高陡巖質邊坡落石病害分析與安全防護研究

李莉萍

（福建省高速公路集團有限公司，福州 350001）

隨著我國道路工程建設向偏遠山區的快速推進，道路邊坡工程數量越來越多，其中高陡巖質邊坡落石病害問題在公路設計、建造及運營養護中日益突出。 落石病害具有隨機、突發、瞬時、沖擊力大及危害范圍廣等特點。

廈蓉高速公路擴建工程中某高陡巖質邊坡存在掉塊落石病害（圖1）。以本邊坡為例，通過現場踏勘、地質分析，并利用計算軟件數值建模，計算分析落石運動特性的彈跳高度、平移速度、總動能及停積位置概率等相關指標，以期實現該邊坡的有效安全防護；同時為類似高邊坡工程的安全施工和防護提供一定參考與借鑒。

1 邊坡概況

本邊坡為新擴建高速公路路塹邊坡，位于既有高速公路左側山體上方 （圖1 所示）， 設計邊坡長300 m，采用陡坡強加固設計，高6 級，最大高度約61.4 m；與既有運營高速公路高差約85 m。

2 坡體地質

邊坡場區屬剝蝕丘陵地貌， 地形波狀起伏，山坡坡度約40°～60°，自然斜坡現狀穩定，植被發育。坡體上覆坡殘積土，下覆燕山早期侵入花崗巖(圖2)。中風化、 微風化花崗巖巖體以中風化花崗巖為主，呈淺灰白色，塊狀、層狀（圖3 所示），節理裂隙發育，發育多組順傾向結構面，結構面張開、滲水。

圖2 新擴建邊坡地圖斷面圖

3 病害與安全風險分析

邊坡原設計最高為6 級（單級10 m），主要防護為：第1～4 級采用綠化防護，第5、6 級采用預應力錨索框架加固防護。 本段邊坡開挖揭露，坡體存在以下落石病害與安全風險：

圖3 巖體順傾節理裂隙

（1）邊坡局部較高陡，按設計坡率刷方，邊坡高度將大幅增加，對坡體擾動大；若邊坡采用近垂直坡率施工，安全防護要求高，坡體掉塊、落石病害特征顯著。

（2）邊坡巖體呈塊狀，結構面發育、順傾、張開，開挖后坡面危巖體較發育，易發生沿結構面塊體滑移掉落病害；且由于山體地形較陡，開挖階段掉塊、落石對下部既有高速公路安全運營隱患較大。

（3）由于巖體堅硬，邊坡開挖刷方，對巖體及節理裂隙擾動大，對開挖坡面上部山體巖體存在擾動牽引變形可能；邊坡局部穩定性較差，且落石對開挖施工安全風險影響高。

4 落石病害分析

4.1 落石分析理論

陡坡落石指巖塊從母巖體分離出來，經過與墊面的彈跳、碰撞、飛躍、滑動等運動過程，順著陡高山坡面快速向下運動，最后在平緩處或者障礙物附近停止運動的過程[1]。 針對落石病害的防控，主要通過對落石運動特征和沖擊特征2 方面的研究來進行量化分析[2]，其中落石的運動形態、運動軌跡、跌落距離、飛行高度、速度和運動能量、沖擊力等，是落石防護結構設計的核心指標。 目前對其理論分析主要基于Hertz 彈性碰撞理論、碰撞恢復系數方法[3-4]及關于沖擊力的計算方案研究[5-6]。

落石分析在量化計算與運動軌跡模擬方面計算過程較復雜， 目前較為常用的有RocFall 計算軟件，該軟件基于概率統計理論模擬計算落石滾落路徑， 并通過將落石簡化為均勻且不會破碎的質點，坡面視為各向同性的彈塑性體， 忽略空氣阻力，利用運動參數法向恢復系數、切向恢復系數、動摩擦系數和孤石重量等指標實現落石上述指標的量化計算[7-9]。

該軟件主要參數包括法向恢復系數、切向恢復系數、動摩擦系數和孤石重量等，量化計算滿足能量守恒原理。 其中恢復系數為兩物體碰撞后分離速度與碰撞前接近速度的比值（包含：法向恢復系數與切向恢復系數），兩者成正比關系。 由于落石與巖面碰撞反彈存在相應能量損失，其恢復系數介于0～1。 恢復系數反映落石碰撞行為及其彈出后的能量賦存情況，因此恢復系數取值尤為敏感，其直接決定落石運動路徑[3-4]，具體取值建議可參考表1。

表1 巖面恢復系數

高位落石于坡面的動摩擦系數的取值與滾石的大小、形狀、速度及邊坡坡度、坡面地質力學性質有關。 根據前人研究[7]，其取值經驗公式如表2 所示。

表2 滾動摩擦系數取值

4.2 落石病害分析

根據坡體地質資料及現場踏勘調查，并考慮危巖體巖塊尺寸等，建立計算模型。

以本邊坡病害最嚴重的K99+920 斷面為例,進行坡面危巖體崩塌落石病害的量化計算分析。 落石模擬高度為設計新擴建邊坡最大高度61.4 m，巖塊平均質量500 kg（圖4 所示），相關參數指標參考表1～2 選取最不利參數指標，取值如表3 所示：

表3 落石病害分析參數

對存在的潛在危巖體落石進行分析， 計算200 次落石運動軌跡分布規律，其計算結果如圖4所示。

圖4 計算模型與計算運動路徑圖

圖4 中上部新擴建瀝青道路橫坐標范圍為62～92 m，下部既有瀝青道路范圍為206～230 m。 計算數據及結論分析如下：

（1）圖5 數據顯示，坡體危巖體落石主要集中于新建與既有高速公路路面，新建高速公路（坐標83～92 m 范圍）落石77 處，占38.5%；下部既有高速公路（坐標215～230 m 范圍）落石109 處，占54.5%；上部自然坡落石1 處，中部坡面落石12 處。 根據落石數量分析，危巖體對擴建道路的工程施工和既有高速公路運營均存在較大安全隱患，應對坡體上部危巖體采取清除、加固或支擋攔截等處治措施。

圖5 落石水平分布

（2）圖6 數據顯示，根據危巖體落石彈跳高度分析，其落石在位于上部擴建高速公路坡腳及路面范圍，落石彈跳高度較大，最高約12.5 m；彈跳至下部自然坡體后，主要以滾落為主，至既有運營高速公路，彈跳高度較小，約1 m。據此分析，對落石攔截防護措施應布設于邊坡上部。

圖6 彈跳高度包絡線

（3）圖7 數據顯示，根據危巖體落石總動能分析， 最強落石沖擊力位于新建高速公路路面范圍，約170 kJ，且對新建高速外側坡面至下部既有高速公路存在較大沖擊破壞作用。 因此，為避免其破壞作用，宜采取危巖體清除、坡面封閉、加固等措施。

圖7 總動能包絡線

（4）由于擴建高速公路的邊坡與路基開挖施工，致使下部自然坡面存在堆積松散塊體、 較大孤石等情況，對既有高速公路安全運營影響較大。 因此，應對新建道路下部自然坡面的松散體、 孤石及其它不穩定危巖體等采取清除和攔截防護等措施。

5 安全防護措施

根據危巖體的數值分析結果，該段邊坡開挖施工危險性高，可實施性差，且新建道路上部山體存在潛在失穩隱患。 結合邊坡實際情況，制定具體施工方案與安全防護措施如下：

（1）下部既有高速公路雙向封道，上部擴建高速公路的高陡坡面采用爆破施工進行坡面刷方（陡坡刷方）， 并清除開挖后坡面及坡頂上方自然坡體的危巖體、孤石等。

（2）上部擴建高速公路路塹邊坡，采用混凝土護面墻結合邊坡巖體的陡坡強加固方案防護（圖8～9）進行坡面封閉和加固防護。 第1 級采用巖栓錨桿結合混凝土護面墻防護；第2、3 級邊坡調整為預應力錨桿地梁防護，局部節理裂隙發育、順傾區域增設巖栓錨桿+C20 砼護面墻+預應力錨桿地梁。

（3）擴建高速公路邊坡坡頂設置被動網攔截防護，預防上部自然山體落石病害。

（4）清除新建道路下部山體爆破遺留松散巖體，并設置被動網防護。

圖8 新擴建邊坡防護設計圖

圖9 邊坡防護效果

6 結語

本段高陡巖質邊坡地形條件差， 巖性強度高，結構面發育且順傾；在邊坡開挖過程中，施工難度大，危險性高，對既有高速公路運營安全隱患大。 通過采用RocFall 軟件對陡坡落石路徑軌跡等進行分析，可對落石的病害程度、規模進行有效地發現、揭示和量化，并根據量化的指標（如：滾落距離、數量、能量和高度等）進行針對性的防護。 通過對本擴建高速的高陡順傾巖質邊坡的病害分析，主要采用了全坡面覆蓋、支頂及危巖體預應力錨固和攔截的綜合防護措施，工程防護效果良好。 本文的方法和針對性處治，對處理工程建設中的此類問題具有較大參考意義。