唐浩杰

(中國安能集團第一工程局有限公司，南寧，530000)

0 引言

落石是我國高山峽谷地區(qū)高發(fā)的地質(zhì)災害之一[1-3]。落石災害的孕育與發(fā)展通常歷經(jīng)三個階段：潛在崩塌體形成階段、潛在崩塌體蠕動位移階段、瞬時崩落階段[4]。崩塌體的形成是內(nèi)在條件和外在誘因共同作用的結(jié)果[4-5]。巖體中的數(shù)組節(jié)理面、層理面、斷層面等交錯組合，將完整的巖體切割為多個潛在崩塌體，在重力、降雨、震動、風化營力等作用下[4-6]，結(jié)構(gòu)面進一步發(fā)展、開張，力學性能持續(xù)劣化，導致危巖體下滑，重心外移。當抗剪力小于下滑力或傾覆力矩大于抗剪力矩時[5]，危巖體就會瞬間崩落。落石崩塌過程中，松散的巖土塊體在重力或其他外力驅(qū)動下失穩(wěn)并脫離源區(qū)，通過自由下落、彈跳、滾動和滑動等方式向下運動[7]。落石災害具有分布點多、速度快、頻次高、突然性、爆發(fā)隨機性強等特點[8-9]，對影響范圍以內(nèi)的道路、人員、建筑物等構(gòu)成極大威脅，可能造成巨大生命財產(chǎn)損失[10-13]，因此對落石的防護至關(guān)重要。

落石防護手段按照防護方式的不同可分為主動防護措施與被動防護措施。錨固、注漿等主動防護措施能從根源上治理落石，但是成本較高、施工難度大；攔石柵欄、防護網(wǎng)等被動防護措施較為經(jīng)濟、施工難度小[14-15]。落石的運動特性主要取決于地形及其力學參數(shù)[16]，落石運動特征的準確模擬與計算是落石防護設計的基礎[10，14-15]。唐紅梅等[17]對落石不同階段運動特性進行理論分析，建立了落石運動軌跡方程；柳萬里等[18-19]開展落石運動特性試驗對落石的影響因素進行分析；王翔等[20-21]運用Rocfall進行落石二維數(shù)值模擬研究，計算了落石軌跡、速度、彈跳高度等運動特性，為工程防護提供了科學依據(jù)；孫敬輝等[22]結(jié)合Rocfall模擬結(jié)果中落石的動量、動能，以最危險原則法對落石影響區(qū)域進行危險性分區(qū)；賀鵬等[23-27]采用Rocfall模擬落石運動特性，基于模擬結(jié)果進行合理的防護設計并通過二次模擬驗證防護的有效性。

金川水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的大渡河上游河段，兩岸山勢陡峭，工程地質(zhì)條件較差，廣泛分布巖性較差的千枚巖和泥質(zhì)板巖。在人工爆破開挖、巖體卸荷、強降雨等作用下，區(qū)內(nèi)時常發(fā)生落石、崩塌、碎屑流等災害，對施工人員、設備、車輛形成巨大威脅。因此，本研究采用Rocfall軟件對金川水電站導流洞進口邊坡落石進行二維運動數(shù)值模擬，基于落石運動模擬結(jié)果提出施工期臨時防護方案，并給出永久防護建議。文章研究結(jié)果為金川導流洞進口邊坡施工過程中的落石災害防護提供了理論依據(jù)與有效參考。

1 工程背景

1.1 金川水電站導流洞進口落石

金川水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的大渡河上游河段，其樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸溢洪道及生態(tài)泄水道和泄洪洞等建筑物組成。導流洞與泄洪放空洞均位于右岸，導流洞靠山側(cè)布置在泄洪洞右側(cè)，其斷面型式為12.5m×14.5m。如圖1所示導流洞進口施工期間，與開挖面緊鄰的下游環(huán)境邊坡發(fā)生局部順層崩塌和落石，并于坡腳形成扇形堆積區(qū)，開裂區(qū)主要沿垂向分布于導流洞進口邊坡的下游側(cè)，有明顯的拉裂縫。根據(jù)現(xiàn)場錨索測力計監(jiān)測結(jié)果，開裂區(qū)附近的部分錨桿超過最大設計拉力，另外有部分錨桿已失效。開裂區(qū)下方為施工區(qū)的主要交通干道，人員、車輛流動性大。高空落石對施工人員、往來車輛及機械設備造成較大威脅。

圖注：(a)初期未開裂；(b)拉裂縫發(fā)育；(c)持續(xù)開裂、裂縫擴張。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)條件

金川水電站導流洞進口邊坡屬順向巖質(zhì)邊坡。危巖發(fā)育的陡傾坡段相對高差約為70m，整體坡度為64°。邊坡地層巖性主要為弱風化薄～中厚層狀變質(zhì)細砂巖夾薄層變質(zhì)細砂巖、千枚巖。千枚巖巖性松軟，遇水易軟化、泥化，易風化剝蝕。巖層陡傾坡內(nèi)，揭示有6條順層發(fā)育斷層，其平均寬度為40cm～50cm，最大達1m，層間充填碎裂巖、片狀巖等，擠壓緊密，未膠結(jié)，面平直粗糙。高程2218m以上，邊坡內(nèi)順層裂隙及兩組陡傾橫向裂隙較發(fā)育，產(chǎn)狀如圖2。坡面發(fā)育斜向?qū)永?，其長度達數(shù)米到數(shù)十米，數(shù)量較多，斷續(xù)分布。陡傾坡體中發(fā)育的數(shù)組斷層面與裂隙面相互交錯、形成不利組合，將完整巖體切割成數(shù)個潛在崩塌體。在爆破開挖產(chǎn)生的震動力以及降水、重力、風化營力等因素的作用下，結(jié)構(gòu)面擴張蔓延，潛在崩塌體向下滑移，坡面相應處發(fā)生開裂，危巖體具有較為明顯的崩落趨勢?？傮w來說，金川水電站導流洞進口邊坡地質(zhì)條件不佳，發(fā)生崩塌落石的風險較大。

圖2 導流洞進口邊坡地質(zhì)剖面

2 落石運動模擬

本文采用Roc-science軟件系列中的邊坡二維分析軟件Rocfall對邊坡崩塌落石進行運動軌跡模擬與運動特征值分析。

Rocfall是一款基于概率統(tǒng)計理論的危巖落石滾落路徑模擬軟件[24]。在建立邊坡剖面模型時，通過繪制多段不同角度的折線來表示邊坡坡面的起伏與坡度，并引入法向恢復系數(shù)、切向恢復系數(shù)、摩擦角等地表參數(shù)對坡面屬性進行定義。坡面任意位置可設定為危巖體初始位置，即落石運動起點，可對危巖體的質(zhì)量、總塊體數(shù)、初始速度等特性進行自定義。落石運動過程中，巖石塊體被簡化為一個始終完整的均質(zhì)質(zhì)點，不考慮塊體之間的相互碰撞。通過概率運算，最終輸出整個邊坡落石的動能、速度和彈跳高度包絡線以及落石滾動終點的位置[24]，為落石防護設計提供理論依據(jù)。

2.1 落石運動模擬參數(shù)

參考現(xiàn)場危巖體分布情況，設定相對高程約58m處危巖體為落石運動初始點，危巖體初始質(zhì)量為650kg，落石塊體總數(shù)設定為500個。在無地震、爆破等情況下，認為落石的初始速度為0。邊坡剖面模型分為坡體、公路與河道段，邊坡段物質(zhì)組成為風化基巖，道路段為壓實碎屑石。參考現(xiàn)場落石情況與鐵道部運輸局推薦的法向和切向恢復系數(shù)取值表，對邊坡與公路區(qū)域的法向恢復系數(shù)Rn、切向恢復系數(shù)Rt與摩擦角φ進行擬定。

鐵道部運輸局推薦的法向和切向恢復系數(shù)取值如表2所示，本文計算模型中危巖區(qū)巖土體數(shù)值模擬參數(shù)如表3所示。

表1 法向恢復系數(shù)

表2 切向恢復系數(shù)

表3 數(shù)值模擬參數(shù)取值

2.2 落石運動模擬結(jié)果

通過Rocfall軟件對500個巖塊進行落石運動模擬，得到落石軌跡模擬結(jié)果如圖3所示，并輸出落石彈跳高度、落石平動速度、落石動能包絡線以及落石停止點分布如圖4所示。結(jié)合圖3、圖4可知，落石脫離危巖體源區(qū)后首先緊貼AB坡面向下滾動。AB坡段坡度陡傾，約為75°，滾動過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，落石速度迅速增至12m/s。BC坡段為首次碰撞區(qū)，其坡度約為43°。從陡傾處高速滾落的落石與相對緩傾的BC坡面發(fā)生2～3次撞擊，其彈跳高度迅速增加，其速度與動能也持續(xù)增大。經(jīng)過C點后，邊坡坡度再次變陡至約68°，發(fā)生碰撞的落石順BC坡面斜拋射出，凌空飛躍于CD坡段以上，幾乎不與坡面發(fā)生碰撞，凌空期間，在重力作用下，落石彈跳高度先增后減，其速度與動能持續(xù)增加。落石從高空墜落，在DE段與坡腳區(qū)和公路路面發(fā)生高速碰撞，其速度約為30m/s，動能為290kJ左右，沖擊力巨大。碰撞過程中，落石彈跳高度隨撞擊而增加，其速度與動能在碰撞時出現(xiàn)一定幅度下降，之后增幅變緩。

由圖3、圖4可知，落石主要停落于公路及河道，少數(shù)停止于坡面。落石主要停止位置距坡腳水平距離在10m～30m之間。公路受落石撞擊區(qū)域較大，同時存在一定長度落石覆蓋區(qū)，對人員、機械設備及車輛安全威脅較大，需進行防護。

圖3 危巖邊坡落石軌跡

(a)落石彈跳高度

(b)落石平動速度

(c)落石動能

(d)落石停止位置 圖4 落石運動主要特征參數(shù)

3 防護方案建議

針對金川水電站導流洞進口危巖邊坡落石，基于Rocfall數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場落石實際情況，建議采用設置被動防護網(wǎng)和鋼筋石籠網(wǎng)的方式進行施工期防護。由于在導流洞進口施工擾動下，坡面開裂區(qū)有持續(xù)發(fā)展趨勢，邊坡存在整體失穩(wěn)風險，使落石風險可能進一步擴大，故建議在被動防護措施的基礎上進一步采取整體主動防護措施，如擋墻、錨索等形式進行支護，并對裂隙、孔隙發(fā)育的危巖體進行灌漿處理。

綜合落石數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場落石實際情況及坡面施工條件考慮，在相對高程15m處設置高度3.0m的被動防護網(wǎng)，在距坡腳水平距離4m處設置5m高鋼筋石籠網(wǎng)，并運用Rocfall軟件進行防護效果的數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，所設防護設置將所有落石完全攔截，有效降低了落石對施工人員、施工設備以及來往車輛的威脅。

圖5 危巖邊坡落石防護效果

4 結(jié)論

本文以大渡河金川水電站導流洞進口危巖邊坡為研究對象，采用Rocfall軟件進行落石運動數(shù)值模擬，獲取了落石彈跳高度、落石平動速度、落石總動能以及落石停止位置的運動特征數(shù)據(jù)?；谶\動特征值模擬結(jié)果與危巖區(qū)現(xiàn)場勘察情況，得出如下結(jié)論與建議：

(1)金川水電站導流洞進口邊坡坡面巖體風化破碎，發(fā)育多組斷層、裂隙，形成不利結(jié)構(gòu)面組合，坡內(nèi)見傾倒變形體，存在較大落石風險；

(2)對天然情況下的邊坡進行落石模擬，結(jié)果顯示落石影響范圍較大，落入公路區(qū)域的落石具有較大的速度與動能，可能對人員、機械設備及車輛安全造成嚴重傷害，需對此進行重點防護；

(3)由于坡面開裂區(qū)有持續(xù)發(fā)展趨勢，存在整體失穩(wěn)風險，需采用整體主動防護支護對開裂區(qū)進行加固或?qū)ξr體進行灌漿處理，文章提出的防護方案還可以為主動支護的施工安全提供保障。