水電工程高陡邊坡小型危巖體動力分析及治理

楊 洪

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

水電工程高陡邊坡小型危巖體動力分析及治理

楊 洪

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文對高陡邊坡小型危巖體破壞模式、運動形態進行探討，利用ROCKFALL軟件對恢復系數進行反演，并對藏木水電站高邊坡小型危巖體的運動距離、彈射高度及動能進行分析，得出SNS被動防護網最佳設置位置及防護網安全系數。通過本工程實踐，得出根據小型危巖體規模、發育程度，采用定量化設計是可行的。

小型危巖體;破壞模式;彈射高度;SNS被動防護網

0 引 言

水電工程大多處于高山峽谷地區，谷坡陡峻，受地質構造及風化、卸荷影響，小型危巖體普遍發育，其抗外力干擾能力弱，失穩頻率高，是較為常見的山地災害之一。由于其體積小，分布具隨機性，地表調查難度大。其破壞具突發性，且運動軌跡復雜，對其被動防護設置造成困難，因此，在被動防護中結合小型危巖體運動特征進行合理布置，是對其安全、經濟防治的關鍵。

1 小型危巖體破壞模式及穩定性判斷

小型危巖體是指單塊體積在數方以內，完全或大部分脫離母巖，具備可動空間，在自重或外力影響下可能失穩的巖體。小型危巖體破壞模式與較大型危巖體無本質區別，只是因其體積小在相同的裂隙組合下，更容易具備失穩條件。目前對危巖體的破壞模式研究較多，對于硬質巖邊坡危巖體主要有滑移、崩塌和傾倒破壞三種破壞類型(見圖1)。

圖1 小型危巖體典型破壞模式

小型危巖體的穩定性決定了對其分析及治理的必要性，其破壞模式對危巖體的初始速度定義較為重要。崩塌型破壞較為簡單，當具備切割塊體的裂隙組合，且裂隙貫通性較好，具備豎直向下的可動空間時，可判定塊體具備崩塌破壞條件，一般情況下其初始速度可忽略；對于滑移型或傾倒型塊體，則需考慮其結構面強度及塊體懸空條件進行判定。

(1)滑移型。根據滑移面形態，可分為平面滑移和楔形體破壞兩種，破壞判別原則一般可簡單歸納為：

φ≤β≤βp

式中β——為結構面(楔形體破壞為兩組結構面交線)視傾角;

βp——為邊坡視傾角(見公式1);

φ——為結構面等效摩擦角(見公式2)。

結構面視傾角：

tanβ=cos(αj-αp)tanβj

(1)

等效內摩擦角：

(2)

(2)傾倒破壞。根據國內外相關文獻資料及已有的工程經驗，傾倒破壞需滿足以下條件(中國水利水電科學研究院，1995)：

A.邊坡面的傾角大于或等于30°；

B.邊坡面傾向與結構面傾向相反，且兩者的夾角應大于等于120°；

C.傾倒區的范圍一般為120°(坡面傾角)～90°的傾角范圍。

滑移型和傾倒型破壞模式可以采用赤平投影極點法進行判斷，根據滑塊失穩原理，在赤平投影上繪制出可能發生滑移與傾倒變形區域，將塊體結構面及兩兩組合交線以極點表示，根據極點與破壞區的位置關系來判斷塊體的穩定性(見圖2)。

圖2 赤平投影極點分析

2 運動形態

高陡邊坡小型危巖體脫離母巖后，受塊體形狀及下部邊坡坡面條件等影響，其運動形態較為復雜，可概括為：墜落、滾動、滑移和彈射四種。

(1)墜落。脫離母巖后當地形坡度極陡，且初始速度較小時，小型危巖體的運動主要體現為重力作用下的豎直向加速墜落，重力勢能向動能轉換，空氣產生的摩擦阻力對能量消耗較少，因此墜落段越長，危巖體的動能越高，對被動防護越不利；

(2)滾動。對于長、寬、高尺寸接近的塊體，尤其是球形塊體，在順直坡面上以滾動為主，塊體與坡面接觸面較小，摩擦致熱少，運動距離較遠；

(3)滑動。塊體長寬高比例差異越大的片狀塊體，當下部地形坡面較平順，容易沿坡面發生滑動，滑動過程中，塊體與坡面接觸面較大，運動距離較小；

(4)彈射。當坡表堅硬，塊體初始速度大且其方向與坡面夾角較大時，易發生彈射，彈射過程中能量損耗與塊體和坡面碰撞時能量消耗有關。

以上四種運動形態以滑移形態對危巖體動能損耗較大，單一的墜落、滾動、滑移運動形態下，危巖體的運動方向預判較為簡單，而彈射運動與危巖體初始入射角、初始速度及被撞擊坡面相關，其運動軌跡難以進行經驗判斷，需進行模擬分析。

3 ROCKFALL建模

ROCKFALL是一款廣泛運用于落石風險災害評估及動力學分析軟件，可計算落石在運動全程的任意點速度、能量、彈跳高度以及滾石最終跌落位置。

3.1 ROCKFALL 建模流程

小型危巖體運動形態模擬建模流程(見圖3)，包含以下幾個方面：

(1)建立地形面，地形面由多段線構成，應滿足表征地形坡度及不同坡面材料屬性的要求；

(2)定義坡面摩擦角、切向恢復系數、法向恢復系數等坡面材料參數；

(3)定義落石質量、初始切線速度、角速度等表征落石初始狀態的參數；

(4)定義落石崩解塊數及迭代步數；

(5)模擬計算；

(6)根據落石拋落形態及跌落位置與歷史崩塌事件對比，回歸分析坡面參數；

(7)利用新參數對落石路徑及防護體系進行計算；

(8)對落石彈跳高度、動能等進行分析。

圖3 ROCKFALL建模流程

3.2 ROCKFALL主要控制參數研究

ROCKFALL運動軌跡模擬時主要通過塊體初始狀態參數(質量、位置、初始速度矢量)和邊坡幾何形態及接觸面參數計算塊體的運動軌跡、動能。

塊體初始狀態定義是ROCKFALL模擬中較為重要環節，初始位置、塊體質量定義較為簡單，初始速度矢量與塊體破壞模式、自重應力及附加應力相關，滑移模式下塊體的初始速度方向與滑移向相同，自重作用的崩塌破壞模式，塊體的初始速度可設定為零；傾倒變形破壞模式下塊體初始速度需包含角速度，初始角速度對最終的運動跡長影響不大，但是對彈射高度影響較明顯(見圖4)。

圖4 初始角速度對塊體運動軌跡的影響

坡面粗糙度是表征地形坡面起伏程度的參數(見圖5)，ROCKFALL用粗糙度表示平均坡度的標準差，定義值為0、2、3、5度。經大量樣本統計，粗糙度一般不超過5，取2時滿足95.44%樣本，取3時滿足99.74%樣本。實際模擬時，塊體體積越大，體型越扁平，粗糙度影響較小，可以取較低值。

圖5 坡面粗糙度示意

摩擦角是落石運動模擬重要參數，塊體在運動過程中其能量損耗是通過摩擦力做功來實現的，相同的落石、運動路徑，摩擦系數越高，則落石運移的距離越短。

坡面條件及落石運動形態決定摩擦角取值，坡面巖土體硬度、地形起伏度、粗糙度越大，摩擦角取值越高；滾動時摩擦角較低，可近視取零，以代表最不利的落石路徑，滑動時摩擦角取值較大，落石運動距離最短(見圖6)。ROCKFALL提供了用切向恢復系數計算摩擦系數，見式3。

(3)

圖6 塊體滾動和滑動

碰撞恢復系數指落石與坡面撞擊后與撞擊前的速度比，大多數情況，其值介于0～1之間，塊體發生剛性碰撞時恢復系數為1，發生全塑性碰撞，恢復系數為0。ROCKFALL將恢復系數分為法向恢復系數Rn和切向恢復系數Rt，法向恢復系數對塊體彈射高度影響較為明顯，切向恢復系數對塊體運動跡長影響較大；根據現有的文獻資料，落石模擬中常見的取值范圍Rn為0～0.4，Rt為0.56～0.85，鑒于恢復系數的影響因素較多，取值難度較大，根據已發生的落石路徑進行回歸分析，是較常用的處理方法。

4 工程實例

4.1 基本地質條件

藏木水電站導流明渠進口段自然邊坡，整體走向S35°W，坡高大于500 m，巖性為燕山晚期二長花崗巖，以弱風化、強卸荷為主，受斷層及裂隙切割影響，呈次塊狀～鑲嵌狀結構(見圖7)。小型危巖體分布隨地形坡度變化較大，總體可分為三段：高程3 600 m以上地形完整較好，自然坡度為40°，以崩坡積塊碎石土為主，坡表孤石零星發育；高程3 400～3 600 m段為基巖陡崖段，受斷層交匯切割影響，歷史崩塌現象活躍，坡面平整度較差，平均地形坡度65°，危巖體普遍發育；高程3 400 m以下地形較完整，坡度約35°～45°，大多基巖裸露，崩坡積覆蓋層主要分布于岸邊及局部較緩地段，危巖體零星發育。

圖7 導流明渠進口段邊坡

4.2 小型危巖體運動特征分析

4.2.1 ROCKFALL建模及坡面材料參數取值

根據地表調查，歷史小型危巖體崩塌形成的落石主要集中于距坡頂水平距離449～490 m，高程3 256～3 268 m段，塊石粒徑以0.2～0.3 m為主。根據坡面地形判斷，高程3 600 m以上坡面平順，落石以滾動或滑動為主，高程3 400～3 600 m段地形陡峭，大部分危巖體分布于該段，以墜落為主。因此高程3 400 m以上坡面材料恢復系數取值對危巖體運動形態影響不大，因此采用經驗值；高程3 400 m以下坡段微地貌呈緩、陡、緩變化，大部分落石到達該區域時速度較大且與坡面接觸時入射角較大，發生彈射的機率較高，恢復系數對落石的運動距離及彈射影響較為顯著，因此需對該段坡面材料參數采取回歸分析。

反分析依據為：高程3 400～3 600 m坡段落石應大部分停止于岸邊崩坡積堆積區，對于部分高位落石，允許其運動距離略遠于堆積區。本次采用高程3 400 m以上坡段隨機分布的7塊危巖體運動形態進行模擬，對高程3 400 m以下坡段恢復系數進行回歸分析，模擬結果顯示：采用表1參數時，4號、5號、6號、7號危巖體將停止于岸邊崩坡積覆蓋層區域，高位的1號、2號、3號危巖體將停止于現代河床，該模擬結果和現場地表調查較為一致，見圖8。

4.2.2 運動特征分析

圖8 隨機危巖體運動軌跡

選取導流明渠開挖邊坡典型剖面進行數值模擬，邊坡巖土體材料從上至下主要分為三段：崩坡積塊碎石土、弱風化強卸荷二長花崗巖、弱風化弱卸荷二長花崗巖。邊坡基本參數見表1，坡面粗糙度取0～2，結合危巖體分布規律，在坡面上隨機分布16塊落石模擬小型危巖體運動形態(見圖9)，考慮落石質量與運動特征關系不大，為簡化分析，落石質量均設置為10 kg，初始速度和初始角速度設置為0，在碰撞過程中落石不發生崩解，其運動軌跡見圖10、彈射高度見圖11、動能見圖12。

表1 本工程坡面參數特征值

圖9 坡面材料分段及小型危巖體位置

圖10 落石運動形態

圖11 落石彈射高度分布

圖12 落石動能分布

由模擬結果看出，高程3 400～3 600 m陡崖段落石彈射高度變化較大，最大高度達33 m，整體動能呈快速增長趨勢；陡崖段以下緩坡段動能呈下降趨勢，距坡頂水平距離344～357 m，高程3 365～3 376 m段落石垂直坡面彈射高度較低，為2.6～3.9 m，在水平距離351 m處動能最低，因此在351 m處設置被動防護可同時滿足彈射高度及動能相對較低的特點。

4.2.3 SNS被動網防護能力評估

為確保被動防護網正常運行，需對其防護能力進行評估，以指導現場工程施工。本工程小型危巖體主要集中于高程3 400～3 600 m段，因此根據現場SNS被動防護網防護能級及防護網設置位置，選取該坡段最高位置危巖體進行驗算。

防護網布置于距坡頂水平距離351 m處，設定為全塑性材料，即切向、法向恢復系數為0，抗沖擊動能為3 000 kJ，考慮坡面參數存在偏差，計算次數設定為50次。

由計算結果可以看出，當危巖體單塊質量大于5.7 t時，49次被被動網攔截，1次擊穿被動網，被動網安全系數為98%，見圖13、14。

圖13 設置被動網后落石運動模擬

圖14 落石位置分布

4.3 小型危巖體的防治措施

小型危巖體常見的處理措施主要有清除、主動防護和被動防護三種方法。

本工程導流明渠天然邊坡上、下游延伸長度約1 km，坡較高，小型危巖體普遍發育，采用全部清除施工難度較大。且面臨二次清渣，如大面積采用主動防護，施工工期較長，工程投資較大，因此，采用以SNS柔性被動網防護為主，人工清除與主動防護為輔的綜合治理策略。對于單塊質量大于5.7 t的高位小型危巖體根據其發育程度，如零星發育則采取清除措施，如集中發育則采用主動防護網進行防護。

據ROCKFALL模擬結果，單塊質量5.7 t的小型危巖體采用SNS柔性被動防護網進行防護，網高5 m，抗沖擊動能3 000 kJ，共設置兩道。第一道位于坡頂209 m處，高程3 600 m左右，該段小型危巖體

以地表孤石為主，其運動形態為滾動或滑移；第二道被動網設置于距坡頂351 m處，主要攔截高程3 400～3 600 m段集中發育的小型危巖體。

由于本工程小型危巖體運動采用的二維模擬，無法計算其實際的平面影響范圍，因此被動防護網的延伸長度需結合實際地形地貌進行考慮。如上、下游位置存在微型山脊，則延伸至山脊位置；如地形平順，則其以超出明渠軸線上、下游25 m為界。

為確保被動網防護效率，定期對被動網進行巡視，對損毀部位及時進行修補，對網后攔渣進行清理。

5 結 論

(1)經施工期調查，崩落小型危巖體均被被動防護網有效攔截，導流明渠施工期因崩塌落石引起的人員傷亡、設備損毀為零，說明根據歷史崩塌堆積物采用恢復系數進行反演是可行的，小型危巖體崩塌后落石的運動軌跡是可控的。

(2)采用ROCKFALL對單塊小型危巖體運動形態及動能進行分析，根據其規模、集中發育程度采取有針對性的清除、主動、被動防護措施，可達到量化設計的目的。

(3)在高陡邊坡小型危巖體處理中采用SNS柔性網被動防護，可以減少繁瑣的較小危巖體排查治理工作，同時被動網施工工藝簡單、快捷，不受現場交通條件限制，施工對下部開挖面干擾小，有效保證了主體工程的工期，同時大大地節省了投資。

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[3] 張興玲,等.柔性防護系統在水電站危巖體治理中的應用[J].青海大學學報(自然科學版),2009,27(4).

[4] 胡聰.高陡邊坡危巖體失穩機理及其崩塌落石運動規律[D].山東:山東大學,2014.

2016-08-23

楊洪(1980-)，男，四川綿陽人，碩士，高級工程師，從事工程地質勘察工作。

TU457

B

1003-9805(2017)01-0036-04