張 帥，羅永健

（廣州市設(shè)計(jì)院 廣州510620）

0 引言

我國珠三角地區(qū)位于歐亞大陸板塊東南緣，巖漿侵入頻繁活動(dòng)所形成的燕山期為主的花崗巖大面積出露。珠江三角洲在晚第三紀(jì)以來新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以大面積的垂直升降運(yùn)動(dòng)為主要特征，并且總體上以抬升運(yùn)動(dòng)為主，形成現(xiàn)在的丘陵地貌。出露地表的花崗巖長期遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，形成厚度巨大的風(fēng)化殼，上部為殘積土、其下為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖。花崗巖在形成演化過程中，當(dāng)出露地表花崗巖塊狀巖石由多組節(jié)理切割，并不斷受到風(fēng)化作用時(shí)，塊狀巖石突出的棱角部位更易受風(fēng)化，故棱角逐漸縮減，并趨向球形，最終形成橢球狀孤石與土狀風(fēng)化物混雜的球狀風(fēng)化體[1,2]（見圖1）。

珠三角地處發(fā)達(dá)地區(qū)，隨著城市建設(shè)的擴(kuò)張，越來越多的建筑物建于山體下，由于前期采石場(chǎng)開挖或建筑場(chǎng)地平整開挖，往往就形成了高陡巖質(zhì)邊坡。因?yàn)榫o鄰民用建筑，高陡巖質(zhì)建筑邊坡發(fā)生失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害將直接威脅坡腳處人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 花崗巖風(fēng)化球Fig.1 Spherical Weathering Granit

由于花崗巖獨(dú)特的工程地質(zhì)特性，當(dāng)坡體遇連續(xù)降雨時(shí)，花崗巖風(fēng)化球底部殘積土遇水軟化、崩解，不斷受雨水侵蝕，造成水土流失甚至局部邊坡失穩(wěn)[2]。上部花崗巖風(fēng)化球在重力作用下失穩(wěn)形成危石滾落，經(jīng)大落差滾至坡腳時(shí)，往往具有極大的破壞性。這成為珠三角地區(qū)近年來高陡巖質(zhì)建筑邊坡常見的失穩(wěn)形態(tài)。

本文以珠三角某小區(qū)后山邊坡孤石滾落事故為例，采用Rocfall軟件分析計(jì)算，建模還原了孤石滾落路徑，分析了原攔石墻失效原因。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該高陡邊坡后續(xù)可能出現(xiàn)的孤石滾落路徑進(jìn)行了分析，分析比較了坡率（削坡）對(duì)孤石滾落路徑、能量的影響。同時(shí)提出了攔石墻的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，攔石墻設(shè)置緩沖層和落石槽作為主要緩沖結(jié)構(gòu)，可有效吸收擴(kuò)散落石沖擊能量。

1 Rocfall計(jì)算簡介

危巖失穩(wěn)后在重力作用下加速向下運(yùn)動(dòng)，危巖變成落石，勢(shì)能轉(zhuǎn)為動(dòng)能，當(dāng)落石與坡面接觸發(fā)生反彈，根據(jù)坡面接觸點(diǎn)的法向彈性系數(shù)和切向摩擦系數(shù)的不同，落石的彈跳高度則不同。整個(gè)過程遵循能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律[3,4]。

加拿大Roc-science公司開發(fā)的Rocfall程序主要通過輸入有關(guān)邊坡和落石的基本參數(shù)，來模擬落石在斜坡上的運(yùn)動(dòng)路徑、能量分布和彈跳高度變化。程序?qū)⒙涫喕癁榫鶆蚯也粫?huì)破碎的質(zhì)點(diǎn)，坡面為各向同性的彈塑性體，忽略了空氣阻力，主要參數(shù)包括法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)和孤石重量等[5,6]。

2 工程背景

2018年，在多日降雨后，珠三角某小區(qū)后山發(fā)生孤石滾落災(zāi)害，三塊孤石從約70 m高的巖質(zhì)陡坡上方滾落而下，其中最大的一塊重量約80 t，危石擊穿坡腳擋石墻后，又將被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)拉倒，將坡腳處一棟高層住宅主體結(jié)構(gòu)剪力墻撞擊至混凝土碎裂，又反彈撞擊了附近磚墻。

該巖質(zhì)陡坡是由前期采石場(chǎng)采石開挖形成的。邊坡下部為花崗巖基巖，完整性好，斜率約1:0.3，高度約65 m。邊坡上部為花崗巖殘積土，坡率約1:1～1:1.5，并存在大量花崗巖風(fēng)化球。坡腳距離現(xiàn)有住宅建筑約18 m（見圖2）。為防止山上孤石滾落繼續(xù)對(duì)坡腳建筑造成危害，需針對(duì)該邊坡孤石滾落進(jìn)行防治。

圖2 邊坡示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Slope

3 Rocfall模擬還原落石路徑

事故發(fā)生在夜間，可采用Rocfall軟件還原模擬孤石滾落的過程，量化孤石滾落的能量和破壞威力。

孤石滾落路徑主要是因采石裸露的完整基巖，軟件參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模擬參數(shù)取值Tab.1 The Value Table of Simulation Parameters

以最大塊孤石為研究對(duì)象，孤石重量80 t，孤石初始位置為巖質(zhì)邊坡陡坡頂部。孤石是由自重作用向下滾落，故設(shè)置孤石初速度為零，距坡腳4 m處設(shè)置攔石墻，坡腳建筑物外墻距離坡腳18 m，坡腳攔石墻極限攔截能量為500 kJ。為方便研究，設(shè)置坡腳位于坐標(biāo)系（0，0）位置。同樣條件下設(shè)置50個(gè)質(zhì)點(diǎn)，以求得不同的可能路徑。

經(jīng)Rocfall模擬計(jì)算，圖3為孤石滾落路徑模擬結(jié)果，孤石在重力作用下啟動(dòng)后沿坡頂緩坡滑落，在巖質(zhì)陡坡頂處沖出坡體，呈自由落體運(yùn)動(dòng)，直至砸到坡底緩坡，經(jīng)地面巖石反彈沖出攔石墻，砸落至坡腳建筑外墻。

圖3 落石滾落軌跡還原模擬Fig.3 Simulations of Rockfalling Path

經(jīng)Rocfall后處理模塊，可導(dǎo)出孤石滾落速度、彈跳高度以及動(dòng)能與滾落位置的關(guān)系曲線（圖4～圖6）。孤石從陡坡頂啟動(dòng)后先緩慢加速，躍出陡坡頂后速度在重力作用下線性增加。孤石與坡體的豎向距離（彈跳高度）也在此時(shí)達(dá)到最大的11 m。在孤石落至坡底緩坡之前，最大速度達(dá)到了約32 m/s，具有極大的沖擊能。孤石落至坡底緩坡后速度和動(dòng)能明顯削弱，但依然足以穿過攔石墻。根據(jù)50個(gè)質(zhì)點(diǎn)的路徑統(tǒng)計(jì)，約60%的概率直接砸至建筑物外墻，約40%的概率落至地面后砸至建筑物外墻。滾石砸至外墻時(shí)的動(dòng)能依然有8 112 kJ。

通過對(duì)比孤石滾落的模擬路徑和事故現(xiàn)場(chǎng)孤石滾落留下的擦痕，模擬結(jié)果和滾石實(shí)際路徑相似。通過孤石動(dòng)能和速度與位置的關(guān)系曲線可以看到，孤石墜落至坡底緩坡以及砸落至坡腳平臺(tái)時(shí)，動(dòng)能和速度可以明顯減弱，而攔石網(wǎng)難以對(duì)孤石進(jìn)行有效攔截，巨大的孤石撞向建筑外墻時(shí)仍然有極大的破壞力，這與現(xiàn)場(chǎng)的事故記錄是大致吻合的。

圖4 落石滾落速度-位置關(guān)系曲線Fig.4 Velocity-position Curve of Rockfalling

圖5 落石滾落彈跳高度-位置關(guān)系曲線Fig.5 Height-position Curve of Rockfalling

圖6 落石滾落動(dòng)能-位置關(guān)系曲線Fig.6 Kinetic Energy-position Curve of Rockfalling

4 分級(jí)修坡

基于落石撞擊坡面后動(dòng)能明顯降低，首先可考慮對(duì)巖質(zhì)邊坡分級(jí)并削坡，以降低綜合坡率，增加落石與坡面的摩擦，減小落石動(dòng)能。由于基巖整體穩(wěn)定性好，綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，巖質(zhì)陡坡可按1:0.4坡率修坡，在40 m高處修3 m平臺(tái)，在基巖頂部修5 m平臺(tái)以兼顧基巖以上土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性（見圖7）。因本文重點(diǎn)研究下部巖質(zhì)邊坡孤石滾落危害，故不對(duì)上部土質(zhì)邊坡以及邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行討論。

圖7 邊坡修坡示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Graded Slope

在Rocfall中保持坡面參數(shù)不變，落石初始位置更改為基巖頂部平臺(tái)端部，落石質(zhì)量仍為80 t，初速度為零。模型計(jì)算落石路徑如圖8所示。

圖8 修坡后孤石滾落軌跡模擬Fig.8 Simulation of Rolling Track of the Rockfolling on Tepped Slope

從孤石滾落路徑上看，孤石沿第一級(jí)坡滾落，至中間平臺(tái)后彈跳至空中，經(jīng)拋物線降下落至下一級(jí)坡面后擊穿攔石墻滾至坡腳建筑外墻。

修坡后落石在坡腳的路徑拋物線明顯降低，但依然會(huì)穿透攔石墻，擊中建筑外墻，但是孤石大概率提前落到建筑與坡腳之間的地面上，而不是在空中直接砸中建筑物。通過軟件后處理功能，導(dǎo)出孤石砸落點(diǎn)高度、能量結(jié)果，對(duì)修坡前后落石砸至建筑物外墻的狀態(tài)做對(duì)比（見表2），可以比較前后落石對(duì)建筑物的危害大小。

表2 修坡前后落石對(duì)建筑物的危害對(duì)比Tab.2 Comparison of the Damage of Falling Rocks to Buildings before and after Slope Graded

通過表2可以得知，適當(dāng)修坡后落石對(duì)坡腳建筑物危害得到一定削弱。經(jīng)分級(jí)修坡后，由于增加了與坡體的摩擦，孤石沖擊建筑物的勢(shì)能和動(dòng)能都明顯降低，砸到建筑物上的動(dòng)能降低為原來的32.2%，分級(jí)削坡的明顯降低了孤石滾落對(duì)坡腳建筑物的危害。為進(jìn)一步分析滾石滾落是運(yùn)動(dòng)速度和能量的變化歷程，導(dǎo)出落石動(dòng)能歷程對(duì)比曲線如圖9所示。

圖9 修坡前后落石動(dòng)能歷程對(duì)比曲線Fig.9 Comparison Curve of Kinetic Energy of Rockfalling before and after Slope Graded

從孤石動(dòng)能分布來看，孤石在滾落前期，由于分級(jí)削坡作用，孤石勢(shì)能在第一級(jí)坡滾落時(shí)提前釋放，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能明顯快于修坡前工況。但在中間平臺(tái)處，孤石動(dòng)能得到明顯削弱。最終落至坡腳時(shí)，孤石動(dòng)能峰值明顯小于修坡之前。分級(jí)修坡后，孤石在砸至建筑物前動(dòng)能急劇下降，這是因?yàn)楣率崆奥涞睾鬂L至建筑，此期間與地面摩擦消耗了大量能量。由修坡前后落石動(dòng)能分布可知：分級(jí)修坡起到了提前釋放勢(shì)能，動(dòng)能削峰的作用，避免孤石滾落至坡腳時(shí)能量“爆發(fā)”。所以為控制孤石滾落危害，可考慮修坡以減緩邊坡坡率，并分級(jí)使得落石過程中動(dòng)能明顯降低。

但在本項(xiàng)目中，落石滾落位置以上仍有較高的土質(zhì)邊坡，下部巖質(zhì)邊坡大量削坡可能引發(fā)上部邊坡穩(wěn)定性問題，同時(shí)爆破開挖也需考慮對(duì)坡腳建筑的施工影響。故在條件允許的情況下視具體情況分級(jí)修坡，同時(shí)需考慮對(duì)上部邊坡進(jìn)行支護(hù)。

5 孤石清除和攔石墻（網(wǎng)）

雖然在分級(jí)修坡后落石危害性降低，但是通過模擬計(jì)算表明孤石仍然沖出了攔石墻，對(duì)建筑物依然有巨大威脅。所以對(duì)于大塊危險(xiǎn)孤石，不能寄希望于坡腳攔石墻這最后一道防線，應(yīng)考慮提前將邊坡上的孤石清除或者加固處理。

為分析防護(hù)能級(jí)為500 kJ的攔石墻能夠攔截落石的最大重量，采用Rocfall軟件設(shè)置不同的孤石重量試算，當(dāng)孤石重量最大為5t時(shí)，攔石網(wǎng)可以有效攔截（見圖10）。孤石落在攔石網(wǎng)上的動(dòng)能集中在240～380 kJ。故修坡的同時(shí)，應(yīng)清除坡體孤石和危巖體，特別是塊體重量大于5 t的，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和清除。

圖10 重量5t的滾石滾落模擬路徑Fig.10 Rolling Stone Simulation Path with Weight 5t

攔石墻應(yīng)設(shè)置緩沖層和落石槽作為主要緩沖結(jié)構(gòu)，緩沖層可就地利用落石槽開挖土方，也可使用其他抗沖擊材料填筑，為避免落石沖擊槽底發(fā)生彈跳，槽底應(yīng)鋪筑緩沖材料。

落石的攔石墻的沖擊力（見圖11）可以由式⑴計(jì)算[8-9]：

式中：P（Z）為落石沖入緩沖層的單位阻力；Z為落石沖擊后的陷入深度（m）。

Z由式⑵計(jì)算：

式中：VR為落石塊體接觸攔石墻石的沖擊速度（m/s）；Q為石塊重量（kN）；γ為緩沖層重度（kN/m3）；g為重量加速度；φ為緩沖層內(nèi)摩擦角（°）；F為落石等效球體的截面積（m3）。

F由式⑶、式⑷計(jì)算：

式中：γ1為落石的重度。

根據(jù)式⑵可以求得落石沖擊陷入緩沖層的深度，從而確定緩沖層的厚度。為減少落石在迎石坡面的彈跳高度，攔石墻后緩沖層邊坡宜用1∶0.75，坡面用片石鋪砌加固。并輔以主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)措施，可以取得更好的效果。

圖11 作用于攔石墻上的沖量分布Fig.11 Impulse Distribution Acting on the Stone Wall

6 結(jié)論

⑴珠三角地區(qū)橢球狀孤石與土狀風(fēng)化物混雜的球狀風(fēng)化體廣泛分布，邊坡上部花崗巖風(fēng)化球在重力作用下失穩(wěn)形成危石滾落，經(jīng)大落差滾至坡腳時(shí)，往往具有極大的破壞性。這成為珠三角地區(qū)近年來高陡巖質(zhì)建筑邊坡常見的失穩(wěn)形態(tài)。

⑵Rocfall軟件通過輸入有關(guān)邊坡和落石的基本參數(shù)，來模擬孤石在斜坡上的運(yùn)動(dòng)路徑、能量分布和彈跳高度變化?？梢詾榉雷o(hù)治理設(shè)計(jì)提供直觀有效的依據(jù)。

⑶對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡分級(jí)修坡，可以有效消耗孤石滾落動(dòng)能，減小孤石滾落至坡腳的動(dòng)能。修坡起到了提前釋放勢(shì)能，動(dòng)能削峰的作用。

⑷孤石滾落的防治不能寄希望于攔石墻（網(wǎng)）這最后一道防線，應(yīng)盡可能清除孤石和危巖體，特別是大塊體。根據(jù)可能的孤石滾落能量選用合適的攔石墻（網(wǎng)）規(guī)格。

⑸對(duì)于剛性攔石墻，應(yīng)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，避免落石沖破或彈跳。緩沖層厚度應(yīng)根據(jù)落石沖擊后的陷入深度確定。