黃澤斌，羅安民，盧 波，周 凱

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410600)

0 引言

落石災害是我國山區(qū)三大常見地質災害之一[1]。其主要防治技術方向為清除、主動支擋補強及被動攔截引導防護。其中主動支擋補強技術包含錨固、支撐、嵌補、排水、表面封閉、封填勾縫、主動柔性防護等。被動攔截引導防護主要有被動柔性攔石網(wǎng)、攔石墻、落石槽、引導溝等。前者在防治范圍小、高度低的落石危巖區(qū)有較高的經(jīng)濟性及適用性。而后者對于高位大范圍危巖落石防護有較高的適用性及經(jīng)濟性[2-3]。

被動攔截引導防護攔截的效果，主要取決于對落石運動路徑及運動特征的掌握程度。若不能準確判斷落石的運動軌跡及運動特征，可能導致攔截措施設置位置不合理、防護能級不足或者過高，造成攔截失敗或者工程浪費。因此，對落石下落軌跡、彈跳形式以及能量大小的研究是進行被動攔截引導防護設計的關鍵[4-6]。

1 工程概況

廣西某高速公路于2020-06-03發(fā)生落石災害(以下簡稱6.3落石事件)，落石由距路面約148 m高差的路外山體掉落并沿坡面滾入高速公路，撞擊到正在行駛的兩輛貨車。經(jīng)現(xiàn)場調查，撞擊車輛最大塊體巖性為灰?guī)r，體積為(3×3×5) m3，重量約126 t。邊坡山體相對高差約260 m，呈上陡下緩形態(tài)，表層植被茂密，山體裂隙發(fā)育，下部為崩塌堆積區(qū)。經(jīng)調查，山體存在較多大塊危巖體，裂縫多張開達20 cm，且無充填物，最大塊危巖體體積達25 m3，仍有進一步發(fā)生落石災害的風險，亟需進行防護以確保高速公路通行安全。

2 落石防護數(shù)值模擬分析

2.1 落石運動軌跡模擬

采用加拿大Rocscience公司的RocFall軟件對已發(fā)生的落石災害進行反演分析，采用剛體法進行分析，其基本假定有：

(1)考慮落石外形尺寸和質量對運動特征的影響。

(2)所有巖塊彼此獨立，僅與坡面和阻擋物發(fā)生碰撞。

(3)模擬過程中的落石質量為恒定常量，不發(fā)生碎裂等質量損失情況。

(4)模擬過程中不考慮空氣阻力的影響。

(5)斜坡概化成連續(xù)線段，不與剖面線相交，阻擋物和數(shù)據(jù)采集的位置概化為獨立直線段。

Rocfall軟件在模擬過程中遵循如下規(guī)律：

(1)當斜坡面由陡變緩時，落石原來的運動模式不變，但在轉折點會因運動方向改變而引起速度減小，在此不考慮轉折點的阻力作用。

(2)當斜坡面由緩變陡時，落石原有的運動方式(如滾動或滑動模式運動)將改變?yōu)閺椞\動模式。

(3)當斜坡面法向恢復系數(shù)較大而導致落石不能繼續(xù)彈跳時(如法向計算速度為零或負值)，落石將從彈跳模式轉化為滾動或滑動模式。

(4)兩計算點間的坡面具有相同的傾角和摩擦系數(shù)。若有不同，則必須分段計算。

2.2 坡面定義及參數(shù)確定

本文采用無人機傾斜攝影技術進行三維地形建模，通過模型切取特征剖面進行分析計算。如圖1和圖2所示。

圖2 計算典型斷面圖

根據(jù)現(xiàn)場調查，將整個落石運動影響坡段分為五段，分別為基巖出露≥65°段、崩積體薄層覆蓋段、混凝土路面段、基巖出露45°～65°段以及基巖出露<45°段。

落石在坡面上運動時，不同性質的坡面對落石的運動特征有很大的影響。計算涉及到的參數(shù)一般包含：

(1)碰撞恢復系數(shù)，包含法向、切向兩個值。分別影響落石與坡面發(fā)生碰撞后的動能損失。

(2)坡面摩擦角度，影響石塊在坡面上滑移特征。

(3)粗糙度，用坡面線段傾角的標準差表示。用來模擬坡面凹凸不平的特性，影響落石與坡面碰撞以后的回彈角度。

恢復系數(shù)對落石軌跡模擬的影響非常敏感，0.01的差距也可能導致模擬結果的差異。初始模擬時應首先根據(jù)坡面特征選取合適的參數(shù)，同時根據(jù)現(xiàn)場調查及落石歷史事件的記錄對初始模擬結果進行擬合分析，不斷調整該系數(shù)的取值，直到模擬的結果與現(xiàn)場調查及落石歷史事件的結果吻合或相近，以獲得可靠度較高的模擬結果。

2.3 落石事件反演分析

根據(jù)6.3落石事件的現(xiàn)場調查情況，擬定落石為(3×3×5)m3長方體(小半徑圓角)，巖體密度為2.5 t/m3，模擬1 000次隨機落石，重現(xiàn)結果如下：

2.3.1 落石軌跡及分布

根據(jù)現(xiàn)場調查，落石在從山體滾落侵入道路范圍以后第一落點為公路靠山體側邊溝附近，隨即發(fā)生水平滑動并碾壓穿越中央護欄至道路對側，將對側公路行駛中的車輛一同撞擊到對側山體挖方邊坡隨即停止。根據(jù)這一情況的反演，經(jīng)過反復修正調整坡面相關參數(shù)，得到1 000次隨即落石的運行軌跡圖(圖3)。從圖3中可知，在邊坡中上部落石運動軌跡遠離坡面，說明該段落石運動主要為彈跳運動。邊坡下部崩積體薄層覆蓋段落石軌跡多與坡面貼近，可以判斷該段落石運動以滾動或者滑動運動為主。結合落石大型長方體的幾何形態(tài)以及堆積體表面植被與土層覆蓋的特征，本項目該段落石運動為滑動運動。

圖3 落石軌跡參數(shù)示意圖

如圖4所示反映出落石終止位置的分布，1 000次反演試算中，有超過60%的次數(shù)與顯示接近，說明反演分析是有效的。

圖4 落石終止位置分布圖

2.3.2 落石運動特征統(tǒng)計

落石沿坡面滾落時，最大速度達31 m/s(可靠度95%)，位于落石路徑上部第三次彈跳前，之后呈逐步降低的趨勢，如圖5所示。

圖5 落石運動速度沿坡面位置分布圖(可靠度95%)

落石沿坡面滾落，最大動能達55 000 kJ(可靠度95%)，位置與速度最高點一致，變化趨勢隨碰撞次數(shù)增加而減小，如圖6所示。

圖6 落石動能沿坡面分布圖(可靠度95%)

2.3.3 落石至災瞬間的運動特征統(tǒng)計

在道路中心線位置附近設置數(shù)據(jù)采集器，采集落石致災瞬間的運動特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

落石擊中車輛前，瞬時速度達10.7 m/s(可靠度95%)，如圖7所示。

圖7 落石擊中車輛前的速度統(tǒng)計分析曲線圖(累計頻率95%)

落石擊中車輛前，瞬時動能達6 403.6 kJ(可靠度95%)，如圖8所示。

圖8 落石擊中車輛前的動能統(tǒng)計分析曲線圖(累計頻率95%)

2.3.4 坡面設計計算參數(shù)值

計算以軟件的推薦值為參考，根據(jù)實地勘察情況進行修正，并反復試算以重現(xiàn)落石事件運動軌跡，微調模型設計參數(shù)，確定坡面分段的特征參數(shù)(見表1)。

表1 反演分析最終確定的計算參數(shù)值表

3 落石防護設計

根據(jù)落石數(shù)值模擬的統(tǒng)計結果，落石在距離道路邊界以外50 m范圍內進入動能衰減區(qū)，且運動軌跡離坡面較近，彈跳較小，是設置防護結構攔截落石的有利區(qū)域。分別在距離道路邊界20 m、10 m的B、C處設置數(shù)據(jù)采集器，采集落石運動統(tǒng)計數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 各擬建防護位置落石運動參數(shù)統(tǒng)計表

分析上述數(shù)據(jù)，按照95%保證率，目前市場上單道攔石網(wǎng)的最大設防等級為5 000 kJ，均無法滿足防護要求?？紤]在B、C位置分別設置一道6 m高的5 000 kJ攔石網(wǎng)，進行連續(xù)攔截。

根據(jù)現(xiàn)場調查的情況，考慮對已調查高度在相對路面約140 m的危巖單塊最大體量25 m3進行設防，并考慮對已有落石點以上至距路面高差200 m坡面存在的潛在危巖體進行設防，歸納三種工況進行設防校核(見表3)。

表3 典型危巖工況表

利用RocFall軟件，分別對每種工況進行1 000次隨機落石模擬，對每種工況的每一道攔石網(wǎng)保證設計安全的保證率進行分析計算，由此可計算出各工況下各攔石網(wǎng)位置落石的設計沖擊動能(見表4)。

表4 各工況下各攔石網(wǎng)位置落石的設計沖擊動能一覽表(考慮連續(xù)攔截)

根據(jù)上述計算結果，考慮設計2道攔石網(wǎng)連續(xù)攔截，每種工況中1 000個隨機落石樣本，突破第2層防線侵入道路的樣本數(shù)量極少(工況1約為0.6%)。將三種工況合并統(tǒng)計，該方案整體的理論保證率約為99.35%。

以上僅為理論分析的設防保證率，并未將地質調查、數(shù)值模型及攔石網(wǎng)的施工安裝準確度的不確定性考慮在內，進一步對方案的可靠度進行分析如下：

(1)參照UNI 11211標準的設計方法[7]，設計保證率應不低于95%。根據(jù)數(shù)值模型的統(tǒng)計結果，在工況1中，實際沖擊到攔石網(wǎng)C的樣本數(shù)量為367個，其中累計頻率為95%的速度為V95=8.68 m/s。

(2)根據(jù)前述設計計算公式，可確定落石的設計速度為Vd=9.12 m/s，設計質量為Md=79 537.50 kg，則設計沖擊動能為Ed=3 307.90 kJ。

(3)攔石網(wǎng)B的標稱最大防護能級為5 000 kJ，按照極限承載力狀態(tài)設計，其設計防護能級為Bd=4 167 kJ，大于落石的設計沖擊動能。

綜上計算及分析，采用2道5 000 kJ被動防護網(wǎng)，可有效攔截重達75 t的落石，其設計保證率≥95%。

4 結語

本文借助無人機三維傾斜攝影建模技術以及落石防護數(shù)值模擬分析軟件，對落石災害發(fā)生過程進行反演，獲取合理的設計參數(shù)。經(jīng)過科學的驗算，在考慮安全性和經(jīng)濟性的前提下，采用設置2道防護能級為5 000 kJ，攔截高度為6 m的被動防護網(wǎng)進行攔截防護，可為今后類似項目提供工程實踐經(jīng)驗。