程 云 鄭六益 莫 默 王 亮

(中鐵二院貴陽勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 貴陽 550002)

危巖落石是貴州地區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，隨著山區(qū)工程建設(shè)的快速發(fā)展，落石災(zāi)害事件屢見不鮮，其特有的高發(fā)性、突發(fā)性、不可預(yù)見性及災(zāi)害性等特點(diǎn)，嚴(yán)重危害區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對圍巖落石開展了多方面的研究分析。楊智翔等[1]利用可靠度理論建立了偏心滑移式孤石穩(wěn)定性可靠度指標(biāo)計(jì)算方法，計(jì)算得到孤石的可靠度敏感性由高到低為：孤石傾角、單位長度孤石重力、孤石內(nèi)摩擦角、黏聚力；朱雪峰[2]利用地面激光雷達(dá)技術(shù)高效精確地實(shí)現(xiàn)了危巖落石的識別與信息提取；王劍鋒[3]等采用貢獻(xiàn)率法分析災(zāi)害分布規(guī)律；劉偉鵬[4]等利用AHP方法計(jì)算危巖落石發(fā)生的綜合評分指標(biāo)，通過發(fā)生概率等級和致災(zāi)等級劃分危巖落石綜合風(fēng)險等級；沈位剛[5]等運(yùn)用離散單元方法建立落石與地面的數(shù)值模型，研究了不同沖擊加載率作用下落石的沖擊破碎特征，得到破碎程度與沖擊加載率呈線性正相關(guān)，破碎產(chǎn)生塊體的數(shù)量與沖擊加載率呈冪函數(shù)關(guān)系；梅雪峰[6]等利用經(jīng)典接觸理論，研究了以初始入射速度和入射角為變參量下的恢復(fù)系數(shù)和沖擊力之間的變化規(guī)律，得到當(dāng)入射速度相同時，恢復(fù)系數(shù)與入射角呈正相關(guān)；當(dāng)沖擊入射角相同時，恢復(fù)系數(shù)與速度呈負(fù)相關(guān)，而沖擊力與速度呈線性正相關(guān)；崔廉明[7]等綜合采用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究了引導(dǎo)式落石緩沖系統(tǒng)的防護(hù)性能，得到多位置分布配重能有效約束了落石運(yùn)動軌跡衰減了落石能量；王星[8]等采用軟件LS-DYNA研究得到了滾石沖擊過程中的沖擊力及侵徹深度隨沖擊時間的變化規(guī)律，給出了最終塑性沖擊坑的形狀，并和多種算法對比分析驗(yàn)證了其適用性。

本文根據(jù)瓦廠特大橋陡崖危巖體的分布情況，分析了不同落石直徑和不同落石高度的落石運(yùn)動特性，并根據(jù)落石相關(guān)特性對落石影響范圍進(jìn)行分區(qū)，為落石防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 瓦廠特大橋陡崖地質(zhì)概況與基本特征

1.1 地質(zhì)概況

場區(qū)地層上覆第四系破殘積層黏土、沖洪積層塊石土、第四系崩坡積層，下伏基巖為二疊系P1m+q茅口、棲霞組、p1l梁山組、S1-2hn韓家店組、S1s石牛欄組地層。測區(qū)主要發(fā)育有斷層F64、斷層F65及瓦廠斷層F1，切割巖體較嚴(yán)重，陡崖頂部沿?cái)鄬訋Оl(fā)育有卸荷裂隙。橋梁橫跨河流，橋址區(qū)地面標(biāo)高介于846.2～1 053.21 m之間，相對高差207.01 m，橋址區(qū)內(nèi)地形起伏大，桐梓岸陡崖險峻，基巖裸露。

1.2 陡崖基本特征

陡崖發(fā)育方向與線路近于垂直，陡崖呈直立狀，坡度75°～90°，在線路附近局部因危巖落石形成倒懸狀，陡崖沿地形展布，地形為左高右低，在線路左側(cè)陡崖長度大于300 m，高約70～110 m，在線路處陡崖高約110 m。在線路右側(cè)陡崖長度大于310 m，高約50～100 m，遠(yuǎn)離線路方向陡崖高度逐漸降低至尖滅。陡崖腳至頂部均為厚層狀夾薄層的灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，陡崖腳斜坡上為頁巖夾煤層、灰?guī)r地層，形成上硬下軟分布地層結(jié)構(gòu)，同時陡崖上巖層陡傾節(jié)理、裂隙較發(fā)育，切割巖體較嚴(yán)重。在初勘方案線路中心倒懸陡崖上見有新近落石跡象，危巖體對工程影響大，陡崖典型剖面如圖1所示。

圖1 線路左中線處陡崖剖面圖

2 陡崖落石運(yùn)動特性研究分析

2.1 陡崖危巖體劃分

瓦廠特大橋陡崖危巖體發(fā)育，分布面積廣，危巖體方量約 20 196 m3，落石范圍高差大，落差高度40～150 m。對危巖體進(jìn)行劃分，2～5號危巖體、11～14號危巖體原巖以二疊系P1m+q茅口、棲霞組灰?guī)r為主，斜節(jié)理裂隙發(fā)育，危巖體呈倒懸狀，在重力及其它外界因素作用下易產(chǎn)生危巖體失穩(wěn)；15號危巖體原巖為二疊系P1m+q茅口、棲霞組灰?guī)r，表面為裸露的巨厚層灰?guī)r，有少量植被覆蓋，危巖帶頂部有卸荷裂隙發(fā)育，表面巖塊被節(jié)理切割，不連續(xù)，易發(fā)生零星掉塊，危巖帶底部薄層泥質(zhì)灰?guī)r被風(fēng)化剝蝕，懸空，在地震暴雨施工等狀態(tài)下易發(fā)生崩塌；以上危巖體落石對Z11號及Y12號橋墩影響大，根據(jù)不同危巖體的分布情況，選取典型剖面，研究陡崖落石在不同落石高度、不同落石大小下的運(yùn)動路徑、彈跳高度、沖擊能量、平移及旋轉(zhuǎn)速度，對落石風(fēng)險進(jìn)行分析。

2.2 陡崖落石參數(shù)選取

將落石簡化為剛性球體，忽略形狀對落石的影響，不考慮落石運(yùn)動過程破裂解體及空氣阻力，落石密度ρ=2 600 kg/m3。選取落石直徑R=1 m，R=0.8 m，R=0.6 m，R=0.4 m，對應(yīng)質(zhì)量分別為MR=1=1 361 kg、MR=0.8=697 kg、MR=0.6=294 kg、MR=0.4=87 kg。其中，15號危巖體選取直徑為R=0.4 m的小粒徑，其它2～14號危巖體選取R≥0.8 m的大粒徑；落石高程范圍42 m，分別為高程GC=960 m、GC=980 m、GC=1 002 m和GC=1 012 m，詳細(xì)位置如圖2所示。

圖2 落石位置圖

采用RFA軟件，對落石路徑進(jìn)行模擬分析，落石碰撞恢復(fù)系數(shù)Rn和Rt是正確估算落石運(yùn)動軌跡的兩個重要的參數(shù)，與邊坡的坡度、邊坡坡面覆蓋層的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、落石自身的大小等因素有關(guān)，恢復(fù)系數(shù)Rn和Rt反應(yīng)了落石的碰撞行為，決定了落石的運(yùn)動途徑，根據(jù)各種實(shí)踐研究，其取值如表1和表2所示[9-11]。

表1 法向恢復(fù)系數(shù)表

表2 切向恢復(fù)系數(shù)

2.3 取陡崖落石運(yùn)動特性模擬及結(jié)果分析

根據(jù)4種落石直徑對應(yīng)的4處落石高度，共建立16種落石工況，模擬計(jì)算過程中，考慮落石轉(zhuǎn)動速度，落石分布形式為隨機(jī)正態(tài)分布，每種工況落石計(jì)算次數(shù)為100次，選取R=1 m時，4個不同落石高度計(jì)算過程如圖3～圖6所示；落石對橋墩的沖擊高度如表3所示。

圖3 落石運(yùn)動路徑圖(R=1 m，GC=1 012 m)

圖4 落石運(yùn)動路徑圖(R=1 m，GC=1 002 m)

圖5 落石運(yùn)動路徑圖(R=1 m，GC=980 m)

圖6 落石運(yùn)動路徑圖(R=1 m，GC=960 m)

表3 落石對橋墩最大沖擊高度表(m)

由圖3～圖6及表3可知，落石對橋墩的沖擊高度隨落石直徑的增大而增高；落石直徑一定時，落石對橋墩的沖擊高度隨落石落點(diǎn)高度上升而增高，最大沖擊高度達(dá)到34.3 m。

16種模擬工況中，各點(diǎn)落石沖擊能量如圖7所示，落石最大沖擊能量如圖8所示，落石最大旋轉(zhuǎn)能量如圖9所示。

圖7 落石各點(diǎn)沖擊能示意圖

圖8 落石最大沖擊能量圖

圖9 落石最大旋轉(zhuǎn)能量圖

由圖7～圖9可知，落石沖擊能量隨落石下落急劇增加，與地面撞擊瞬間，能量達(dá)到峰頂，經(jīng)過地面能量耗損，剩余能量致使落石產(chǎn)生二次彈跳，依次反復(fù)，直到落石能量為0，落石停止運(yùn)動。落石直徑一定時，落石最大沖擊能量和最大旋轉(zhuǎn)能量跟落石高度呈正相關(guān)，且落石高度越高時，兩者增加幅度越大；落石高度一定時，落石最大沖擊能量隨落石直徑增大而增高，且隨落石高度的增高增加趨勢越明顯，落石最大旋轉(zhuǎn)能量跟落石直徑變化無明顯規(guī)律。

16種模擬工況中，落石最大平移速度和最大旋轉(zhuǎn)速度如表4和表5所示。

表4 落石最大平移速度表(m/s)

表5 落石最大旋轉(zhuǎn)速度表(m/s)

由表4和表5可知，落石最大平移速度隨落石高度降低而減小，同一高度落石的最大平移速度不變，與落石直徑大小無關(guān)。落石高度一定，落石最大旋轉(zhuǎn)速度隨落石直徑減小而增大，直徑一定時，落石最大旋轉(zhuǎn)速度與落石高度無明顯規(guī)律。

綜上，2～14號危巖體由于為倒懸型，一旦落石發(fā)生，攜帶沖擊能量較大，對橋墩安全危害極高，15號為小型崩塌，零星掉塊對橋梁危害較小，但起彈跳距離較遠(yuǎn)，對下方結(jié)構(gòu)和施工人員安全仍存在較大的潛在危害。

3 陡崖落石危險性分區(qū)評估

上述研究了陡崖落石在不同落石高度、不同落石大小下的運(yùn)動路徑、彈跳高度、沖擊能量、平移及旋轉(zhuǎn)速度的變化規(guī)律?？紤]橋墩后陡崖較高，斜節(jié)理裂隙發(fā)育，多數(shù)危巖體呈倒懸狀，在重力及其它外界因素作用下易產(chǎn)生危巖體失穩(wěn)，大塊落石發(fā)生的可能性較高，選取16種工況中尺寸最大、下落高度最高的落石(R=1 m,GC=1 012 m)作為研究對象，落石參數(shù)如表6所示；結(jié)合落石的落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)(如圖10所示)，以落石動量、動能[12]作為陡崖危險性分區(qū)的依據(jù)，詳細(xì)分區(qū)如表7所示。

表6 落石參數(shù)表

圖10 落石落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

表7 落石危險性分區(qū)表

根據(jù)表7對瓦廠特大 橋陡崖落石運(yùn)動危險性分區(qū)如下：0～40 m范圍為Ⅴ區(qū)，無危害，該區(qū)遠(yuǎn)離崖體，各類落石經(jīng)過多次彈跳消能后幾乎不會到達(dá)此區(qū)域，落石對此區(qū)域橋墩無危害；40～50 m范圍為Ⅳ區(qū)，危險性小，部分落石運(yùn)動經(jīng)過多次彈跳消能后到達(dá)此區(qū)域，主要以小粒徑R≤0.4 m落石為主，對橋墩可能產(chǎn)生局部損傷；50～80 m范圍為Ⅲ區(qū)，危險性一般，該區(qū)域落石主要以R≤0.6 m為主，部分較大粒徑落石彈跳到此區(qū)域能量較大，對該區(qū)域橋墩可能產(chǎn)生較大破壞，危及主體結(jié)構(gòu)安全；80～100 m、190～200 m范圍為Ⅱ區(qū)，危險性大，該區(qū)域?yàn)槁涫螐椞鴽_擊區(qū)，靠近崖體內(nèi)Ⅱ區(qū)落石主要以R<0.8 m為主，部分落石能量大，對橋梁二次沖擊破壞較強(qiáng)，侵徹?fù)p傷影響明顯，遠(yuǎn)離崖體外Ⅱ區(qū)落石主要以R≤0.6 m為主，部分落石能量大，對橋梁沖擊破壞較強(qiáng)；100～190 m范圍為Ⅰ區(qū)，危險性極大，該區(qū)域?yàn)楦鞣N落石必經(jīng)之地，落石直接沖擊橋墩或在經(jīng)過崖面及地面彈跳后沖擊橋梁，落石直徑以R≥0.8 m為主，對橋墩沖擊破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響橋梁安全穩(wěn)定。

4 陡崖落石防護(hù)治理

根據(jù)以上研究分析，橋墩主要處于Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，危巖體失穩(wěn)產(chǎn)生落石對橋墩危險極大，應(yīng)主要對橋墩后方Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)進(jìn)行防護(hù)治理，危巖體防治遵循危巖體發(fā)育規(guī)律，采用主動防護(hù)和被動防護(hù)相結(jié)合，對陡崖危巖體采取治理措施如下：陡崖上的危巖體3號、4號、5號、11號、12號(部分)、15號(部分)危巖體倒懸，節(jié)理發(fā)育，切割深度大，潛在危害極高，采用控制爆破措施進(jìn)行清方處理，清除方量為 13 498 m3；2號、13號、14號危巖體節(jié)理較發(fā)育，切割深度較淺，且清除難度較大，清除工作危險性較高，采用預(yù)應(yīng)力錨索(點(diǎn)錨)進(jìn)行加固，錨索長16 m，錨固段長8 m，共設(shè)置64孔；圍巖清除和錨索施工完成后，對落石范圍影響線以內(nèi)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的陡崖掛柔性簾式消能網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，在陡崖下方落石范圍影響線以內(nèi)Ⅰ區(qū)設(shè)置樁板攔石墻，如圖11所示。

圖11 陡崖落石治理圖

5 結(jié)論

根據(jù)瓦廠特大橋陡崖危巖體的基本特征及劃分情況，選取典型剖面，建立16種工況研究不同落石直徑、不同落石高度的落石運(yùn)動特征，得到以下結(jié)論：

(1)采用RFA落石分析軟件，研究分析了落石的彈跳高度、沖擊能量、旋轉(zhuǎn)能量、平移及旋轉(zhuǎn)速度與落石直徑、下落高度之間的關(guān)系。

(2)根據(jù)落石的運(yùn)動特征，選取典型落石(R=1 m,GC=1 012 m)為研究對象，結(jié)合落石的落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，以落石動量、動能作為陡崖危險性分區(qū)的依據(jù)。按最危險法則將瓦廠特大橋陡崖落石分為5個危險區(qū)：Ⅰ區(qū)，危險性極大；Ⅱ區(qū)，危險性大；Ⅲ區(qū)，危險性一般；Ⅳ區(qū)，危險性??；Ⅴ區(qū)，無危害。

(3)根據(jù)橋墩所處的危險區(qū)，對陡崖提出防護(hù)措施，為瓦廠特大橋陡崖危巖體落石治理提供了重要技術(shù)支撐，本文研究結(jié)果可為其他類似工程落石治理提供參考。