度也越大。大高差、大坡度的地形地貌为落石的产生和发展提供了较大的势能条件。
2.2 地层岩性
该区域基岩多为石炭系下统诺错组（C1n）变细砂岩与板岩互层、前寒武系念青唐古拉群（Pt1-2Gn）片麻岩。这些岩石具有较大的抗剪强度以及抗风化能力，能形成高峻的陡坡，并且其构造节理或卸荷裂隙比较发育，为落石的形成提供了良好的外部条件。
2.3 风化卸荷
裸露在地表大气之中的岩石，在自然营力的作用下不断风化，使岩层原有的裂隙扩大、深度增加，岩层结构由表及里受到破坏，边坡岩体的稳定性降低，最后可能导致危岩落石的发生。
在岩质边坡中，卸荷将引起临空面附近岩体内部应力重分布，造成局部应力集中。在边坡卸荷过程中，张应力集中带形成一系列平行于边坡的张裂隙，这些张裂隙将岩体分割成板状，甚至薄板状，板状破裂进一步发育后会失稳形成落石。
边坡下部出露基岩岩性为板岩，受区域地质构造和浅表生改造，以及公路施工人工开挖边坡的影响，岩体出露部分节理裂隙发育，现场调查统计得到两组节理，节理面J1 产状：104°∠80°；
节理面J2产状：313°∠41°，节理间距10～50cm；
片理面L产状：208°∠72°，层厚15～20cm；
坡面产状：73°∠53°。
根据岩体结构特征，赤平投影分析如图3 所示。
图3 边坡岩体稳定性分析图
由边坡稳定性分析可知，图中坡面投影区穿越单滑面1、2、3，双滑面12、13，坠落体G，故不在边坡面上形成滑塌体，而只有双滑面23 的滑塌形式是在边坡临空面出露滑塌体。从稳定性系数分析得知，双滑面23 的稳定性系数为0.46，处于失稳滑动状态，会产生掉块、落石，这与现场调查结果一致。
按照落石的初始运动形式，将落石分为倾倒下落、滑移下落、直落三种形式；
按照落石在边坡上的运动形式，将落石分为飞落、碰撞、滚动、滑动四种形式。落石在边坡上的运动形式一般不是单一的，而是以上运动形式的随机组合（图4）。
图4 落石常见运动形式组合
现场调查发现，该边坡岩体节理裂隙发育（图5），随着裂隙的扩大，裂隙密度增大，裂隙深度增加。岩体在被裂隙切割后在一定条件下沿临空面掉落形成落石，落石的启动方式以倾倒与滑移为主。
图5 边坡裂隙发育
图6 落石运动轨迹
采用Rockfall 软件模拟该边坡落石的运动，Rockfall 程序通过建立边坡模型，输入一些和边坡与落石有关的基本参数，模拟出落石在边坡上的运动轨迹、能量变化、弹跳高度变化，为边坡的防护治理设计提供依据。
边坡坡面相关参数[8-9]见表2。通过数值模拟计算，可以获得落石在边坡下落过程中的速度、弹跳高度、冲击能量及其分布情况。通过数值模拟得到100 块质量为20kg 的落石运动轨迹，如图6 所示，落石运动最终停止位置如图7 所示，落石运动过程中的弹跳高度如图8 所示，落石运动过程中的总动能变化如图9 所示。
图7 落石运动停止点分布
图8 落石弹跳高度变化
图9 落石动能变化
表2 落石运动模拟坡面参数
从 图6可以看出，落石启动后以一定速度到 达B 点，B 点为落石运动的起点；
在B—C 段落石的下滑分力较大，落石的运动形式为减速滑动，到达变坡点C点后落石水平分力较大，飞离边坡；
在C—D 段落石以飞落的形式在边坡上做斜抛运动，在D 点与边坡发生碰撞；
在D 点碰撞后，落石下滑力较大，在D—E 段的运动形式变为沿坡面加速向下滑动，到达变坡点E；
落石滑动到变坡点E 处时水平分速度较大，直接以飞落运动形式在F点与边坡再次发生碰撞；
在F 点碰撞后，下滑力较小，落石的运动形式为减速滚动，直至停止运动到G 点。
落石停止运动的最远水平距离为462.438m，其中60%的落石停止运动的水平距离为433.686m，落石停止运动的距离在坡脚与公路之间，与现场调查的结果完全一致。在落石弹跳运动过程中，当水平距离为354.616m 时，落石弹跳高度达到最大值9.70m。在整个运动过程中，落石所具有的最大动能为27064.78J，此时水平距离为383.369m。
刚性防治技术包括落石槽、圬工拦石墙、拦石堤、拦石栅栏、避让带等。刚性拦石墙具备施工简单、可就地取材的优点，结合数值计算结果，建议在该边坡坡脚采用刚性挡墙的防治措施（图10）。
图10 刚性挡墙防治示意图
（1）该边坡总体上缓下陡，局部达53°，边坡上部坡表植被发育，下部裸露基岩为板岩，由于风化卸荷作用，将岩体分割成板状，甚至薄板状，板状破裂进一步发育后会失稳形成落石，故边坡坡脚落石堆积。
（2）赤平投影分析结果表明，边坡最不利滑面稳定性系数为0.46，处于失稳滑动状态，会产生掉块、落石，与现场调查结果一致。
（3）按照落石的初始运动形式，可将落石分为倾倒下落、滑移下落、直落三种形式；
按照落石在边坡上的运动形式，可将落石分为飞落运动、碰撞运动、滚动、滑动四种形式。落石在边坡上的运动形式一般不是单一的，而是以上运动形式的随机组合。
（4）数值模拟结果表明，落石停止运动的距离在坡脚与公路之间。
落石停止运动的最远水平距离为462.438m，运动过程中的最大弹跳高度为9.70m，具有的最大动能为27064.78J，建议在坡脚采用刚性挡墙的防治措施。
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