基于rocfall 數值模擬的危巖落石路徑分析

葛莎GE Sha；龔源GONG Yuan

（①湖南城建職業技術學院，湘潭 411101；②廣西保利置業集團有限公司，南寧 530022）

0 引言

危巖落石常存在高陡邊坡，是我國常見地質災害類型之一，巖質高邊坡因其裂隙和結構面的發育，易造成危巖崩塌災害現象。我國沿海地區危巖容易受氣候的影響，危巖崩塌災害的頻發已成為普遍現象。危巖崩塌的突發性和災害性，常造成嚴重后果，帶來人員傷亡和財產損失，而公路隧道巖質高邊坡的分析和防護更成為現階段人們重視的問題，越來越多的學者研究落石災害的發生和防治[1-3]。本文結合深圳市新彩隧道口巖質高邊坡危巖，針對公路巖質高邊坡危巖崩塌滾石路徑進行計算，并采用rocfall 軟件，對落石路徑進行模擬，針對地區工程特點，提出采用嵌入式光纖復合FRP 智能錨桿智能在線實時監測系統進行危巖監測與防護。為南部沿海地區危巖的防治提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

新彩隧道南側洞口邊坡位于深圳市福田區梅林關自然山體南麓，所在位置地理坐標為：X=23493.12；Y ＝115294.63（深圳獨立坐標）。新彩隧道南進洞口受人工采石或修建邊坡等影響，地形坡度陡峭，在55～80°間，平均坡度63°，洞頂平臺寬約18m，坡面揭露中～微風化花崗巖，因巖體不利結構面影響，易發生崩塌落石。項目區僅出露了第四系地層，該區基巖揭露為白堊紀侵入巖。

1.2 巖體特征

新彩隧道南側洞口邊坡隧道圍巖完整性：強風化巖屬極破碎巖、中等（弱）風化巖屬于破碎巖，微風化巖屬于較完整巖。該巖質高邊坡已發生崩塌危巖帶不少于3 處，危巖帶1 位于新彩隧道左側下部，分布高程110.0m～152.0m，最大高差52m。危巖帶2 位于新彩隧道左側上部陡崖，分布高程160.0m～193.0m，最大高差33m。危巖帶3位于新彩隧道中央上部陡崖，分布高程145.0m～193.0m，最大高差48m。三個危巖帶均屬于墜落式危巖，多呈塊狀。危巖帶崩塌體堆積于隧道洞頂平臺，排水溝內有多塊落石，新彩隧道邊坡順坡向結構面較為發育，易沿順坡向結構面發生崩塌。隧道洞頂平臺處5m 高處設置SNS 被動防護網。

2 滾石運動分析

根據現場勘察得到邊坡巖質主要為微風化粗粒花崗巖，其密度為2.58～2.64×103kg/m3，假設風化落石質量100kg，落石體積約為0.038m3，在模擬過程中采用球體模型，轉換可得其等效直徑約為42cm。由于落石的運動路徑與落石形狀、落石質量、落石材料、坡面傾角、坡面材料和坡面植被情況等條件有關。運用構建的落石運動軌跡計算方法，計算落石運動路徑，選取右側洞口邊邊坡為代表，假設其風化落石位于邊坡坡頂。隧道右線仰坡斷面落石運動計算參數及運動路徑計算結果如表1、表2。

表1 隧道右線仰坡斷面落石運動計算參數

表2 隧道右線仰坡斷面落石運動路徑計算結果

其失穩方式為非直落式，風化巖塊從坡面上剝落，并沿著坡面17～9 開始滾滑下墜。在隧道洞頂平臺9～5 上發生第一次碰撞消耗能量，并開始向上斜拋運動進行空中飛行階段。飛躍過隧道洞口后，落在洞口道路節點2～1 上，發生第二次碰撞并產生彈跳，進入第二次向上斜拋運動。落地后落石動能消耗，在此面上發生落石滾動，由于摩擦系數較大，路面平緩，所以不會再有彈跳。

3 數值模擬分析

Rocfall 落石路徑模擬軟件可以對風化落石剝落后對其運動軌跡進行全程模擬，通過圖表對落石的總動能變化趨勢、運動速度變化趨勢等進行直觀的展現。采用Rocfall軟件進行數值模擬前，要盡可能明確其落石點或落石帶，方可將剖面地形線文件導入Rocfall 軟件，對地形線不同段落賦予相應的參數。

3.1 參數確定

由于坡面上的巖塊存在風化裂隙和構造裂隙，經過雨水的沖刷或者巖體的差異性風化作用下會產生變形。當變形發展到一定程度時，巖塊就會失穩剝落。由于失穩前的位移是長期積累的，因此巖塊剝落時的初始速度一般忽略不計。根據現場條件，將邊坡分為三部分，分別進行取值。第一部分為邊坡坡面取值：切向摩擦系Rt 取值0.9，法向摩擦系數Rn 取值0.4，滾動摩擦角Phi 取值26。第二部分為隧道洞頂平臺取值：切向摩擦系Rt 取值0.85，法向摩擦系數Rn 取值0.35，滾動摩擦角Phi 取值30。第三部分為隧道削竹式洞口及行車道：切向摩擦系Rt 取值0.95，法向摩擦系數Rn 取值0.45，滾動摩擦角Phi 取值24。

3.2 數值模擬

根據建立好的邊坡剖面圖模型，設置落石帶（lineseeder）用于模擬整個坡面上的落石情況。擬定落石數量為50，現場在隧道坡頂平臺處有一道5m 高SNS 被動防護網，根據實際情況添加一道5m 高攔阻進行數值模擬分析危巖失穩崩塌時落石軌跡，以確定邊坡安全性。以右側隧道仰坡為典型代表，選取的代表剖面的隧道中線剖面。

落石總計模擬50 塊，其中有3 塊落石落在隧道洞頂平臺后停止運動，有40 塊落石被SNS 被動防護網攔截后也停留在洞頂平臺處，最后有7 塊落石經過反彈飛躍SNS被動防護網落至行車道路上。

SNS 被動防護網處落石反彈高度分布圖如圖1。當落石到達X=93.084 即SNS 被動柔性防護網處時，有7 塊落石反彈高度超過5m 防護網的高度，其中最高達到6.81m。經過此點后，落石飛躍防護網，落入隧道洞口機動車道路上。

圖1 SNS 被動防護網處落石反彈高度分布圖

由圖2 可知，落石運動至105m 附近時，總動能約為7.6×104J。碰撞到隧道洞頂平臺后總動能減少，后經反彈總動能升高。飛躍防護網的落石在52m～68m 附近時與路面發生二次碰撞，動能再次降低。碰撞后的落石由于繼續在路面上滾動或彈跳，所以依舊存在動能。

圖2 落石總動能包絡圖

由圖3 可以得出，當落石達到X=68.262 時，初次接觸到機動車道，此時落石動能約為2.8×104J～3.2×104J。

圖3 X=68.262 落石總動能分布圖

由圖4 可知，在110m～150m 階段，落石巖邊坡表面下落，在落石達到X=110 之前，平移速度逐漸變大，到達此點時，平移速度達到全段最大值。在X=110 處落石與隧道洞頂平臺發生碰撞，碰撞后反彈至空中，此時在60m～110m 階段平移速度變大。到達X=60 處，平移速度達到階段最大值，此時落石與路面二次碰撞，平移速度減小。隨后落石延路面開始做滾動運動，由于摩擦力作用，平移速度逐漸變下，最后直至停止。

圖4 落石平移速度包絡圖

模擬發現，在危巖剝落的坡段上，落石通常先進行貼坡下滑或傾倒下滑，然后碰撞反彈，部分落石SNS 被動防護網攔截后停止運動，另一部分落石飛躍SNS 被動防護網繼續進行飛行運動，飛入路面后再次碰撞、飛行、碰撞，如此反復直至停止根據模擬結果，隧道洞頂平臺處5m 高SNS 被動防護網已不足以攔擋所有落石，可以直觀地得出邊坡風化落石已嚴重影響隧道過往車輛于行人。一旦邊坡發生風化巖塊脫落，經過滾滑運動，彈跳運動部分落石會出現飛躍SNS 被動防護網的情況，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

4 FRP 錨桿智能監測系統的應用

據數值模擬分析，邊坡發生風化巖塊脫落，經過滾滑運動，彈跳運動部分落石會出現飛躍SNS 被動防護網的情況，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

采用嵌入式光纖復合FRP 智能錨桿智能在線實時監測系統，該系統由現場感應測試設備、控制室設備、終端設備組成。根據邊坡坡面風化落石的產生情況提供實時數據，采用鉆孔注漿的方式連接主動防護網，通過監測沿錨桿內部的實時受力情況，反應邊坡各區域危巖的風化情況[4-5]。

單根錨桿依據測力點的埋深及超越閾值的測力點個數來進行預警級別的劃分。當風化落石形成后被主動防護網包裹，用于固定防護網的FRP 錨桿軸向受力增大，由此實現對巖質邊坡風化落石生成情況的監測報警。設置在邊坡下的控制室將寬帶光源將光信號通過傳輸電纜傳輸到錨桿中的光纖Bragg 光柵傳感器中，經過反射回傳光纖光柵調解器中進行光信號解調并被計算機系統收集，收集后的數據上傳至云端進行處理和分析，輸出監測結果和報警信號則由專用軟件完成[6]。監測和報警信息可以通過局域網傳至隧道管理所和交警部門，實現了遠程在線實時監測和管理。

5 總結

①新彩隧道南側洞口邊坡發育有危巖帶1、2、3 三組危巖帶，邊坡順坡向結構面較為發育，隧道地帶一般發育多組構造裂隙，由于受多組結構面切割，巖質邊坡上易形成孤石，其在自重及暴雨等作用下，易發生失穩破壞，現已采用SNS 被動防護網進行防護。

②對右側洞口高邊坡采用滾石路徑分析，危巖失穩方式為非直落式，風化巖塊從坡面上剝落，滾石沿坡面17～9 開始滾滑下墜。采用rocfall 軟件進行滾石路徑模擬，判斷落石通常先進行貼坡下滑或傾倒下滑，然后碰撞反彈，部分落石SNS 被動防護網攔截后停止運動，隧道洞頂平臺處5m 高SNS 被動防護網已不足以攔擋所有落石。

③本項目擬采用嵌入式光纖復合FRP 智能錨桿智能在線實時監測系統，根據邊坡坡面風化落石的產生情況提供實時數據，采用鉆孔注漿的方式連接主動防護網，可通過監測沿錨桿內部的實時受力情況，反應邊坡各區域危巖的風化情況。