基于Rocfall模擬的郊區(qū)崩塌落石防治研究

薛 東，余振錫

(安徽工業(yè)大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前 言

危巖崩塌落石現象是一種越來越多見的地質災害，大多發(fā)生在地形陡峭的山區(qū)地帶。巖體在重力、地表風化、地震、雨水侵蝕等自然因素或工程施工等人為因素作用下出現不穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)滑坡、崩塌、落石等災害。然而隨著國家經濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，郊區(qū)的旅游業(yè)也在蓬勃發(fā)展，對山體景區(qū)開發(fā)利用、削坡建房、削坡修路逐年增加，為當地人民帶來了額外收入和工作[1]。但粗獷的開發(fā)手段、臨時性的防護措施和缺少科學性的理念，使郊區(qū)景點的安全隱患不斷積累，在受到其他因素影響后便會導致地質災害的發(fā)生，給山區(qū)人民生命財產安全帶來了巨大的危害，對基礎設施和建筑物的安全產生了極大威脅。

由于郊區(qū)崩塌落石發(fā)生的規(guī)模小、時間短，位置零散不確定，當地應急處理方式隨意，給勘察、設計準確性帶來了困難，又給后續(xù)災害發(fā)生埋下了隱患。國內對相應的落石災害的研究還比較薄弱，沒有十分完善的技術設計規(guī)范，相應的防護措施缺乏或無效，存在一定的安全隱患。由于落石運動復雜多變、影響因素多，只能以預防為主。為了更科學地防護落石災害，提供更有效、更安全、更經濟的落石防護設計方案，提高落石治理的可靠性，完善落石災害預警和處置制度。

本文以濮塘風景區(qū)附近某段道路邊坡崩塌災害為例，進行邊坡穩(wěn)定性分析，采用Rocfall軟件模擬可能出現的落石軌跡、彈跳高度、能量，確定落石的范圍和落點，合理選擇柔性防護網的位置，并以此為依據進行防護工程設計以保障百姓的生命財產安全。

1 工程背景

2020年汛期，遭遇了多年不遇的連續(xù)多日強降水后，位于安徽省馬鞍山市的濮塘風景區(qū)附近的養(yǎng)母西山北側發(fā)生了崩塌落石災害，該地原為一采石廢坑，山體高度較大，坡面較陡。落石崩塌段共分為兩段，北段高10～12 m，自然坡度70°左右，長71 m，崩塌呈偶發(fā)式出現；第二段為南端，呈凹口式分布，高22 m左右，中部設有一不規(guī)則臺階，高度10 m左右，整體坡腳80°左右，局部坡腳65°左右，埡口長度為38 m左右。崩塌現已基本穩(wěn)定，但可見曾發(fā)生的崩塌落石散落于坡腳附近，直接影響威脅坡底既有簡易民房安全。

崩塌段坡體巖土組成為上覆1～1.5 m殘積土(植物根系層)，下部為灰黃～土黃色強風化安山巖，局部全風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，總體呈較碎～碎裂狀。崩塌體成碎裂狀夾部分塊狀巖體，巖塊大小不等，大的可見2～3 m3左右，小的0.2～0.5 m3，巖塊相對破碎。為了緩解山上危巖孤石滾落繼續(xù)對坡腳民房產生的威脅，需要進行防治。

2 崩塌穩(wěn)定性分析

2.1 定性分析

崩塌危巖體地形較陡，坡面起伏不平，基巖裸露，巖土體結構松散破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，為崩塌的形成提供了有利的構造條件，且原坡體未設置有效防護，在連日暴雨作用下，雨水進入裂隙軟化巖土，降低巖體強度，并產生一定的滲水壓力，且坡體松動塊體臨空面失去支撐，從而產生崩落。綜合分析認為危巖體穩(wěn)定性較差，依然威脅坡底居民房屋的安全。

2.2 定量分析

通過理正巖土工程分析軟件對不同工況下崩塌體進行了邊坡穩(wěn)定性分析(見表1)，計算得到在降雨條件下坡體穩(wěn)定性系數約為1.09，小于設計安全系數1.20的要求，降雨后可能再次發(fā)生崩塌，必須進行加固提高。

表1 不同工況下穩(wěn)定性分析

通過對崩塌危巖整體穩(wěn)定性的計算分析，可以得出。

1)崩塌危巖區(qū)現狀整體基本穩(wěn)定，大部分區(qū)域處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不易再次發(fā)生大規(guī)模的整體滑塌，僅在誘發(fā)因素的影響下出現小范圍的崩落、孤石滾落等情況。

2)暴雨及地震對危巖的整體穩(wěn)定性有較大影響，大部分危巖體在地震和暴雨影響下都會陷入不穩(wěn)定狀態(tài)，可能會發(fā)生山體變形、滑塌、崩塌，特別是在多種因素組合作用下易發(fā)生失穩(wěn)[2]。

3 Rocfall崩塌落石路徑模擬

Rocfall是一款基于概率統(tǒng)計理論的危巖落石滾落路徑模擬軟件[3]。落石滾落模擬的核心是坡面建模和落石參數，坡面建模主要考慮其坡體的坡度、材料和形狀特征、坡面的滑動滾動摩擦因數、切向法向恢復系數等參數特征；落石主要考慮其幾何形狀、大小、質量、初始運動狀態(tài)等參數特征，通過精準地還原現實實際情況，從而可模擬計算得到落石的運動軌跡、運動速度、彈跳高度和沖擊動能等計算結果。

由于影響落石運動變化的因素眾多，且具有復雜性特征，因此在使用Rocfall軟件模擬時需要做出如下的假定。

1)落石均當作一個球體質點考慮，質量集中在重心，不考慮落石形狀的影響。

2)落石滾落彈跳過程中落石保持完整，不考慮落石的破碎、解體，且不考慮復數落石同時滾落之間的相互影響。

3)滾落邊坡坡面近似考慮為多條直線段組成，不考慮坡面細節(jié)處的突出、凹陷，忽略坡面微小物體、動植物對落石的影響。

4)落石運動過程中不計空氣阻力、降水、溫差帶來的影響。

3.1 模型參數選取

結合上述假定和崩塌實際情況，結合邊坡和坡底民房的位置關系，考慮到落石防治工程設置位置的科學性和經濟性，對邊坡坡面進行數值模擬分析。如圖1所示，根據現場實地勘察巖體破碎情況，為獲得該崩塌落石的運動規(guī)律，根據現場崩落的落石質量和未崩落的危巖預估，擬定落石質量分別為10、50、100、500 kg共4種不同質量的落石，每種各模擬隨機下落50次。根據坡面巖性不同，結合現場勘查和半經驗總結，對計算坡面各段參數進行賦值。

3.2 模擬結果分析

通過Rocfall軟件對4種不同質量的落石進行50次的下落運動隨機模擬，從而獲得不同質量崩塌落石的彈跳高度、運動終點、動能、平移速度曲線圖。

通過Rocfall軟件模擬落石滾落過程，從A點附近落石開始運動，經過AB段的滑動、滾動，速度增加，在BC平臺上發(fā)生了第一次彈跳，CD為更陡的斜坡，落石在此段凌空，在重力作用下加速向坡底墜落，大部分落石在DE處發(fā)生二次彈跳，在EF處發(fā)生滑動或滑動最終停止運動(見圖1)。

圖1 落石模擬全過程

1)落石彈跳高度與落石質量呈負相關，圖2中水平位置5～9 m和12～22 m之間實際上為落石凌空高度，不可算作彈跳高度。水平位置9～12 m和23～33 m段為彈跳高度，由圖2可知質量越大的落石彈跳高度反而越低。

圖2 不同質量落石彈跳高度曲線圖

2)落石總動能隨質量的增加而增大，且增大趨勢明顯。在落石從坡頂滾落的過程中，動能持續(xù)增加，在坡腳處得到最大值，每當發(fā)生碰撞彈跳后，動能會迅速減小，最后滾動時持續(xù)減小。如圖3所示。

圖3 不同質量落石總動能曲線圖

3)落石最大平移速度隨質量增加變化不大。由圖4可知，考慮到排除了空氣阻力的影響，落石的勢能轉化為動能，落石在墜落過程中速度呈線性增加并在坡底碰撞前達到最大速度，在坡面發(fā)生碰撞反彈后，一部分動能轉化為內能，速度也隨之降低，最后逐漸停止。因此落石的最大平移速度與落點高程密切相關，與質量關系不大。

圖4 不同質量落石平移速度曲線圖

4)圖5為50次落石停駐點數值的方差，表明隨著落石質量的增加，落石停駐點越密集。落石主要集中在距離坡腳水平距離25～33 m，對坡腳民房的威脅大。

圖5 不同質量落石停駐點方差柱狀圖

結合現場實際勘察情況，Rocfall軟件模擬的落石運動軌跡與已發(fā)生的崩塌落石災害現場情況大致吻合，可見數值模擬參數取值合理，因此對該處災害點的被動防治工程如SNS被動柔性防護網、攔石墻等支擋，它們的設置位置、攔擋高度及防治有效性可以參考數值模擬的結果。

4 防治方案

危巖崩塌防治工程是一個系統(tǒng)的工程，遵循以人為本、科學合理、安全可靠的同時也要兼顧經濟性的原則。根據危巖發(fā)育特征、地形地貌、與保護對象關系等的不同，主要有三類危巖防治措施：主動加固措施、被動防護措施和聯(lián)合防治措施，主要包括清除、攔擋、支撐、錨固、裂隙封閉等一種或多種組合[4]。針對本文的研究對象濮塘風景區(qū)西山北側的崩塌情況逐一分析。

1)危巖清理。徹底清除危巖可以從根本上消除安全隱患，但受到場地條件制約，邊坡上部大范圍清石將會影響坡底安全和公路的運營，部分威石穩(wěn)定性狀況和范圍難以把握，且施工困難，可能會誘發(fā)新的危巖。但對于明顯松動的局部危巖則要堅決予以逐一清理。

2)危巖支撐和錨固。對懸空危巖可采用支撐墻、柱、嵌補等，而對大塊或單個危巖，只要整體性較好可采用錨桿(錨索)錨固等措施，當危巖的整體破壞類型接近于滑坡破壞模式時，還可以采用抗滑樁、墻等支擋措施。這里坡高陡峻，植被茂密危巖狀況不明，施工條件不足，不宜采用支撐和錨固措施。

3)攔截措施。邊坡底部被動攔截是鐵路、公路路塹邊坡防落石常用的措施之一。可于底腳部位設置攔石墻、攔石網、柱進行被動防護。本場地陡峻的高坡地點，坡腳離公路或民房有一定的距離，落石墜落后可向威脅對象運動，在其間可設置攔截，防止落石沖擊民房和公路安全。考慮到施工便捷及景觀要求，可采用SNS被動防護網攔截落石。

4)坡面防護。對于坡面塊狀落石除采用單個逐一錨固的辦法外，還可采用整體防護，如噴射混凝土網加短錨桿類防護。SNS柔性網技術是坡面地質災害常用的防護措施之一。相對于傳統(tǒng)的剛性防護，防護效果更加良好，且可以最大程度上保持原有坡面景觀不變。本場地施工條件較好的崩塌地段可以采用此技術。

針對崩塌現場的實際情況、結合穩(wěn)定性分析、Rocfall數值模擬結果和經驗判斷，決定采取“清危+被動防護網”的方式進行防治。通過Rocfall計算得出坡底落石彈跳最大高度為2.62 m，沖擊能約439 kJ，距落點水平距離約25 m處，參照規(guī)范推薦的“常用被動網結構配置及防護功能”，選擇RX-050型網，包括DO/08/200配置，可攔截撞擊能500 kJ 以內的落石，防護網位置設在民房和坡腳之間，選擇水平距離30 m處安設高3 m防護網，如圖6。防護網安裝前已根據現場情況進行模擬沖擊試驗。未發(fā)生防護網被擊穿、越過防護網，以及鋼柱屈曲失穩(wěn)破壞等防護失效，證明本文研究結果對防治工程設計提供有效理論依據[5]。同時為了保障安全，需要對崩塌體進行多方位、深層次的監(jiān)測，主要分為施工安全監(jiān)測、防治效果檢測和長期監(jiān)測。

圖6 落石防護網布置圖

5 結 論

1)根據定性及定量分析，該崩塌體在地震和暴雨影響下穩(wěn)定性較差，可能會發(fā)生再次失穩(wěn)，對坡腳民房造成威脅。因此需要進行防治。

2)通過Rocfall軟件模擬得出落石的質量大小與落石運動特征的關系，質量越大，落石的最大動能越大，彈跳高度越低，落點越集中；質量越小，落石的最大動能越小，彈跳高度越高，落點越分散。落石的平移速度與質量無明顯關系。

3)落石防治需要因地制宜，針對此地復雜地況，選擇柔性被動防護網進行落石防護可行性較高，防護效果和經濟性都較好。本文的研究內容可以為常見的類型相同的崩塌落石防治工程提供參考。

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