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        基于正射影像的危巖體特征獲取、穩(wěn)定性計(jì)算和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬

        2022-08-24 08:25:18康塵云
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年15期
        關(guān)鍵詞:落石危巖節(jié)理

        康塵云

        (陜西鐵道工程勘察有限公司,西安 710043)

        1 引言

        萬(wàn)州區(qū)位于渝東北三峽庫(kù)區(qū)腹地,因其獨(dú)特的砂巖、泥巖互層的地質(zhì)結(jié)構(gòu),以及歷史上長(zhǎng)江支流的下切,形成了大量的深切溝谷,陡崖眾多,危巖極為發(fā)育。危巖的調(diào)查與防治成了萬(wàn)州區(qū)交通建設(shè)難以繞避的難題。擬建恩施至廣元國(guó)家高速公路萬(wàn)州至開江段雞行壩大橋從七星谷危巖帶下方穿越,危巖崩塌時(shí)有發(fā)生,如不治理,必將嚴(yán)重威脅橋梁的安全。

        危巖崩塌具有突發(fā)性、難預(yù)測(cè)性、隨機(jī)發(fā)生等特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)防治的難度極大,研究熱點(diǎn)也集中在危巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和運(yùn)動(dòng)軌跡重現(xiàn)上。廖斌等[1]利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取了危巖體的三維模型,提取巖體結(jié)構(gòu)面特征,采用赤平投影和定量計(jì)算的方法評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性;周月智等[2]利用非連續(xù)變形分析方法(DDA)對(duì)地震荷載下危巖的崩塌進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)了坡角、軟弱結(jié)構(gòu)面貫通時(shí)間、峰值速度、彈跳高度等之間的變化關(guān)系;王翔等[3]在拉林鐵路落石試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)方式主要與坡面傾角相關(guān),受坡面摩擦,滾石速度呈非線性減小,速度響應(yīng)曲線呈余弦型。本文通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、鉆孔取芯、航測(cè)解譯結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬,分析危巖體的危害性和影響范圍,并給出針對(duì)性的處理措施,以確保雞行壩大橋在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的安全。

        2 工程概況和地質(zhì)背景

        雞行壩大橋長(zhǎng)550 m,由南向北穿越危巖帶,危巖帶走向?yàn)镹E15°,長(zhǎng)度約335 m,分布高程范圍為238~335 m,高差約97 m,威脅大橋15#~26#墩臺(tái),危巖帶和大橋在15#橋墩處相交,隨后距離逐漸變遠(yuǎn)。危巖帶可分為3個(gè)區(qū)域,分別為:①落石高發(fā)區(qū),巖腔明顯,有落石堆積,節(jié)理裂隙張開,巖體極為破碎;②潛在發(fā)育區(qū),巖腔規(guī)模較小,節(jié)理裂隙閉合或微張,巖體較破碎;③低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),與橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高差距小,但在施工前會(huì)進(jìn)行清除,因此影響較小。各段平面分布見圖1,危巖及巖腔實(shí)景如圖2所示。

        圖1 危巖平面分布圖

        圖2 落石高發(fā)區(qū)危巖及巖腔

        3 危巖帶宏觀穩(wěn)定性

        危巖帶宏觀穩(wěn)定性的判定從結(jié)構(gòu)面的組合形式出發(fā),判定所在斜坡的整體穩(wěn)定性,采用極射赤平投影法[4]。研究區(qū)巖層產(chǎn)狀為151°∠30°,主要發(fā)育兩組節(jié)理,為垂直邊坡走向和沿邊坡走向的組合,節(jié)理面平直,貫通性較好,泥質(zhì)碎屑充填,節(jié)理L1:259°∠64°,節(jié)理L2:334°∠68°,斜坡傾向238°,坡度約71°。

        對(duì)該斜坡做赤平投影分析(見圖3)可知:巖層與邊坡大角度相交,交角87°,為切向坡,不易發(fā)生層面滑動(dòng);節(jié)理L1與邊坡同向,傾向坡外,傾角小于坡角,為不利結(jié)構(gòu)面,易發(fā)生傾倒破壞;節(jié)理L2與邊坡大角度相交,對(duì)穩(wěn)定性影響較??;各組合交棱線與邊坡斜交,切割巖體,易發(fā)生楔形體掉塊。

        圖3 斜坡赤平投影分析圖

        4 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算

        采用基于剛體極限平衡原理的危巖評(píng)價(jià)方法,經(jīng)分析,危巖下方巖腔明顯,無(wú)明顯軟弱基座,因此,判定其破壞模式為墜落式,采用DB 50/T 143—2018《重慶地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》第13.3.15條d)款推薦的計(jì)算方法。

        危巖體的物理力學(xué)參數(shù)通過(guò)在邊坡后緣的鉆孔取芯,經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)得到:

        砂巖(天然狀態(tài)),重度γ=24.6 k N/m3,黏聚力c=737 kPa,內(nèi)摩擦角φ=32.9°,抗拉強(qiáng)度f(wàn)lk=280 kPa;

        砂巖(飽和狀態(tài)),重度γ′=24.9 kN/m3,黏聚力c′=643 kPa,內(nèi)摩擦角φ′=31.6°,抗拉強(qiáng)度f(wàn)lk′=220 kPa。

        危巖位于陡崖頂部,人員無(wú)法到達(dá),利用無(wú)人機(jī)搭載具有高精度測(cè)繪功能的RTK,獲取了危巖帶的正射影像,通過(guò)Pixmapper 4D軟件制作三維模型[5],獲取危巖和巖腔的幾何參數(shù),供計(jì)算使用,見圖4。

        圖4 研究區(qū)正射影像三維模型

        分別在3個(gè)段落內(nèi)選取典型剖面,計(jì)算天然、暴雨兩種工況下的穩(wěn)定性,見表1。計(jì)算結(jié)果顯示:①區(qū)在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài),急需治理;②區(qū)在暴雨工況下屬于基本穩(wěn)定狀態(tài),建議防護(hù);③區(qū)在暴雨?duì)顟B(tài)下屬于欠穩(wěn)定狀態(tài),但由于該處將被清除,故對(duì)擬建工程影響不大。

        表1 危巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

        5 落石運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬

        對(duì)在暴雨工況下屬于不穩(wěn)定狀態(tài)的危巖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬,可以推測(cè)出落石的運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度和沖擊動(dòng)能,對(duì)防護(hù)措施的選型、設(shè)計(jì)給出合理的建議。運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬采用Rocfall動(dòng)態(tài)模擬軟件,基于硬接觸的剛體拉格朗日力學(xué)模型,考慮地面/巖石之間的摩擦耗散作用,還原度較高。

        模擬需要的坡面法向恢復(fù)系數(shù)Rn、坡面切向恢復(fù)系數(shù)Rt,摩擦系數(shù)φ、地表粗糙度等,根據(jù)規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)取值,如下:

        1)上部基巖裸露區(qū):Rn=0.4(St=0.03),Rt=0.86(St=0.04),φ=25.1(St=0.03),粗糙度取2.42。

        2)下部堆積區(qū):R′n=0.3(St=0.03),R′t=0.84(St=0.02),φ′=31(St=0.02),粗糙度取3.00。St指離散系數(shù)。

        因?yàn)樵撥浖砩献裱S機(jī)過(guò)程,故模擬次數(shù)選擇50次,以此進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì),也符合落石運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性。設(shè)置落石質(zhì)量為2 000 kg,初始水平速度和垂直速度均為0,做自由落體運(yùn)動(dòng),見圖5a。

        圖5 落石高發(fā)區(qū)運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬

        通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn):

        1)落石終止點(diǎn)均位于橋梁右側(cè),距崩塌發(fā)生點(diǎn)約100 m以上,見圖5a,穿過(guò)橋墩范圍,因此,必將對(duì)橋梁形成沖撞,在橋梁處的運(yùn)動(dòng)形式以滾動(dòng)為主,發(fā)生彈跳的可能性較小。

        2)彈跳高度與坡面傾角的變化相關(guān)性較大,大幅度的彈跳往往發(fā)生在坡面轉(zhuǎn)折處,本次模擬中最大彈跳高度約18 m,而在坡面連續(xù)性較好的段落,彈跳高度不超過(guò)2 m。

        3)沖擊動(dòng)能隨著速度增加快速增大,但在接觸坡面之后,因摩擦耗散作用,增速減小,在落入溝谷之后,小幅波動(dòng),橋墩處最大沖擊動(dòng)能達(dá)2 200 kJ;擬建線路右側(cè),即最先接受沖擊部位的沖擊動(dòng)能集中在623~1 145 kJ,見圖5b和圖5c。

        建議以鋼筋混凝土填補(bǔ)巖腔,加強(qiáng)對(duì)上部危巖體的支撐,從本質(zhì)上杜絕危巖體的墜落,同時(shí),危巖的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,為了避免后續(xù)可能發(fā)生的落石,建議在橋梁右側(cè)一定距離設(shè)置柔性防護(hù)網(wǎng),阻擋落石沖擊橋梁,造成險(xiǎn)情。

        6 結(jié)論

        1)據(jù)巖體的完整程度和巖腔的規(guī)模,將七星谷危巖帶分為①落石高發(fā)區(qū)、②潛在發(fā)育區(qū)和③低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

        2)斜坡存在外傾不利結(jié)構(gòu)面(節(jié)理L1:259°∠64°),同時(shí)受到層面、卸荷裂隙等的共同作用,易發(fā)生危巖傾倒和楔形體掉塊;

        3)落石高發(fā)區(qū)在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨等不利工況下屬于不穩(wěn)定狀態(tài),嚴(yán)重威脅橋梁安全;

        4)運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬揭示落石將會(huì)對(duì)橋梁形成沖擊,彈跳高度約為2 m,沖擊動(dòng)能約623~1 145 kJ,建議上部填補(bǔ)巖腔、下部設(shè)立被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)以保證工程安全建設(shè)、運(yùn)營(yíng)。

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