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(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前 言

危巖崩塌落石現(xiàn)象是一種越來越多見的地質(zhì)災(zāi)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(fēng)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(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)滑坡、崩塌、落石等災(zāi)害。然而隨著國家經(jīng)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?shù)厝嗣駧砹祟~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(xué)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(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給山區(qū)人民生命財產(chǎn)安全帶來了巨大的危害，對基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物的安全產(chǎn)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?shù)貞?yīng)急處理方式隨意，給勘察、設(shè)計準確性帶來了困難，又給后續(xù)災(zāi)害發(fā)生埋下了隱患。國內(nèi)對相應(yīng)的落石災(zāi)害的研究還比較薄弱，沒有十分完善的技術(shù)設(shè)計規(guī)范，相應(yīng)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(fù)雜多變、影響因素多，只能以預(yù)防為主。為了更科學(xué)地防護落石災(zāi)害，提供更有效、更安全、更經(jīng)濟的落石防護設(shè)計方案，提高落石治理的可靠性，完善落石災(zāi)害預(yù)警和處置制度。

本文以濮塘風(fēng)景區(qū)附近某段道路邊坡崩塌災(zāi)害為例，進行邊坡穩(wěn)定性分析，采用Rocfall軟件模擬可能出現(xiàn)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(wǎng)的位置，并以此為依據(jù)進行防護工程設(shè)計以保障百姓的生命財產(chǎn)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(fēng)景區(qū)附近的養(yǎng)母西山北側(cè)發(fā)生了崩塌落石災(zāi)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(xiàn)；第二段為南端，呈凹口式分布，高22 m左右，中部設(shè)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(xiàn)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(fēng)化安山巖，局部全風(fēng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)造條件，且原坡體未設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)約為1.09，小于設(shè)計安全系數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)，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(shù)、切向法向恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)特征；落石主要考慮其幾何形狀、大小、質(zhì)量、初始運動狀態(tài)等參數(shù)特征，通過精準地還原現(xiàn)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(jié)果。

由于影響落石運動變化的因素眾多，且具有復(fù)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(zhì)點考慮，質(zhì)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(fù)數(shù)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(shù)選取

結(jié)合上述假定和崩塌實際情況，結(jié)合邊坡和坡底民房的位置關(guān)系，考慮到落石防治工程設(shè)置位置的科學(xué)性和經(jīng)濟性，對邊坡坡面進行數(shù)值模擬分析。如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)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(jù)現(xiàn)場崩落的落石質(zhì)量和未崩落的危巖預(yù)估，擬定落石質(zhì)量分別為10、50、100、500 kg共4種不同質(zhì)量的落石，每種各模擬隨機下落50次。根據(jù)坡面巖性不同，結(jié)合現(xiàn)場勘查和半經(jīng)驗總結(jié)，對計算坡面各段參數(shù)進行賦值。

3.2 模擬結(jié)果分析

通過Rocfall軟件對4種不同質(zhì)量的落石進行50次的下落運動隨機模擬，從而獲得不同質(zhì)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(jīng)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(zhì)量呈負相關(guān)，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(zhì)量越大的落石彈跳高度反而越低。

圖2 不同質(zhì)量落石彈跳高度曲線圖

2)落石總動能隨質(zhì)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(zhì)量落石總動能曲線圖

3)落石最大平移速度隨質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為內(nèi)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(guān)，與質(zhì)量關(guān)系不大。

圖4 不同質(zhì)量落石平移速度曲線圖

4)圖5為50次落石停駐點數(shù)值的方差，表明隨著落石質(zhì)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(zhì)量落石停駐點方差柱狀圖

結(jié)合現(xiàn)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(zāi)害現(xiàn)場情況大致吻合，可見數(shù)值模擬參數(shù)取值合理，因此對該處災(zāi)害點的被動防治工程如SNS被動柔性防護網(wǎng)、攔石墻等支擋，它們的設(shè)置位置、攔擋高度及防治有效性可以參考數(shù)值模擬的結(jié)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(xué)合理、安全可靠的同時也要兼顧經(jīng)濟性的原則。根據(jù)危巖發(fā)育特征、地形地貌、與保護對象關(guān)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(fēng)景區(qū)西山北側(cè)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?？捎诘啄_部位設(shè)置攔石墻、攔石網(wǎng)、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(shè)置攔截，防止落石沖擊民房和公路安全?？紤]到施工便捷及景觀要求，可采用SNS被動防護網(wǎng)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(wǎng)加短錨桿類防護。SNS柔性網(wǎng)技術(shù)是坡面地質(zhì)災(zāi)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(shù)。

針對崩塌現(xiàn)場的實際情況、結(jié)合穩(wěn)定性分析、Rocfall數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗判斷，決定采取“清危+被動防護網(wǎng)”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(wǎng)結(jié)構(gòu)配置及防護功能”，選擇RX-050型網(wǎng)，包括DO/08/200配置，可攔截撞擊能500 kJ 以內(nèi)的落石，防護網(wǎng)位置設(shè)在民房和坡腳之間，選擇水平距離30 m處安設(shè)高3 m防護網(wǎng)，如圖6。防護網(wǎng)安裝前已根據(jù)現(xiàn)場情況進行模擬沖擊試驗。未發(fā)生防護網(wǎng)被擊穿、越過防護網(wǎng)，以及鋼柱屈曲失穩(wěn)破壞等防護失效，證明本文研究結(jié)果對防治工程設(shè)計提供有效理論依據(jù)[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(wǎng)布置圖

5 結(jié) 論

1)根據(jù)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(zhì)量大小與落石運動特征的關(guān)系，質(zhì)量越大，落石的最大動能越大，彈跳高度越低，落點越集中；質(zhì)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(zhì)量無明顯關(guān)系。

3)落石防治需要因地制宜，針對此地復(fù)雜地況，選擇柔性被動防護網(wǎng)進行落石防護可行性較高，防護效果和經(jīng)濟性都較好。本文的研究內(nèi)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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