金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡落石災(zāi)害評(píng)估與防護(hù)研究

唐浩杰

(中國(guó)安能集團(tuán)第一工程局有限公司，南寧，530000)

0 引言

落石是我國(guó)高山峽谷地區(qū)高發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害之一[1-3]。落石災(zāi)害的孕育與發(fā)展通常歷經(jīng)三個(gè)階段：潛在崩塌體形成階段、潛在崩塌體蠕動(dòng)位移階段、瞬時(shí)崩落階段[4]。崩塌體的形成是內(nèi)在條件和外在誘因共同作用的結(jié)果[4-5]。巖體中的數(shù)組節(jié)理面、層理面、斷層面等交錯(cuò)組合，將完整的巖體切割為多個(gè)潛在崩塌體，在重力、降雨、震動(dòng)、風(fēng)化營(yíng)力等作用下[4-6]，結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步發(fā)展、開張，力學(xué)性能持續(xù)劣化，導(dǎo)致危巖體下滑，重心外移。當(dāng)抗剪力小于下滑力或傾覆力矩大于抗剪力矩時(shí)[5]，危巖體就會(huì)瞬間崩落。落石崩塌過程中，松散的巖土塊體在重力或其他外力驅(qū)動(dòng)下失穩(wěn)并脫離源區(qū)，通過自由下落、彈跳、滾動(dòng)和滑動(dòng)等方式向下運(yùn)動(dòng)[7]。落石災(zāi)害具有分布點(diǎn)多、速度快、頻次高、突然性、爆發(fā)隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)[8-9]，對(duì)影響范圍以內(nèi)的道路、人員、建筑物等構(gòu)成極大威脅，可能造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失[10-13]，因此對(duì)落石的防護(hù)至關(guān)重要。

落石防護(hù)手段按照防護(hù)方式的不同可分為主動(dòng)防護(hù)措施與被動(dòng)防護(hù)措施。錨固、注漿等主動(dòng)防護(hù)措施能從根源上治理落石，但是成本較高、施工難度大；攔石柵欄、防護(hù)網(wǎng)等被動(dòng)防護(hù)措施較為經(jīng)濟(jì)、施工難度小[14-15]。落石的運(yùn)動(dòng)特性主要取決于地形及其力學(xué)參數(shù)[16]，落石運(yùn)動(dòng)特征的準(zhǔn)確模擬與計(jì)算是落石防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[10，14-15]。唐紅梅等[17]對(duì)落石不同階段運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行理論分析，建立了落石運(yùn)動(dòng)軌跡方程；柳萬里等[18-19]開展落石運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)對(duì)落石的影響因素進(jìn)行分析；王翔等[20-21]運(yùn)用Rocfall進(jìn)行落石二維數(shù)值模擬研究，計(jì)算了落石軌跡、速度、彈跳高度等運(yùn)動(dòng)特性，為工程防護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)；孫敬輝等[22]結(jié)合Rocfall模擬結(jié)果中落石的動(dòng)量、動(dòng)能，以最危險(xiǎn)原則法對(duì)落石影響區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)；賀鵬等[23-27]采用Rocfall模擬落石運(yùn)動(dòng)特性，基于模擬結(jié)果進(jìn)行合理的防護(hù)設(shè)計(jì)并通過二次模擬驗(yàn)證防護(hù)的有效性。

金川水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的大渡河上游河段，兩岸山勢(shì)陡峭，工程地質(zhì)條件較差，廣泛分布巖性較差的千枚巖和泥質(zhì)板巖。在人工爆破開挖、巖體卸荷、強(qiáng)降雨等作用下，區(qū)內(nèi)時(shí)常發(fā)生落石、崩塌、碎屑流等災(zāi)害，對(duì)施工人員、設(shè)備、車輛形成巨大威脅。因此，本研究采用Rocfall軟件對(duì)金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡落石進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬，基于落石運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果提出施工期臨時(shí)防護(hù)方案，并給出永久防護(hù)建議。文章研究結(jié)果為金川導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡施工過程中的落石災(zāi)害防護(hù)提供了理論依據(jù)與有效參考。

1 工程背景

1.1 金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口落石

金川水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的大渡河上游河段，其樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸溢洪道及生態(tài)泄水道和泄洪洞等建筑物組成。導(dǎo)流洞與泄洪放空洞均位于右岸，導(dǎo)流洞靠山側(cè)布置在泄洪洞右側(cè)，其斷面型式為12.5m×14.5m。如圖1所示導(dǎo)流洞進(jìn)口施工期間，與開挖面緊鄰的下游環(huán)境邊坡發(fā)生局部順層崩塌和落石，并于坡腳形成扇形堆積區(qū)，開裂區(qū)主要沿垂向分布于導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡的下游側(cè)，有明顯的拉裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，開裂區(qū)附近的部分錨桿超過最大設(shè)計(jì)拉力，另外有部分錨桿已失效。開裂區(qū)下方為施工區(qū)的主要交通干道，人員、車輛流動(dòng)性大。高空落石對(duì)施工人員、往來車輛及機(jī)械設(shè)備造成較大威脅。

圖注：(a)初期未開裂；(b)拉裂縫發(fā)育；(c)持續(xù)開裂、裂縫擴(kuò)張。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)條件

金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡屬順向巖質(zhì)邊坡。危巖發(fā)育的陡傾坡段相對(duì)高差約為70m，整體坡度為64°。邊坡地層巖性主要為弱風(fēng)化薄～中厚層狀變質(zhì)細(xì)砂巖夾薄層變質(zhì)細(xì)砂巖、千枚巖。千枚巖巖性松軟，遇水易軟化、泥化，易風(fēng)化剝蝕。巖層陡傾坡內(nèi)，揭示有6條順層發(fā)育斷層，其平均寬度為40cm～50cm，最大達(dá)1m，層間充填碎裂巖、片狀巖等，擠壓緊密，未膠結(jié)，面平直粗糙。高程2218m以上，邊坡內(nèi)順層裂隙及兩組陡傾橫向裂隙較發(fā)育，產(chǎn)狀如圖2。坡面發(fā)育斜向?qū)永恚溟L(zhǎng)度達(dá)數(shù)米到數(shù)十米，數(shù)量較多，斷續(xù)分布。陡傾坡體中發(fā)育的數(shù)組斷層面與裂隙面相互交錯(cuò)、形成不利組合，將完整巖體切割成數(shù)個(gè)潛在崩塌體。在爆破開挖產(chǎn)生的震動(dòng)力以及降水、重力、風(fēng)化營(yíng)力等因素的作用下，結(jié)構(gòu)面擴(kuò)張蔓延，潛在崩塌體向下滑移，坡面相應(yīng)處發(fā)生開裂，危巖體具有較為明顯的崩落趨勢(shì)。總體來說，金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)條件不佳，發(fā)生崩塌落石的風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖2 導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)剖面

2 落石運(yùn)動(dòng)模擬

本文采用Roc-science軟件系列中的邊坡二維分析軟件Rocfall對(duì)邊坡崩塌落石進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡模擬與運(yùn)動(dòng)特征值分析。

Rocfall是一款基于概率統(tǒng)計(jì)理論的危巖落石滾落路徑模擬軟件[24]。在建立邊坡剖面模型時(shí)，通過繪制多段不同角度的折線來表示邊坡坡面的起伏與坡度，并引入法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)、摩擦角等地表參數(shù)對(duì)坡面屬性進(jìn)行定義。坡面任意位置可設(shè)定為危巖體初始位置，即落石運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)，可對(duì)危巖體的質(zhì)量、總塊體數(shù)、初始速度等特性進(jìn)行自定義。落石運(yùn)動(dòng)過程中，巖石塊體被簡(jiǎn)化為一個(gè)始終完整的均質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，不考慮塊體之間的相互碰撞。通過概率運(yùn)算，最終輸出整個(gè)邊坡落石的動(dòng)能、速度和彈跳高度包絡(luò)線以及落石滾動(dòng)終點(diǎn)的位置[24]，為落石防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1 落石運(yùn)動(dòng)模擬參數(shù)

參考現(xiàn)場(chǎng)危巖體分布情況，設(shè)定相對(duì)高程約58m處危巖體為落石運(yùn)動(dòng)初始點(diǎn)，危巖體初始質(zhì)量為650kg，落石塊體總數(shù)設(shè)定為500個(gè)。在無地震、爆破等情況下，認(rèn)為落石的初始速度為0。邊坡剖面模型分為坡體、公路與河道段，邊坡段物質(zhì)組成為風(fēng)化基巖，道路段為壓實(shí)碎屑石。參考現(xiàn)場(chǎng)落石情況與鐵道部運(yùn)輸局推薦的法向和切向恢復(fù)系數(shù)取值表，對(duì)邊坡與公路區(qū)域的法向恢復(fù)系數(shù)Rn、切向恢復(fù)系數(shù)Rt與摩擦角φ進(jìn)行擬定。

鐵道部運(yùn)輸局推薦的法向和切向恢復(fù)系數(shù)取值如表2所示，本文計(jì)算模型中危巖區(qū)巖土體數(shù)值模擬參數(shù)如表3所示。

表1 法向恢復(fù)系數(shù)

表2 切向恢復(fù)系數(shù)

表3 數(shù)值模擬參數(shù)取值

2.2 落石運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果

通過Rocfall軟件對(duì)500個(gè)巖塊進(jìn)行落石運(yùn)動(dòng)模擬，得到落石軌跡模擬結(jié)果如圖3所示，并輸出落石彈跳高度、落石平動(dòng)速度、落石動(dòng)能包絡(luò)線以及落石停止點(diǎn)分布如圖4所示。結(jié)合圖3、圖4可知，落石脫離危巖體源區(qū)后首先緊貼AB坡面向下滾動(dòng)。AB坡段坡度陡傾，約為75°，滾動(dòng)過程中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，落石速度迅速增至12m/s。BC坡段為首次碰撞區(qū)，其坡度約為43°。從陡傾處高速滾落的落石與相對(duì)緩傾的BC坡面發(fā)生2～3次撞擊，其彈跳高度迅速增加，其速度與動(dòng)能也持續(xù)增大。經(jīng)過C點(diǎn)后，邊坡坡度再次變陡至約68°，發(fā)生碰撞的落石順BC坡面斜拋射出，凌空飛躍于CD坡段以上，幾乎不與坡面發(fā)生碰撞，凌空期間，在重力作用下，落石彈跳高度先增后減，其速度與動(dòng)能持續(xù)增加。落石從高空墜落，在DE段與坡腳區(qū)和公路路面發(fā)生高速碰撞，其速度約為30m/s，動(dòng)能為290kJ左右，沖擊力巨大。碰撞過程中，落石彈跳高度隨撞擊而增加，其速度與動(dòng)能在碰撞時(shí)出現(xiàn)一定幅度下降，之后增幅變緩。

由圖3、圖4可知，落石主要停落于公路及河道，少數(shù)停止于坡面。落石主要停止位置距坡腳水平距離在10m～30m之間。公路受落石撞擊區(qū)域較大，同時(shí)存在一定長(zhǎng)度落石覆蓋區(qū)，對(duì)人員、機(jī)械設(shè)備及車輛安全威脅較大，需進(jìn)行防護(hù)。

圖3 危巖邊坡落石軌跡

(a)落石彈跳高度

(b)落石平動(dòng)速度

(c)落石動(dòng)能

(d)落石停止位置 圖4 落石運(yùn)動(dòng)主要特征參數(shù)

3 防護(hù)方案建議

針對(duì)金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口危巖邊坡落石，基于Rocfall數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)落石實(shí)際情況，建議采用設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和鋼筋石籠網(wǎng)的方式進(jìn)行施工期防護(hù)。由于在導(dǎo)流洞進(jìn)口施工擾動(dòng)下，坡面開裂區(qū)有持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，邊坡存在整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，使落石風(fēng)險(xiǎn)可能進(jìn)一步擴(kuò)大，故建議在被動(dòng)防護(hù)措施的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取整體主動(dòng)防護(hù)措施，如擋墻、錨索等形式進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)裂隙、孔隙發(fā)育的危巖體進(jìn)行灌漿處理。

綜合落石數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)落石實(shí)際情況及坡面施工條件考慮，在相對(duì)高程15m處設(shè)置高度3.0m的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，在距坡腳水平距離4m處設(shè)置5m高鋼筋石籠網(wǎng)，并運(yùn)用Rocfall軟件進(jìn)行防護(hù)效果的數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，所設(shè)防護(hù)設(shè)置將所有落石完全攔截，有效降低了落石對(duì)施工人員、施工設(shè)備以及來往車輛的威脅。

圖5 危巖邊坡落石防護(hù)效果

4 結(jié)論

本文以大渡河金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口危巖邊坡為研究對(duì)象，采用Rocfall軟件進(jìn)行落石運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬，獲取了落石彈跳高度、落石平動(dòng)速度、落石總動(dòng)能以及落石停止位置的運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)。基于運(yùn)動(dòng)特征值模擬結(jié)果與危巖區(qū)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，得出如下結(jié)論與建議：

(1)金川水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡坡面巖體風(fēng)化破碎，發(fā)育多組斷層、裂隙，形成不利結(jié)構(gòu)面組合，坡內(nèi)見傾倒變形體，存在較大落石風(fēng)險(xiǎn)；

(2)對(duì)天然情況下的邊坡進(jìn)行落石模擬，結(jié)果顯示落石影響范圍較大，落入公路區(qū)域的落石具有較大的速度與動(dòng)能，可能對(duì)人員、機(jī)械設(shè)備及車輛安全造成嚴(yán)重傷害，需對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)；

(3)由于坡面開裂區(qū)有持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，存在整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，需采用整體主動(dòng)防護(hù)支護(hù)對(duì)開裂區(qū)進(jìn)行加固或?qū)ξr體進(jìn)行灌漿處理，文章提出的防護(hù)方案還可以為主動(dòng)支護(hù)的施工安全提供保障。