瓦廠特大橋陡崖落石運動特性分析及危險性分區評估

程 云 鄭六益 莫 默 王 亮

(中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司， 貴陽 550002)

危巖落石是貴州地區常見的一種地質災害，隨著山區工程建設的快速發展，落石災害事件屢見不鮮，其特有的高發性、突發性、不可預見性及災害性等特點，嚴重危害區域內基礎設施及人民生命財產安全。

近年來，國內外學者對圍巖落石開展了多方面的研究分析。楊智翔等[1]利用可靠度理論建立了偏心滑移式孤石穩定性可靠度指標計算方法，計算得到孤石的可靠度敏感性由高到低為：孤石傾角、單位長度孤石重力、孤石內摩擦角、黏聚力；朱雪峰[2]利用地面激光雷達技術高效精確地實現了危巖落石的識別與信息提取；王劍鋒[3]等采用貢獻率法分析災害分布規律；劉偉鵬[4]等利用AHP方法計算危巖落石發生的綜合評分指標，通過發生概率等級和致災等級劃分危巖落石綜合風險等級；沈位剛[5]等運用離散單元方法建立落石與地面的數值模型，研究了不同沖擊加載率作用下落石的沖擊破碎特征，得到破碎程度與沖擊加載率呈線性正相關，破碎產生塊體的數量與沖擊加載率呈冪函數關系；梅雪峰[6]等利用經典接觸理論，研究了以初始入射速度和入射角為變參量下的恢復系數和沖擊力之間的變化規律，得到當入射速度相同時，恢復系數與入射角呈正相關；當沖擊入射角相同時，恢復系數與速度呈負相關，而沖擊力與速度呈線性正相關；崔廉明[7]等綜合采用試驗和數值計算方法研究了引導式落石緩沖系統的防護性能，得到多位置分布配重能有效約束了落石運動軌跡衰減了落石能量；王星[8]等采用軟件LS-DYNA研究得到了滾石沖擊過程中的沖擊力及侵徹深度隨沖擊時間的變化規律，給出了最終塑性沖擊坑的形狀，并和多種算法對比分析驗證了其適用性。

本文根據瓦廠特大橋陡崖危巖體的分布情況，分析了不同落石直徑和不同落石高度的落石運動特性，并根據落石相關特性對落石影響范圍進行分區，為落石防護設計提供參考。

1 瓦廠特大橋陡崖地質概況與基本特征

1.1 地質概況

場區地層上覆第四系破殘積層黏土、沖洪積層塊石土、第四系崩坡積層，下伏基巖為二疊系P1m+q茅口、棲霞組、p1l梁山組、S1-2hn韓家店組、S1s石牛欄組地層。測區主要發育有斷層F64、斷層F65及瓦廠斷層F1，切割巖體較嚴重，陡崖頂部沿斷層帶發育有卸荷裂隙。橋梁橫跨河流，橋址區地面標高介于846.2～1 053.21 m之間，相對高差207.01 m，橋址區內地形起伏大，桐梓岸陡崖險峻，基巖裸露。

1.2 陡崖基本特征

陡崖發育方向與線路近于垂直，陡崖呈直立狀，坡度75°～90°，在線路附近局部因危巖落石形成倒懸狀，陡崖沿地形展布，地形為左高右低，在線路左側陡崖長度大于300 m，高約70～110 m，在線路處陡崖高約110 m。在線路右側陡崖長度大于310 m，高約50～100 m，遠離線路方向陡崖高度逐漸降低至尖滅。陡崖腳至頂部均為厚層狀夾薄層的灰巖夾泥質灰巖，陡崖腳斜坡上為頁巖夾煤層、灰巖地層，形成上硬下軟分布地層結構，同時陡崖上巖層陡傾節理、裂隙較發育，切割巖體較嚴重。在初勘方案線路中心倒懸陡崖上見有新近落石跡象，危巖體對工程影響大，陡崖典型剖面如圖1所示。

圖1 線路左中線處陡崖剖面圖

2 陡崖落石運動特性研究分析

2.1 陡崖危巖體劃分

瓦廠特大橋陡崖危巖體發育，分布面積廣，危巖體方量約 20 196 m3，落石范圍高差大，落差高度40～150 m。對危巖體進行劃分，2～5號危巖體、11～14號危巖體原巖以二疊系P1m+q茅口、棲霞組灰巖為主，斜節理裂隙發育，危巖體呈倒懸狀，在重力及其它外界因素作用下易產生危巖體失穩；15號危巖體原巖為二疊系P1m+q茅口、棲霞組灰巖，表面為裸露的巨厚層灰巖，有少量植被覆蓋，危巖帶頂部有卸荷裂隙發育，表面巖塊被節理切割，不連續，易發生零星掉塊，危巖帶底部薄層泥質灰巖被風化剝蝕，懸空，在地震暴雨施工等狀態下易發生崩塌；以上危巖體落石對Z11號及Y12號橋墩影響大，根據不同危巖體的分布情況，選取典型剖面，研究陡崖落石在不同落石高度、不同落石大小下的運動路徑、彈跳高度、沖擊能量、平移及旋轉速度，對落石風險進行分析。

2.2 陡崖落石參數選取

將落石簡化為剛性球體，忽略形狀對落石的影響，不考慮落石運動過程破裂解體及空氣阻力，落石密度ρ=2 600 kg/m3。選取落石直徑R=1 m，R=0.8 m，R=0.6 m，R=0.4 m，對應質量分別為MR=1=1 361 kg、MR=0.8=697 kg、MR=0.6=294 kg、MR=0.4=87 kg。其中，15號危巖體選取直徑為R=0.4 m的小粒徑，其它2～14號危巖體選取R≥0.8 m的大粒徑；落石高程范圍42 m，分別為高程GC=960 m、GC=980 m、GC=1 002 m和GC=1 012 m，詳細位置如圖2所示。

圖2 落石位置圖

采用RFA軟件，對落石路徑進行模擬分析，落石碰撞恢復系數Rn和Rt是正確估算落石運動軌跡的兩個重要的參數，與邊坡的坡度、邊坡坡面覆蓋層的地質力學性質、落石自身的大小等因素有關，恢復系數Rn和Rt反應了落石的碰撞行為，決定了落石的運動途徑，根據各種實踐研究，其取值如表1和表2所示[9-11]。

表1 法向恢復系數表

表2 切向恢復系數

2.3 取陡崖落石運動特性模擬及結果分析

根據4種落石直徑對應的4處落石高度，共建立16種落石工況，模擬計算過程中，考慮落石轉動速度，落石分布形式為隨機正態分布，每種工況落石計算次數為100次，選取R=1 m時，4個不同落石高度計算過程如圖3～圖6所示；落石對橋墩的沖擊高度如表3所示。

圖3 落石運動路徑圖(R=1 m，GC=1 012 m)

圖4 落石運動路徑圖(R=1 m，GC=1 002 m)

圖5 落石運動路徑圖(R=1 m，GC=980 m)

圖6 落石運動路徑圖(R=1 m，GC=960 m)

表3 落石對橋墩最大沖擊高度表(m)

由圖3～圖6及表3可知，落石對橋墩的沖擊高度隨落石直徑的增大而增高；落石直徑一定時，落石對橋墩的沖擊高度隨落石落點高度上升而增高，最大沖擊高度達到34.3 m。

16種模擬工況中，各點落石沖擊能量如圖7所示，落石最大沖擊能量如圖8所示，落石最大旋轉能量如圖9所示。

圖7 落石各點沖擊能示意圖

圖8 落石最大沖擊能量圖

圖9 落石最大旋轉能量圖

由圖7～圖9可知，落石沖擊能量隨落石下落急劇增加，與地面撞擊瞬間，能量達到峰頂，經過地面能量耗損，剩余能量致使落石產生二次彈跳，依次反復，直到落石能量為0，落石停止運動。落石直徑一定時，落石最大沖擊能量和最大旋轉能量跟落石高度呈正相關，且落石高度越高時，兩者增加幅度越大；落石高度一定時，落石最大沖擊能量隨落石直徑增大而增高，且隨落石高度的增高增加趨勢越明顯，落石最大旋轉能量跟落石直徑變化無明顯規律。

16種模擬工況中，落石最大平移速度和最大旋轉速度如表4和表5所示。

表4 落石最大平移速度表(m/s)

表5 落石最大旋轉速度表(m/s)

由表4和表5可知，落石最大平移速度隨落石高度降低而減小，同一高度落石的最大平移速度不變，與落石直徑大小無關。落石高度一定，落石最大旋轉速度隨落石直徑減小而增大，直徑一定時，落石最大旋轉速度與落石高度無明顯規律。

綜上，2～14號危巖體由于為倒懸型，一旦落石發生，攜帶沖擊能量較大，對橋墩安全危害極高，15號為小型崩塌，零星掉塊對橋梁危害較小，但起彈跳距離較遠，對下方結構和施工人員安全仍存在較大的潛在危害。

3 陡崖落石危險性分區評估

上述研究了陡崖落石在不同落石高度、不同落石大小下的運動路徑、彈跳高度、沖擊能量、平移及旋轉速度的變化規律。考慮橋墩后陡崖較高，斜節理裂隙發育，多數危巖體呈倒懸狀，在重力及其它外界因素作用下易產生危巖體失穩，大塊落石發生的可能性較高，選取16種工況中尺寸最大、下落高度最高的落石(R=1 m,GC=1 012 m)作為研究對象，落石參數如表6所示；結合落石的落點統計(如圖10所示)，以落石動量、動能[12]作為陡崖危險性分區的依據，詳細分區如表7所示。

表6 落石參數表

圖10 落石落點統計圖

表7 落石危險性分區表

根據表7對瓦廠特大 橋陡崖落石運動危險性分區如下：0～40 m范圍為Ⅴ區，無危害，該區遠離崖體，各類落石經過多次彈跳消能后幾乎不會到達此區域，落石對此區域橋墩無危害；40～50 m范圍為Ⅳ區，危險性小，部分落石運動經過多次彈跳消能后到達此區域，主要以小粒徑R≤0.4 m落石為主，對橋墩可能產生局部損傷；50～80 m范圍為Ⅲ區，危險性一般，該區域落石主要以R≤0.6 m為主，部分較大粒徑落石彈跳到此區域能量較大，對該區域橋墩可能產生較大破壞，危及主體結構安全；80～100 m、190～200 m范圍為Ⅱ區，危險性大，該區域為落石二次彈跳沖擊區，靠近崖體內Ⅱ區落石主要以R<0.8 m為主，部分落石能量大，對橋梁二次沖擊破壞較強，侵徹損傷影響明顯，遠離崖體外Ⅱ區落石主要以R≤0.6 m為主，部分落石能量大，對橋梁沖擊破壞較強；100～190 m范圍為Ⅰ區，危險性極大，該區域為各種落石必經之地，落石直接沖擊橋墩或在經過崖面及地面彈跳后沖擊橋梁，落石直徑以R≥0.8 m為主，對橋墩沖擊破壞嚴重，嚴重影響橋梁安全穩定。

4 陡崖落石防護治理

根據以上研究分析，橋墩主要處于Ⅰ區、Ⅱ區范圍內，危巖體失穩產生落石對橋墩危險極大，應主要對橋墩后方Ⅰ區、Ⅱ區進行防護治理，危巖體防治遵循危巖體發育規律，采用主動防護和被動防護相結合，對陡崖危巖體采取治理措施如下：陡崖上的危巖體3號、4號、5號、11號、12號(部分)、15號(部分)危巖體倒懸，節理發育，切割深度大，潛在危害極高，采用控制爆破措施進行清方處理，清除方量為 13 498 m3；2號、13號、14號危巖體節理較發育，切割深度較淺，且清除難度較大，清除工作危險性較高，采用預應力錨索(點錨)進行加固，錨索長16 m，錨固段長8 m，共設置64孔；圍巖清除和錨索施工完成后，對落石范圍影響線以內Ⅰ區、Ⅱ區的陡崖掛柔性簾式消能網進行加強防護，在陡崖下方落石范圍影響線以內Ⅰ區設置樁板攔石墻，如圖11所示。

圖11 陡崖落石治理圖

5 結論

根據瓦廠特大橋陡崖危巖體的基本特征及劃分情況，選取典型剖面，建立16種工況研究不同落石直徑、不同落石高度的落石運動特征，得到以下結論：

(1)采用RFA落石分析軟件，研究分析了落石的彈跳高度、沖擊能量、旋轉能量、平移及旋轉速度與落石直徑、下落高度之間的關系。

(2)根據落石的運動特征，選取典型落石(R=1 m,GC=1 012 m)為研究對象，結合落石的落點統計，以落石動量、動能作為陡崖危險性分區的依據。按最危險法則將瓦廠特大橋陡崖落石分為5個危險區：Ⅰ區，危險性極大；Ⅱ區，危險性大；Ⅲ區，危險性一般；Ⅳ區，危險性小；Ⅴ區，無危害。

(3)根據橋墩所處的危險區，對陡崖提出防護措施，為瓦廠特大橋陡崖危巖體落石治理提供了重要技術支撐，本文研究結果可為其他類似工程落石治理提供參考。