某高速公路落石災害運動特征及防護網(wǎng)設(shè)計

黃澤斌，羅安民，盧 波，周 凱

(1.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410600)

0 引言

落石災害是我國山區(qū)三大常見地質(zhì)災害之一[1]。其主要防治技術(shù)方向為清除、主動支擋補強及被動攔截引導防護。其中主動支擋補強技術(shù)包含錨固、支撐、嵌補、排水、表面封閉、封填勾縫、主動柔性防護等。被動攔截引導防護主要有被動柔性攔石網(wǎng)、攔石墻、落石槽、引導溝等。前者在防治范圍小、高度低的落石危巖區(qū)有較高的經(jīng)濟性及適用性。而后者對于高位大范圍危巖落石防護有較高的適用性及經(jīng)濟性[2-3]。

被動攔截引導防護攔截的效果，主要取決于對落石運動路徑及運動特征的掌握程度。若不能準確判斷落石的運動軌跡及運動特征，可能導致攔截措施設(shè)置位置不合理、防護能級不足或者過高，造成攔截失敗或者工程浪費。因此，對落石下落軌跡、彈跳形式以及能量大小的研究是進行被動攔截引導防護設(shè)計的關(guān)鍵[4-6]。

1 工程概況

廣西某高速公路于2020-06-03發(fā)生落石災害(以下簡稱6.3落石事件)，落石由距路面約148 m高差的路外山體掉落并沿坡面滾入高速公路，撞擊到正在行駛的兩輛貨車。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，撞擊車輛最大塊體巖性為灰?guī)r，體積為(3×3×5) m3，重量約126 t。邊坡山體相對高差約260 m，呈上陡下緩形態(tài)，表層植被茂密，山體裂隙發(fā)育，下部為崩塌堆積區(qū)。經(jīng)調(diào)查，山體存在較多大塊危巖體，裂縫多張開達20 cm，且無充填物，最大塊危巖體體積達25 m3，仍有進一步發(fā)生落石災害的風險，亟需進行防護以確保高速公路通行安全。

2 落石防護數(shù)值模擬分析

2.1 落石運動軌跡模擬

采用加拿大Rocscience公司的RocFall軟件對已發(fā)生的落石災害進行反演分析，采用剛體法進行分析，其基本假定有：

(1)考慮落石外形尺寸和質(zhì)量對運動特征的影響。

(2)所有巖塊彼此獨立，僅與坡面和阻擋物發(fā)生碰撞。

(3)模擬過程中的落石質(zhì)量為恒定常量，不發(fā)生碎裂等質(zhì)量損失情況。

(4)模擬過程中不考慮空氣阻力的影響。

(5)斜坡概化成連續(xù)線段，不與剖面線相交，阻擋物和數(shù)據(jù)采集的位置概化為獨立直線段。

Rocfall軟件在模擬過程中遵循如下規(guī)律：

(1)當斜坡面由陡變緩時，落石原來的運動模式不變，但在轉(zhuǎn)折點會因運動方向改變而引起速度減小，在此不考慮轉(zhuǎn)折點的阻力作用。

(2)當斜坡面由緩變陡時，落石原有的運動方式(如滾動或滑動模式運動)將改變?yōu)閺椞\動模式。

(3)當斜坡面法向恢復系數(shù)較大而導致落石不能繼續(xù)彈跳時(如法向計算速度為零或負值)，落石將從彈跳模式轉(zhuǎn)化為滾動或滑動模式。

(4)兩計算點間的坡面具有相同的傾角和摩擦系數(shù)。若有不同，則必須分段計算。

2.2 坡面定義及參數(shù)確定

本文采用無人機傾斜攝影技術(shù)進行三維地形建模，通過模型切取特征剖面進行分析計算。如圖1和圖2所示。

圖2 計算典型斷面圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，將整個落石運動影響坡段分為五段，分別為基巖出露≥65°段、崩積體薄層覆蓋段、混凝土路面段、基巖出露45°～65°段以及基巖出露<45°段。

落石在坡面上運動時，不同性質(zhì)的坡面對落石的運動特征有很大的影響。計算涉及到的參數(shù)一般包含：

(1)碰撞恢復系數(shù)，包含法向、切向兩個值。分別影響落石與坡面發(fā)生碰撞后的動能損失。

(2)坡面摩擦角度，影響石塊在坡面上滑移特征。

(3)粗糙度，用坡面線段傾角的標準差表示。用來模擬坡面凹凸不平的特性，影響落石與坡面碰撞以后的回彈角度。

恢復系數(shù)對落石軌跡模擬的影響非常敏感，0.01的差距也可能導致模擬結(jié)果的差異。初始模擬時應首先根據(jù)坡面特征選取合適的參數(shù)，同時根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及落石歷史事件的記錄對初始模擬結(jié)果進行擬合分析，不斷調(diào)整該系數(shù)的取值，直到模擬的結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查及落石歷史事件的結(jié)果吻合或相近，以獲得可靠度較高的模擬結(jié)果。

2.3 落石事件反演分析

根據(jù)6.3落石事件的現(xiàn)場調(diào)查情況，擬定落石為(3×3×5)m3長方體(小半徑圓角)，巖體密度為2.5 t/m3，模擬1 000次隨機落石，重現(xiàn)結(jié)果如下：

2.3.1 落石軌跡及分布

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，落石在從山體滾落侵入道路范圍以后第一落點為公路靠山體側(cè)邊溝附近，隨即發(fā)生水平滑動并碾壓穿越中央護欄至道路對側(cè)，將對側(cè)公路行駛中的車輛一同撞擊到對側(cè)山體挖方邊坡隨即停止。根據(jù)這一情況的反演，經(jīng)過反復修正調(diào)整坡面相關(guān)參數(shù)，得到1 000次隨即落石的運行軌跡圖(圖3)。從圖3中可知，在邊坡中上部落石運動軌跡遠離坡面，說明該段落石運動主要為彈跳運動。邊坡下部崩積體薄層覆蓋段落石軌跡多與坡面貼近，可以判斷該段落石運動以滾動或者滑動運動為主。結(jié)合落石大型長方體的幾何形態(tài)以及堆積體表面植被與土層覆蓋的特征，本項目該段落石運動為滑動運動。

圖3 落石軌跡參數(shù)示意圖

如圖4所示反映出落石終止位置的分布，1 000次反演試算中，有超過60%的次數(shù)與顯示接近，說明反演分析是有效的。

圖4 落石終止位置分布圖

2.3.2 落石運動特征統(tǒng)計

落石沿坡面滾落時，最大速度達31 m/s(可靠度95%)，位于落石路徑上部第三次彈跳前，之后呈逐步降低的趨勢，如圖5所示。

圖5 落石運動速度沿坡面位置分布圖(可靠度95%)

落石沿坡面滾落，最大動能達55 000 kJ(可靠度95%)，位置與速度最高點一致，變化趨勢隨碰撞次數(shù)增加而減小，如圖6所示。

圖6 落石動能沿坡面分布圖(可靠度95%)

2.3.3 落石至災瞬間的運動特征統(tǒng)計

在道路中心線位置附近設(shè)置數(shù)據(jù)采集器，采集落石致災瞬間的運動特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

落石擊中車輛前，瞬時速度達10.7 m/s(可靠度95%)，如圖7所示。

圖7 落石擊中車輛前的速度統(tǒng)計分析曲線圖(累計頻率95%)

落石擊中車輛前，瞬時動能達6 403.6 kJ(可靠度95%)，如圖8所示。

圖8 落石擊中車輛前的動能統(tǒng)計分析曲線圖(累計頻率95%)

2.3.4 坡面設(shè)計計算參數(shù)值

計算以軟件的推薦值為參考，根據(jù)實地勘察情況進行修正，并反復試算以重現(xiàn)落石事件運動軌跡，微調(diào)模型設(shè)計參數(shù)，確定坡面分段的特征參數(shù)(見表1)。

表1 反演分析最終確定的計算參數(shù)值表

3 落石防護設(shè)計

根據(jù)落石數(shù)值模擬的統(tǒng)計結(jié)果，落石在距離道路邊界以外50 m范圍內(nèi)進入動能衰減區(qū)，且運動軌跡離坡面較近，彈跳較小，是設(shè)置防護結(jié)構(gòu)攔截落石的有利區(qū)域。分別在距離道路邊界20 m、10 m的B、C處設(shè)置數(shù)據(jù)采集器，采集落石運動統(tǒng)計數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 各擬建防護位置落石運動參數(shù)統(tǒng)計表

分析上述數(shù)據(jù)，按照95%保證率，目前市場上單道攔石網(wǎng)的最大設(shè)防等級為5 000 kJ，均無法滿足防護要求。考慮在B、C位置分別設(shè)置一道6 m高的5 000 kJ攔石網(wǎng)，進行連續(xù)攔截。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的情況，考慮對已調(diào)查高度在相對路面約140 m的危巖單塊最大體量25 m3進行設(shè)防，并考慮對已有落石點以上至距路面高差200 m坡面存在的潛在危巖體進行設(shè)防，歸納三種工況進行設(shè)防校核(見表3)。

表3 典型危巖工況表

利用RocFall軟件，分別對每種工況進行1 000次隨機落石模擬，對每種工況的每一道攔石網(wǎng)保證設(shè)計安全的保證率進行分析計算，由此可計算出各工況下各攔石網(wǎng)位置落石的設(shè)計沖擊動能(見表4)。

表4 各工況下各攔石網(wǎng)位置落石的設(shè)計沖擊動能一覽表(考慮連續(xù)攔截)

根據(jù)上述計算結(jié)果，考慮設(shè)計2道攔石網(wǎng)連續(xù)攔截，每種工況中1 000個隨機落石樣本，突破第2層防線侵入道路的樣本數(shù)量極少(工況1約為0.6%)。將三種工況合并統(tǒng)計，該方案整體的理論保證率約為99.35%。

以上僅為理論分析的設(shè)防保證率，并未將地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模型及攔石網(wǎng)的施工安裝準確度的不確定性考慮在內(nèi)，進一步對方案的可靠度進行分析如下：

(1)參照UNI 11211標準的設(shè)計方法[7]，設(shè)計保證率應不低于95%。根據(jù)數(shù)值模型的統(tǒng)計結(jié)果，在工況1中，實際沖擊到攔石網(wǎng)C的樣本數(shù)量為367個，其中累計頻率為95%的速度為V95=8.68 m/s。

(2)根據(jù)前述設(shè)計計算公式，可確定落石的設(shè)計速度為Vd=9.12 m/s，設(shè)計質(zhì)量為Md=79 537.50 kg，則設(shè)計沖擊動能為Ed=3 307.90 kJ。

(3)攔石網(wǎng)B的標稱最大防護能級為5 000 kJ，按照極限承載力狀態(tài)設(shè)計，其設(shè)計防護能級為Bd=4 167 kJ，大于落石的設(shè)計沖擊動能。

綜上計算及分析，采用2道5 000 kJ被動防護網(wǎng)，可有效攔截重達75 t的落石，其設(shè)計保證率≥95%。

4 結(jié)語

本文借助無人機三維傾斜攝影建模技術(shù)以及落石防護數(shù)值模擬分析軟件，對落石災害發(fā)生過程進行反演，獲取合理的設(shè)計參數(shù)。經(jīng)過科學的驗算，在考慮安全性和經(jīng)濟性的前提下，采用設(shè)置2道防護能級為5 000 kJ，攔截高度為6 m的被動防護網(wǎng)進行攔截防護，可為今后類似項目提供工程實踐經(jīng)驗。