某公路邊坡落石形成條件及運動特性研究

李亨，舒偉富，謝力歡，郭代泉，袁明

（四川志德巖土工程有限責任公司，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現象[1-3]，尤其在我國西部山區（云南、貴州、四川、西藏、重慶）隨處可見。落石一旦發生，造成的危害不亞于泥石流和滑坡。小規模的落石災害會對鐵路、公路的安全運營帶來影響[4-6]，大規模的落石災害不僅會嚴重威脅到建筑物[7]，還會造成人員傷亡、較大的經濟損失。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化具有重要意義。

1 邊坡特征

現場調查表明，某公路邊坡上部坡表植被發育，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生落石，同時落石的規模和強度也越大。大高差、大坡度的地形地貌為落石的產生和發展提供了較大的勢能條件。

2.2 地層巖性

該區域基巖多為石炭系下統諾錯組（C1n）變細砂巖與板巖互層、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度以及抗風化能力，能形成高峻的陡坡，并且其構造節理或卸荷裂隙比較發育，為落石的形成提供了良好的外部條件。

2.3 風化卸荷

裸露在地表大氣之中的巖石，在自然營力的作用下不斷風化，使巖層原有的裂隙擴大、深度增加，巖層結構由表及里受到破壞，邊坡巖體的穩定性降低，最后可能導致危巖落石的發生。

在巖質邊坡中，卸荷將引起臨空面附近巖體內部應力重分布，造成局部應力集中。在邊坡卸荷過程中，張應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，板狀破裂進一步發育后會失穩形成落石。

3 邊坡穩定性

邊坡下部出露基巖巖性為板巖，受區域地質構造和淺表生改造，以及公路施工人工開挖邊坡的影響，巖體出露部分節理裂隙發育，現場調查統計得到兩組節理，節理面J1 產狀：104°∠80°；節理面J2產狀：313°∠41°，節理間距10～50cm；片理面L產狀：208°∠72°，層厚15～20cm；坡面產狀：73°∠53°。

根據巖體結構特征，赤平投影分析如圖3 所示。

圖3 邊坡巖體穩定性分析圖

由邊坡穩定性分析可知，圖中坡面投影區穿越單滑面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。從穩定性系數分析得知，雙滑面23 的穩定性系數為0.46，處于失穩滑動狀態，會產生掉塊、落石，這與現場調查結果一致。

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組合（圖4）。

圖4 落石常見運動形式組合

現場調查發現，該邊坡巖體節理裂隙發育（圖5），隨著裂隙的擴大，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 邊坡裂隙發育

圖6 落石運動軌跡

5 落石運動軌跡數值模擬

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的基本參數，模擬出落石在邊坡上的運動軌跡、能量變化、彈跳高度變化，為邊坡的防護治理設計提供依據。

邊坡坡面相關參數[8-9]見表2。通過數值模擬計算，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。通過數值模擬得到100 塊質量為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

從 圖6可以看出，落石啟動后以一定速度到 達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 段的運動形式變為沿坡面加速向下滑動，到達變坡點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，與現場調查的結果完全一致。在落石彈跳運動過程中，當水平距離為354.616m 時，落石彈跳高度達到最大值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、可就地取材的優點，結合數值計算結果，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 結論

（1）該邊坡總體上緩下陡，局部達53°，邊坡上部坡表植被發育，下部裸露基巖為板巖，由于風化卸荷作用，將巖體分割成板狀，甚至薄板狀，板狀破裂進一步發育后會失穩形成落石，故邊坡坡腳落石堆積。

（2）赤平投影分析結果表明，邊坡最不利滑面穩定性系數為0.46，處于失穩滑動狀態，會產生掉塊、落石，與現場調查結果一致。

（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組合。

（4）數值模擬結果表明，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。