【摘 要】某邊坡滾石嚴重威脅工程施工期和運行期的安全,需對不同程度的邊坡滾石風險進行分析,運用Rocfall數(shù)值模擬方法進行滾石風險分析。分析結果表明:邊坡發(fā)生滾石風險較大,對下部帶來較大安全隱患,需對邊坡滾石進行防治處理;根據(jù)分析評價結果,邊坡采取防治措施后,有效控制了邊坡滾石、降低了邊坡滾石危險,確保了工程施工期及永久運行期安全。
【關鍵詞】邊坡滾石風險; 分析; 防治
【中圖分類號】P642.21【文獻標志碼】A
1 概述
1.1 滾石危害闡述
滾石是山坡巖石塊體在自然或人為擾動下出現(xiàn)的一類常見地質危害,是指部分巖塊脫離邊坡原有巖石母體,突然從陡峭山坡上崩落,并順坡猛烈翻滾、跳躍,最后堆落在山腳或阻礙物上。滾石危害的發(fā)生具有很強的突發(fā)性,危害較大,甚至直接危及到工程施工人員、設備及建筑物的安全,影響工程建設的正常進行。因此在邊坡治理工程中必須對可能發(fā)生的滾石危害進行認真分析研究,做出預測和評價,并采取有效的防治措施。
1.2 長河壩水電站的邊坡滾石危害
長河壩水電站位于四川省甘孜州康定縣境內,是大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級電站,以單一發(fā)電為主的大型水庫電站。電站泄洪放空系統(tǒng)進、出口環(huán)境邊坡高陡,均為山脊、懸崖,巖石裸露、破碎,巖體裂隙發(fā)育、風化嚴重,由發(fā)育危巖體、不利裂隙結構面及拉裂體組合,存在危石集中區(qū)、確定性危石集中區(qū)和半確定性危石集中區(qū)。邊坡危石見圖1。
本文結合長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)高陡環(huán)境邊坡,運用Rocfall數(shù)值模擬方法,針對不同區(qū)域滾石形成情況,分別對滾石的下落能量、下落回彈高度、下落平移速度、跳高分布進行分析,根據(jù)分析評價結果,采取危石清撬、加固、阻擋等綜合防治措施,有效控制了邊坡滾石危害的發(fā)生,降低了邊坡滾石危險。
2 邊坡滾石Rocfall數(shù)值模擬分析
長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡滾石問題采用Rocfall數(shù)值模擬軟件進行計算機數(shù)值模擬。Rocfall是用于分析陡峭邊坡滾石風險的軟件,運用動能和滾石軌跡確定保護的范圍和保護措施。邊坡滾石Rocfall軟件模擬分析見圖2。
2.1 Rocfall數(shù)值模擬原理
邊坡上部危石塊體相對邊坡中下部具有很強的勢能,危石在自然應力或人為擾動的作用下脫離母巖,并從靜止開始向下運動,變成滾石,速度以重力加速度增長,勢能轉換為動能,當滾石與坡面接觸發(fā)生反彈,根據(jù)坡面接觸點的法向彈性系數(shù)和切向摩擦系數(shù)的不同,滾石的彈跳高度亦不同。此時,接觸坡面對滾石產(chǎn)生消能作用,致使?jié)L石動能衰減,直至滾石停留、動能為零[1]。整個過程遵循能量轉化守恒定律。
2.2 Rocfall建模及參數(shù)確定
運用Rocfall數(shù)值模擬前,對現(xiàn)場典型坡面進行實測,明確最可能發(fā)生的滾石運動起點和滾石運動帶,采用AutoCAD按照1∶1 000比例繪制出坡面線,二維模型直接導入RocFall軟件,再對坡面線的不同段落情況賦予相應參數(shù)。根據(jù)勘察試驗數(shù)據(jù)結果,在交互式窗口輸入各坡段的物理力學參數(shù),為滾石模擬軌跡的計算做準備。
2.2.1 滾石參數(shù)確定
滾石的彈跳高度和速度可按邊坡巖體及堆積物類型確定,把邊坡簡化為折線型,取巖塊可能滑落的最危險位置計算。巖塊和坡面碰撞后的速度衰減用法向彈性系數(shù)Rn和切向摩擦系數(shù)Rt確定,Rn和Rt的選用值根據(jù)表1、表2確定。
2.2.2 確定滾石初始狀態(tài)
坡面上的危石滾落由于失穩(wěn)前的位移為長期積累,其初始速度一般很小,所以,在運用Rocfall軟件計算時,不考慮隨機因素的影響,取參數(shù)的均值進行計算。危石脫離坡面后,以初始速度為零作自由落體運動。
2.2.3 滾石軌跡模擬計算
根據(jù)實測建立的坡面模型,對局部凸起位置,擬定出多個滾石點,在整個坡面的頂部擬定滾石運動帶,對一個滾石點擬定一定數(shù)量的滾石,初步進行計算分析,確定最危險的滾石集中區(qū)和最大的滾石彈跳高度。模擬設置一道攔截設施,再進行軟件分析,通過多次攔截位置的選取,進行分析計算對比,確定滾石集中區(qū)最佳攔截位置和防護措施[2]。
2.3 邊坡典型坡面滾石分析
根據(jù)典型邊坡示意圖,分別在邊坡局部凸起的位置設置滾石運動帶,其中A、B區(qū)域的落石在AB,BC之間的凹槽堆積,不會向下方繼續(xù)運動,但C區(qū)的滾石將會向下運動到坡底,對C區(qū)以下施工及建筑物等帶來嚴重威脅。典型邊坡示意見圖3。
運用Rocfall數(shù)值模擬對邊坡典型部位滾石的下落回彈高度、下落能量、下落平移速度、跳高分布等主要參數(shù)進行計算分析。邊坡滾石下落回彈高度、下落能量、下落平移速度、跳高分布計算分析見圖4~圖7。
經(jīng)Rocfall軟件計算分析,邊坡C處的滾石在坡面下部運動,速度較大,運動距離較遠,很容易危及坡下施工及建筑物等,因此必須采取措施防治。邊坡滾石攔截示意見圖8。
3 邊坡滾石綜合防治技術
通過對環(huán)境邊坡滾石的計算分析表明,環(huán)境邊坡滾石問題較為突出,危害較大,必須采取有效的防治技術進行消除。通過模擬計算和多種防治措施對比,采取坡面危石清理、設置主被動防護網(wǎng)、防護擋墻、錨噴加固等防治措施可有效避免和減少邊坡滾石的發(fā)生。
3.1 坡面危石清理
對環(huán)境邊坡進行實地踏勘,掌握邊坡危石區(qū)分布,并根據(jù)滾石數(shù)值模擬分析確定滾石崩落可能危害的范圍,采取人工自上而下清撬方式清理坡面上可影響到施工區(qū)、建筑物上部邊坡范圍的危石、松動巖塊及松散堆積體,減少邊坡危石數(shù)量,降低邊坡滾石發(fā)生概率。
3.2 多級主被動防護網(wǎng)
根據(jù)長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡實際工程應用,經(jīng)綜合分析,針對大面積危石群、無法或不能完全清理的危石區(qū)域,采用主動防護網(wǎng)進行覆蓋、包裹坡面危石,多級被動防護網(wǎng)攔截坡面滾石,可有效減少和降低了邊坡滾石的發(fā)生,確保了工程施工期和永久運行期的安全。
主動防護網(wǎng)是以鋼絲繩網(wǎng)為主的柔性網(wǎng),主要包括鋼絲網(wǎng)、支撐繩、錨桿,覆蓋包裹在所需防護危巖坡面上,以限制坡面危巖剝落、崩塌,或將危石圍護控制于一定范圍內運動,原理類似于噴錨和土釘墻等面層護坡體系,由于其柔性可承受較大下滑力,并且可將局部集中下滑力向四周均勻傳遞,因此能保持原坡面形態(tài)和特征,同時還能抑制邊坡遭受進一步的風化剝蝕,對坡面形態(tài)特征無特殊要求。主動防護網(wǎng)結構及工程應用見圖9。
被動防護網(wǎng)由鋼絲繩網(wǎng)、高強度鐵絲格柵網(wǎng)、錨桿、工字鋼柱、上下拉錨繩、消能環(huán)、底座及上下支撐繩等部件構成[3]。被動防護網(wǎng)由鋼柱和鋼繩網(wǎng)聯(lián)結組合構成一個整體,其作用原理是以其柔性和強度分散、消減傳遞至系統(tǒng)上的落石沖擊動能,對所防護的區(qū)域形成坡面防護,從而攔截坡面滾石,起到邊坡防護的作用。被動防護網(wǎng)系統(tǒng)結構及工程應用見圖10。
3.3 防護擋墻
長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)進出口邊坡實際地形存在多條天然沖溝,沖溝范圍存有危石及松散堆積體,清理難度及
工程量大,根據(jù)數(shù)值模擬計算分析,結合實際地形,在沖溝坡面較緩、擴口較大部位設置混凝土或鋼支撐防護擋墻,可有效攔擋上部坡面滾落的危石,控制沖溝內松散堆積體的下滑,確保下部施工的安全。
3.4 單個危石錨噴加固
長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)進出口環(huán)境邊坡巖體裸露,邊坡局部有較大危石,無法進行清撬處理,為防止危石進一步脫離母巖、發(fā)生滾石危害,采取設置錨筋束、錨桿、掛網(wǎng)噴護及框格梁等方式對危石進行綜合加固[4]。
4 結束語
本文結合長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)高陡環(huán)境邊坡工程實例,運用Rocfall數(shù)值模擬計算分析方法,對邊坡滾石風險進行了分析,并采取相應措施對邊坡滾石進行了有效防治,確保了邊坡穩(wěn)定和工程施工安全。
(1)根據(jù)Rocfall數(shù)值模擬計算分析結果,長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡存在一定的滾石風險,且滾石風險較大,對下部施工及建筑物帶來極大的安全隱患。通過數(shù)值模擬分析,可確定滾石的運動參數(shù),并進行多次模擬計算,可確定滾石的運動范圍和最佳攔截防護位置。
(2)針對長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡高滾石風險,根據(jù)數(shù)值模擬計算分析,結合工程實際地形、地質等特點,采取“不同區(qū)域、不同類型、分別處理、綜合處理”的原則,采取危石清撬、主被動防護網(wǎng)、防護擋墻、錨噴加固等綜合防治措施,有效減少了危石數(shù)量,避免和降低了邊坡滾石的發(fā)生,滾石危害得到了有效防治,確保了工程施工安全和邊坡穩(wěn)定。
(3)經(jīng)工程實踐證明,長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡滾石風險分析及防治技術可應用于其他類似工程中。
參考文獻
[1] 郝建群.Rocfall軟件在崩塌地質災害防治工程設計中的應用[J]. 工程建設與設計,2020(12):33-34.
[2] "張帥,羅永健.基于Rocfall模擬的高陡巖質建筑邊坡孤石滾落防治方法探討[J]. 廣東土木與建筑,2019,26(2):54-57,63.
[3] "陳喜昌,陳莉. 擴離滾石災害防治淺論[J]. 巖石力學與工程學報,2002,21(9):1430-1432.
[4] "趙武鹍,楊兵. 邊坡滾石運動分析及防護措施[J]. 現(xiàn)代礦業(yè),2013(3):37-40.
[作者簡介]張曾(1985—),男,本科,高級工程師,從事水利水電、市政、給排水工程技術及管理工作。