郭 宇，李均山，厚淵博

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

雅瀘高速公路邊坡典型危巖體運動特征分析

郭 宇，李均山，厚淵博

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

危巖失穩(wěn)是山區(qū)一類重要的地質災害，經(jīng)常對邊坡下部人員和建筑物造成極大的威脅。經(jīng)過對雅瀘高速公路沿線邊坡詳細的現(xiàn)場地質調查，確定法向恢復系數(shù)Tn、切向恢復系數(shù)Tτ及摩擦系數(shù)等計算參數(shù)，結合計算模型，從工程防護的角度出發(fā)，估算了危巖的運動軌跡，并對各個階段的運動速度、彈跳高度以及能量變化進行分析，為工程防護提供了合理可靠的依據(jù)。

危巖體 恢復系數(shù) 運動軌跡 運動特征

隨著山區(qū)公路、鐵路修建速度加快，邊坡穩(wěn)定性成為一類重要的工程地質問題。目前對邊坡整體穩(wěn)定性所作的研究較多，而對邊坡局部穩(wěn)定性問題——危巖體失穩(wěn)破壞卻研究較少。斜坡上已有變形跡象，具有失穩(wěn)破壞征兆的巖塊體稱為危巖體[1]。失穩(wěn)后的危巖體經(jīng)過一系列復雜的地質運動，對邊坡下部公路運營及人民生活造成極大的威脅。

本文以雅瀘高速公路C16標段邊坡典型危巖體為研究對象，在詳細調查現(xiàn)場地質資料的基礎上，確定法向恢復系數(shù)Tn、切向恢復系數(shù)Tτ及摩擦系數(shù)等計算參數(shù)，結合呂慶等人對邊坡落石計算模型的研究[2]，估算了危巖體的運動軌跡，并對各個運動階段運動特征進行了詳細分析和討論，為工程防護提供了可靠保證。

1 工程地質條件

整個研究區(qū)域屬于高山河谷地貌，河床嚴重下切，兩側山體海拔最高接近2 000 m，平均坡度45°，坡面產狀SN/E∠40°～50°，河谷兩岸地貌有明顯新構造運動特征，坡腳高程1 150 m，橋面設計高程1 210 m。

邊坡上部巖體主要為中風化～弱風化花崗巖，表層巖體卸荷作用強烈，結構面發(fā)育裂隙面延伸較長且相互貫通。在長期復雜地質作用下，很大一部分失穩(wěn)危巖體沿坡面滾動、翻滾后受地表樹木攔擋或者覆蓋層的撞擊消能而運動，“坐落”在中位高程覆蓋層上。典型危巖體如圖1所示，小方量的高位勢能危巖體對邊坡下部高速公路橋面和橋墩具有極大的威脅。

圖1 “坐落“在邊坡上部的典型危巖體

2 典型危巖體運動特征研究

2.1 計算參數(shù)選取

危巖體失穩(wěn)主要受底部覆蓋層的支撐，在地震、降雨等誘發(fā)因素作用下容易失穩(wěn)，而失穩(wěn)后危巖體運動特征又受斜坡幾何特征，坡表地質力學性質，危巖體物理力學性質控制[3-5]。取重力加速度9.81 m/s2，通過恢復系數(shù)來考慮碰撞前后的速度變化，研究區(qū)域坡面幾何特征及各個坡段恢復系數(shù)[6]分別見表1、表2。

2.2 運動軌跡分析

將整個坡段分為若干直線段，起點為危巖體實際所處位置，終點為橋面所在位置。根據(jù)呂慶等人對邊坡落石計算模型的研究，結合坡面特征，危巖體在運動過程中先后經(jīng)歷滑動和自由飛落階段。

巖塊由靜止開始滑動，結束時刻的線速度

式中，μ為滑動摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取值;s為沿坡面滑動的距離;α為坡角。

表1 危巖體運動各個坡段幾何特征

表2 各坡段法向恢復系數(shù)、切向恢復系數(shù)取值

滑動結束后巖塊經(jīng)歷一系列自由飛落運動，此時的初速度為滑動階段結束時刻速度。以坡角為原點建立直角坐標系，則碰前任一時刻巖塊坐標

設坡面幾何方程為 g(x，y)=0，聯(lián)立式(2)、式(3)，并代入坡面方程，得到單個坡段的運動軌跡

并求得巖塊在坡面撞擊點坐標(x1，y1)，落地前速度分量V1x，V1y，與地面碰撞瞬間，速度變化如下

式中，V2n，V2τ分別為碰后速度沿坡面的法向分量與切向分量;V1n、V1τ分別為碰前速度沿坡面的法向分量與切向分量。將碰后速度沿坐標軸分解，得到碰后速度水平分量V2x和豎直分量V2y及碰后合速度V2

巖塊以V2為初速度開始做下一階段的自由飛落運動，最終確定危巖體運動軌跡如圖2所示。

圖2 危巖體運動軌跡

巖塊由靜止沿OA坡段加速滑動，到達A點后由于坡角變大開始自由飛落運動，第一次與坡面的碰撞點在距A點4 m左右的K1點，第二次碰撞仍在AB段，碰撞點K2距A點120 m左右，此時巖塊具有較大動能，巖塊躍過BC段在坡度較緩的CD段上(K3點)發(fā)生第三次碰撞，動能繼續(xù)增大，第四次碰撞在EF坡段上的K4點，此時速度達到25.9 m/s，最后經(jīng)自由飛落與橋墩(K5點)發(fā)生碰撞。

2.3 運動特征分析

從工程防護的角度出發(fā)，防護結構設計經(jīng)常最關注的是碰撞在結構上的位置和能量，對研究區(qū)域典型危巖體各個階段運動進行分析計算，在各個坡段運動速度、最大彈跳高度及能量變化分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 危巖體在不同坡段的速度

圖4 危巖體在不同坡段的彈跳高度

圖5 危巖體在不同坡段的動能

圖3顯示危巖體每次碰撞，都會在地面點產生消能效應，碰撞前的速度越大，消能越強烈，但總體速度呈增大趨勢，最大運動速度達到42.5 m/s，發(fā)生在斜坡中部，運動到橋墩處速度達到25.6 m/s，會對公路造成威脅。

由圖4顯示，危巖體在每個運動階段的最大彈跳高度都在不斷增加，到橋墩處彈跳高度達到40.6 m/s，會對橋墩中上部直接造成沖擊。若在斜坡下部采用攔石防護系統(tǒng)，不僅造價高，且撞擊能量大，建議在邊坡上部采用就地加固或者人工治理清除此類危巖體。

圖5顯示危巖體運動到橋墩處仍有786 kJ的動能，根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2004)[7]，落石對攔擋墻的計算公式，此時沖擊力達到473.5 kN。消能效應最強烈發(fā)生在第三次碰撞(K3點)，此時巖塊碰撞更趨向于完全非彈性碰撞;實際情況由于該坡段(DE)坡度變緩，坡表覆蓋層較厚，且植被較發(fā)育，導致巖塊動能損失嚴重，因此，加強對坡表植被及覆蓋層的保護也是減小危害的有力措施。

3 結論

危巖體崩落是山區(qū)常見的地質災害類型，研究其運動特征對工程防護和評價其危害性具有十分重要的意義。危巖運動是多種因素的耦合作用，碰撞過程中的能量變化很大程度取決于選取的恢復系數(shù)，因此通過前期詳細現(xiàn)場地質調查，合理選擇幾何參數(shù)和計算參數(shù)是研究其運動特征的關鍵。通過分析運動軌跡，確定和統(tǒng)計各個階段的運動速度，最大彈跳高度及能量等要素，掌握其變化規(guī)律，為工程防護和同類災害防治提供科學可靠的依據(jù)。

[1]陳洪凱.三峽庫區(qū)危巖綜合治理技術及應用[J].地下空間，2002，2(22):98-100.

[2]呂慶，孫月紅.邊坡滾石運動的計算模型[J].自然災害學報，2003，12(2):79-84.

[3]楊海清，周小平.邊坡落石運動軌跡新方法[J].巖土力學，2009，30(11):3411-3416.

[4]唐紅梅，易朋瑩，危巖落石運動路徑研究[J].重慶建筑大學學報，2003，25(1):17-23.

[5]楊巧艷，孔書祥.山區(qū)鐵路路基邊坡病害整治與研究[J].鐵道建筑，2006(3):65-68.

[6]DAY R W.Case studies of rockfall in soft versus hard rock[J].Environmental and Engineering Geoscience，1997，3(1):133-140.

[7]中華人民共和國交通部.JTG D30—2004 公路路基設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

U213.1+55

A

1003-1995(2012)06-0095-03

2012-01-22;

2012-03-30

郭宇(1988— )，女，湖北潛江人，碩士研究生。

(責任審編 王天威)