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        某公路邊坡落石形成條件及運動特性研究

        2023-02-24 08:02:20李亨舒?zhèn)ジ?/span>謝力歡郭代泉袁明
        重慶建筑 2023年1期
        關(guān)鍵詞:落石卸荷坡腳

        李亨,舒?zhèn)ジ?,謝力歡,郭代泉,袁明

        (四川志德巖土工程有限責(zé)任公司,四川成都 610094)

        0 引言

        落石是指陡峻斜坡上的個別巖石塊體在重力和其他外力作用下,突然向下滾落的一種很常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1-3],尤其在我國西部山區(qū)(云南、貴州、四川、西藏、重慶)隨處可見。落石一旦發(fā)生,造成的危害不亞于泥石流和滑坡。小規(guī)模的落石災(zāi)害會對鐵路、公路的安全運營帶來影響[4-6],大規(guī)模的落石災(zāi)害不僅會嚴(yán)重威脅到建筑物[7],還會造成人員傷亡、較大的經(jīng)濟(jì)損失。研究落石的形成條件、運動形式、運動軌跡,對落石防治方案的選擇以及優(yōu)化具有重要意義。

        1 邊坡特征

        現(xiàn)場調(diào)查表明,某公路邊坡上部坡表植被發(fā)育,下部基巖裸露,坡腳落石堆積。該邊坡總體上緩下陡,總體高度360.51m,水平長度479.21m,總體平均坡度約37°。邊坡從上至下劃分為AB、BC……HI 命名的坡段共8 段,邊坡剖面線如圖1 所示,邊坡坡面模型見圖2,邊坡坡段破表特征見表1。

        圖1 邊坡現(xiàn)狀

        圖2 邊坡坡面模型

        表1 邊坡坡面特征

        2 落石形成條件

        2.1 地形地貌

        一般邊坡高度越高、邊坡坡度角越大越容易發(fā)生落石,同時落石的規(guī)模和強(qiáng)度也越大。大高差、大坡度的地形地貌為落石的產(chǎn)生和發(fā)展提供了較大的勢能條件。

        2.2 地層巖性

        該區(qū)域基巖多為石炭系下統(tǒng)諾錯組(C1n)變細(xì)砂巖與板巖互層、前寒武系念青唐古拉群(Pt1-2Gn)片麻巖。這些巖石具有較大的抗剪強(qiáng)度以及抗風(fēng)化能力,能形成高峻的陡坡,并且其構(gòu)造節(jié)理或卸荷裂隙比較發(fā)育,為落石的形成提供了良好的外部條件。

        2.3 風(fēng)化卸荷

        裸露在地表大氣之中的巖石,在自然營力的作用下不斷風(fēng)化,使巖層原有的裂隙擴(kuò)大、深度增加,巖層結(jié)構(gòu)由表及里受到破壞,邊坡巖體的穩(wěn)定性降低,最后可能導(dǎo)致危巖落石的發(fā)生。

        在巖質(zhì)邊坡中,卸荷將引起臨空面附近巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布,造成局部應(yīng)力集中。在邊坡卸荷過程中,張應(yīng)力集中帶形成一系列平行于邊坡的張裂隙,這些張裂隙將巖體分割成板狀,甚至薄板狀,板狀破裂進(jìn)一步發(fā)育后會失穩(wěn)形成落石。

        3 邊坡穩(wěn)定性

        邊坡下部出露基巖巖性為板巖,受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和淺表生改造,以及公路施工人工開挖邊坡的影響,巖體出露部分節(jié)理裂隙發(fā)育,現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計得到兩組節(jié)理,節(jié)理面J1 產(chǎn)狀:104°∠80°;節(jié)理面J2產(chǎn)狀:313°∠41°,節(jié)理間距10~50cm;片理面L產(chǎn)狀:208°∠72°,層厚15~20cm;坡面產(chǎn)狀:73°∠53°。

        根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征,赤平投影分析如圖3 所示。

        圖3 邊坡巖體穩(wěn)定性分析圖

        由邊坡穩(wěn)定性分析可知,圖中坡面投影區(qū)穿越單滑面1、2、3,雙滑面12、13,墜落體G,故不在邊坡面上形成滑塌體,而只有雙滑面23 的滑塌形式是在邊坡臨空面出露滑塌體。從穩(wěn)定性系數(shù)分析得知,雙滑面23 的穩(wěn)定性系數(shù)為0.46,處于失穩(wěn)滑動狀態(tài),會產(chǎn)生掉塊、落石,這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。

        4 落石運動形式

        按照落石的初始運動形式,將落石分為傾倒下落、滑移下落、直落三種形式;按照落石在邊坡上的運動形式,將落石分為飛落、碰撞、滾動、滑動四種形式。落石在邊坡上的運動形式一般不是單一的,而是以上運動形式的隨機(jī)組合(圖4)。

        圖4 落石常見運動形式組合

        現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),該邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育(圖5),隨著裂隙的擴(kuò)大,裂隙密度增大,裂隙深度增加。巖體在被裂隙切割后在一定條件下沿臨空面掉落形成落石,落石的啟動方式以傾倒與滑移為主。

        圖5 邊坡裂隙發(fā)育

        圖6 落石運動軌跡

        5 落石運動軌跡數(shù)值模擬

        采用Rockfall 軟件模擬該邊坡落石的運動,Rockfall 程序通過建立邊坡模型,輸入一些和邊坡與落石有關(guān)的基本參數(shù),模擬出落石在邊坡上的運動軌跡、能量變化、彈跳高度變化,為邊坡的防護(hù)治理設(shè)計提供依據(jù)。

        邊坡坡面相關(guān)參數(shù)[8-9]見表2。通過數(shù)值模擬計算,可以獲得落石在邊坡下落過程中的速度、彈跳高度、沖擊能量及其分布情況。通過數(shù)值模擬得到100 塊質(zhì)量為20kg 的落石運動軌跡,如圖6 所示,落石運動最終停止位置如圖7 所示,落石運動過程中的彈跳高度如圖8 所示,落石運動過程中的總動能變化如圖9 所示。

        圖7 落石運動停止點分布

        圖8 落石彈跳高度變化

        圖9 落石動能變化

        表2 落石運動模擬坡面參數(shù)

        從 圖6可以看出,落石啟動后以一定速度到 達(dá)B 點,B 點為落石運動的起點;在B—C 段落石的下滑分力較大,落石的運動形式為減速滑動,到達(dá)變坡點C點后落石水平分力較大,飛離邊坡;在C—D 段落石以飛落的形式在邊坡上做斜拋運動,在D 點與邊坡發(fā)生碰撞;在D 點碰撞后,落石下滑力較大,在D—E 段的運動形式變?yōu)檠仄旅婕铀傧蛳禄瑒?,到達(dá)變坡點E;落石滑動到變坡點E 處時水平分速度較大,直接以飛落運動形式在F點與邊坡再次發(fā)生碰撞;在F 點碰撞后,下滑力較小,落石的運動形式為減速滾動,直至停止運動到G 點。

        落石停止運動的最遠(yuǎn)水平距離為462.438m,其中60%的落石停止運動的水平距離為433.686m,落石停止運動的距離在坡腳與公路之間,與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果完全一致。在落石彈跳運動過程中,當(dāng)水平距離為354.616m 時,落石彈跳高度達(dá)到最大值9.70m。在整個運動過程中,落石所具有的最大動能為27064.78J,此時水平距離為383.369m。

        剛性防治技術(shù)包括落石槽、圬工攔石墻、攔石堤、攔石柵欄、避讓帶等。剛性攔石墻具備施工簡單、可就地取材的優(yōu)點,結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果,建議在該邊坡坡腳采用剛性擋墻的防治措施(圖10)。

        圖10 剛性擋墻防治示意圖

        6 結(jié)論

        (1)該邊坡總體上緩下陡,局部達(dá)53°,邊坡上部坡表植被發(fā)育,下部裸露基巖為板巖,由于風(fēng)化卸荷作用,將巖體分割成板狀,甚至薄板狀,板狀破裂進(jìn)一步發(fā)育后會失穩(wěn)形成落石,故邊坡坡腳落石堆積。

        (2)赤平投影分析結(jié)果表明,邊坡最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)為0.46,處于失穩(wěn)滑動狀態(tài),會產(chǎn)生掉塊、落石,與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。

        (3)按照落石的初始運動形式,可將落石分為傾倒下落、滑移下落、直落三種形式;按照落石在邊坡上的運動形式,可將落石分為飛落運動、碰撞運動、滾動、滑動四種形式。落石在邊坡上的運動形式一般不是單一的,而是以上運動形式的隨機(jī)組合。

        (4)數(shù)值模擬結(jié)果表明,落石停止運動的距離在坡腳與公路之間。 落石停止運動的最遠(yuǎn)水平距離為462.438m,運動過程中的最大彈跳高度為9.70m,具有的最大動能為27064.78J,建議在坡腳采用剛性擋墻的防治措施。

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