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)。