水電工程高陡邊坡小型危巖體動(dòng)力分析及治理

楊 洪

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(dòng)力分析及治理

楊 洪

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行探討，利用ROCKFALL軟件對恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行反演，并對藏木水電站高邊坡小型危巖體的運(yùn)動(dòng)距離、彈射高度及動(dòng)能進(jìn)行分析，得出SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)最佳設(shè)置位置及防護(hù)網(wǎng)安全系數(shù)。通過本工程實(shí)踐，得出根據(jù)小型危巖體規(guī)模、發(fā)育程度，采用定量化設(shè)計(jì)是可行的。

小型危巖體;破壞模式;彈射高度;SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

0 引 言

水電工程大多處于高山峽谷地區(qū)，谷坡陡峻，受地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化、卸荷影響，小型危巖體普遍發(fā)育，其抗外力干擾能力弱，失穩(wěn)頻率高，是較為常見的山地災(zāi)害之一。由于其體積小，分布具隨機(jī)性，地表調(diào)查難度大。其破壞具突發(fā)性，且運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，對其被動(dòng)防護(hù)設(shè)置造成困難，因此，在被動(dòng)防護(hù)中結(jié)合小型危巖體運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行合理布置，是對其安全、經(jīng)濟(jì)防治的關(guān)鍵。

1 小型危巖體破壞模式及穩(wěn)定性判斷

小型危巖體是指單塊體積在數(shù)方以內(nèi)，完全或大部分脫離母巖，具備可動(dòng)空間，在自重或外力影響下可能失穩(wěn)的巖體。小型危巖體破壞模式與較大型危巖體無本質(zhì)區(qū)別，只是因其體積小在相同的裂隙組合下，更容易具備失穩(wěn)條件。目前對危巖體的破壞模式研究較多，對于硬質(zhì)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(wěn)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(dāng)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(dòng)空間時(shí)，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(jié)構(gòu)面強(qiáng)度及塊體懸空條件進(jìn)行判定。

(1)滑移型。根據(jù)滑移面形態(tài)，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(jié)構(gòu)面(楔形體破壞為兩組結(jié)構(gòu)面交線)視傾角;

βp——為邊坡視傾角(見公式1);

φ——為結(jié)構(gòu)面等效摩擦角(見公式2)。

結(jié)構(gòu)面視傾角：

tanβ=cos(αj-αp)tanβj

(1)

等效內(nèi)摩擦角：

(2)

(2)傾倒破壞。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料及已有的工程經(jīng)驗(yàn)，傾倒破壞需滿足以下條件(中國水利水電科學(xué)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(jié)構(gòu)面傾向相反，且兩者的夾角應(yīng)大于等于120°；

C.傾倒區(qū)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(diǎn)法進(jìn)行判斷，根據(jù)滑塊失穩(wěn)原理，在赤平投影上繪制出可能發(fā)生滑移與傾倒變形區(qū)域，將塊體結(jié)構(gòu)面及兩兩組合交線以極點(diǎn)表示，根據(jù)極點(diǎn)與破壞區(qū)的位置關(guān)系來判斷塊體的穩(wěn)定性(見圖2)。

圖2 赤平投影極點(diǎn)分析

2 運(yùn)動(dòng)形態(tài)

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(yùn)動(dòng)形態(tài)較為復(fù)雜，可概括為：墜落、滾動(dòng)、滑移和彈射四種。

(1)墜落。脫離母巖后當(dāng)?shù)匦纹露葮O陡，且初始速度較小時(shí)，小型危巖體的運(yùn)動(dòng)主要體現(xiàn)為重力作用下的豎直向加速墜落，重力勢能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換，空氣產(chǎn)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(dòng)能越高，對被動(dòng)防護(hù)越不利；

(2)滾動(dòng)。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(dòng)為主，塊體與坡面接觸面較小，摩擦致熱少，運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)；

(3)滑動(dòng)。塊體長寬高比例差異越大的片狀塊體，當(dāng)下部地形坡面較平順，容易沿坡面發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)過程中，塊體與坡面接觸面較大，運(yùn)動(dòng)距離較?。?/p>

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

以上四種運(yùn)動(dòng)形態(tài)以滑移形態(tài)對危巖體動(dòng)能損耗較大，單一的墜落、滾動(dòng)、滑移運(yùn)動(dòng)形態(tài)下，危巖體的運(yùn)動(dòng)方向預(yù)判較為簡單，而彈射運(yùn)動(dòng)與危巖體初始入射角、初始速度及被撞擊坡面相關(guān)，其運(yùn)動(dòng)軌跡難以進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，需進(jìn)行模擬分析。

3 ROCKFALL建模

ROCKFALL是一款廣泛運(yùn)用于落石風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害評估及動(dòng)力學(xué)分析軟件，可計(jì)算落石在運(yùn)動(dòng)全程的任意點(diǎn)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(yùn)動(dòng)形態(tài)模擬建模流程(見圖3)，包含以下幾個(gè)方面：

(1)建立地形面，地形面由多段線構(gòu)成，應(yīng)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(fù)系數(shù)、法向恢復(fù)系數(shù)等坡面材料參數(shù)；

(3)定義落石質(zhì)量、初始切線速度、角速度等表征落石初始狀態(tài)的參數(shù)；

(4)定義落石崩解塊數(shù)及迭代步數(shù)；

(5)模擬計(jì)算；

(6)根據(jù)落石拋落形態(tài)及跌落位置與歷史崩塌事件對比，回歸分析坡面參數(shù)；

(7)利用新參數(shù)對落石路徑及防護(hù)體系進(jìn)行計(jì)算；

(8)對落石彈跳高度、動(dòng)能等進(jìn)行分析。

圖3 ROCKFALL建模流程

3.2 ROCKFALL主要控制參數(shù)研究

ROCKFALL運(yùn)動(dòng)軌跡模擬時(shí)主要通過塊體初始狀態(tài)參數(shù)(質(zhì)量、位置、初始速度矢量)和邊坡幾何形態(tài)及接觸面參數(shù)計(jì)算塊體的運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)能。

塊體初始狀態(tài)定義是ROCKFALL模擬中較為重要環(huán)節(jié)，初始位置、塊體質(zhì)量定義較為簡單，初始速度矢量與塊體破壞模式、自重應(yīng)力及附加應(yīng)力相關(guān)，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(shè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡的影響

坡面粗糙度是表征地形坡面起伏程度的參數(shù)(見圖5)，ROCKFALL用粗糙度表示平均坡度的標(biāo)準(zhǔn)差，定義值為0、2、3、5度。經(jīng)大量樣本統(tǒng)計(jì)，粗糙度一般不超過5，取2時(shí)滿足95.44%樣本，取3時(shí)滿足99.74%樣本。實(shí)際模擬時(shí)，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(yùn)動(dòng)模擬重要參數(shù)，塊體在運(yùn)動(dòng)過程中其能量損耗是通過摩擦力做功來實(shí)現(xiàn)的，相同的落石、運(yùn)動(dòng)路徑，摩擦系數(shù)越高，則落石運(yùn)移的距離越短。

坡面條件及落石運(yùn)動(dòng)形態(tài)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(dòng)時(shí)摩擦角較低，可近視取零，以代表最不利的落石路徑，滑動(dòng)時(shí)摩擦角取值較大，落石運(yùn)動(dòng)距離最短(見圖6)。ROCKFALL提供了用切向恢復(fù)系數(shù)計(jì)算摩擦系數(shù)，見式3。

(3)

圖6 塊體滾動(dòng)和滑動(dòng)

碰撞恢復(fù)系數(shù)指落石與坡面撞擊后與撞擊前的速度比，大多數(shù)情況，其值介于0～1之間，塊體發(fā)生剛性碰撞時(shí)恢復(fù)系數(shù)為1，發(fā)生全塑性碰撞，恢復(fù)系數(shù)為0。ROCKFALL將恢復(fù)系數(shù)分為法向恢復(fù)系數(shù)Rn和切向恢復(fù)系數(shù)Rt，法向恢復(fù)系數(shù)對塊體彈射高度影響較為明顯，切向恢復(fù)系數(shù)對塊體運(yùn)動(dòng)跡長影響較大；根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)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(fù)系數(shù)的影響因素較多，取值難度較大，根據(jù)已發(fā)生的落石路徑進(jìn)行回歸分析，是較常用的處理方法。

4 工程實(shí)例

4.1 基本地質(zhì)條件

藏木水電站導(dǎo)流明渠進(jìn)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(fēng)化、強(qiáng)卸荷為主，受斷層及裂隙切割影響，呈次塊狀～鑲嵌狀結(jié)構(gòu)(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(fā)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(xiàn)象活躍，坡面平整度較差，平均地形坡度65°，危巖體普遍發(fā)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(fā)育。

圖7 導(dǎo)流明渠進(jìn)口段邊坡

4.2 小型危巖體運(yùn)動(dòng)特征分析

4.2.1 ROCKFALL建模及坡面材料參數(shù)取值

根據(jù)地表調(diào)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(jù)坡面地形判斷，高程3 600 m以上坡面平順，落石以滾動(dòng)或滑動(dòng)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(fù)系數(shù)取值對危巖體運(yùn)動(dòng)形態(tài)影響不大，因此采用經(jīng)驗(yàn)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(dá)該區(qū)域時(shí)速度較大且與坡面接觸時(shí)入射角較大，發(fā)生彈射的機(jī)率較高，恢復(fù)系數(shù)對落石的運(yùn)動(dòng)距離及彈射影響較為顯著，因此需對該段坡面材料參數(shù)采取回歸分析。

反分析依據(jù)為：高程3 400～3 600 m坡段落石應(yīng)大部分停止于岸邊崩坡積堆積區(qū)，對于部分高位落石，允許其運(yùn)動(dòng)距離略遠(yuǎn)于堆積區(qū)。本次采用高程3 400 m以上坡段隨機(jī)分布的7塊危巖體運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模擬，對高程3 400 m以下坡段恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行回歸分析，模擬結(jié)果顯示：采用表1參數(shù)時(shí)，4號、5號、6號、7號危巖體將停止于岸邊崩坡積覆蓋層區(qū)域，高位的1號、2號、3號危巖體將停止于現(xiàn)代河床，該模擬結(jié)果和現(xiàn)場地表調(diào)查較為一致，見圖8。

4.2.2 運(yùn)動(dòng)特征分析

圖8 隨機(jī)危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡

選取導(dǎo)流明渠開挖邊坡典型剖面進(jìn)行數(shù)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(fēng)化強(qiáng)卸荷二長花崗巖、弱風(fēng)化弱卸荷二長花崗巖。邊坡基本參數(shù)見表1，坡面粗糙度取0～2，結(jié)合危巖體分布規(guī)律，在坡面上隨機(jī)分布16塊落石模擬小型危巖體運(yùn)動(dòng)形態(tài)(見圖9)，考慮落石質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)特征關(guān)系不大，為簡化分析，落石質(zhì)量均設(shè)置為10 kg，初始速度和初始角速度設(shè)置為0，在碰撞過程中落石不發(fā)生崩解，其運(yùn)動(dòng)軌跡見圖10、彈射高度見圖11、動(dòng)能見圖12。

表1 本工程坡面參數(shù)特征值

圖9 坡面材料分段及小型危巖體位置

圖10 落石運(yùn)動(dòng)形態(tài)

圖11 落石彈射高度分布

圖12 落石動(dòng)能分布

由模擬結(jié)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(dá)33 m，整體動(dòng)能呈快速增長趨勢；陡崖段以下緩坡段動(dòng)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(dòng)能最低，因此在351 m處設(shè)置被動(dòng)防護(hù)可同時(shí)滿足彈射高度及動(dòng)能相對較低的特點(diǎn)。

4.2.3 SNS被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)能力評估

為確保被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)正常運(yùn)行，需對其防護(hù)能力進(jìn)行評估，以指導(dǎo)現(xiàn)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(jù)現(xiàn)場SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)能級及防護(hù)網(wǎng)設(shè)置位置，選取該坡段最高位置危巖體進(jìn)行驗(yàn)算。

防護(hù)網(wǎng)布置于距坡頂水平距離351 m處，設(shè)定為全塑性材料，即切向、法向恢復(fù)系數(shù)為0，抗沖擊動(dòng)能為3 000 kJ，考慮坡面參數(shù)存在偏差，計(jì)算次數(shù)設(shè)定為50次。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)危巖體單塊質(zhì)量大于5.7 t時(shí)，49次被被動(dòng)網(wǎng)攔截，1次擊穿被動(dòng)網(wǎng)，被動(dòng)網(wǎng)安全系數(shù)為98%，見圖13、14。

圖13 設(shè)置被動(dòng)網(wǎng)后落石運(yùn)動(dòng)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(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)三種方法。

本工程導(dǎo)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(fā)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(dòng)防護(hù)，施工工期較長，工程投資較大，因此，采用以SNS柔性被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)為主，人工清除與主動(dòng)防護(hù)為輔的綜合治理策略。對于單塊質(zhì)量大于5.7 t的高位小型危巖體根據(jù)其發(fā)育程度，如零星發(fā)育則采取清除措施，如集中發(fā)育則采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

據(jù)ROCKFALL模擬結(jié)果，單塊質(zhì)量5.7 t的小型危巖體采用SNS柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，網(wǎng)高5 m，抗沖擊動(dòng)能3 000 kJ，共設(shè)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(yùn)動(dòng)形態(tài)為滾動(dòng)或滑移；第二道被動(dòng)網(wǎng)設(shè)置于距坡頂351 m處，主要攔截高程3 400～3 600 m段集中發(fā)育的小型危巖體。

由于本工程小型危巖體運(yùn)動(dòng)采用的二維模擬，無法計(jì)算其實(shí)際的平面影響范圍，因此被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的延伸長度需結(jié)合實(shí)際地形地貌進(jìn)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(dòng)網(wǎng)防護(hù)效率，定期對被動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行巡視，對損毀部位及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，對網(wǎng)后攔渣進(jìn)行清理。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)施工期調(diào)查，崩落小型危巖體均被被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)有效攔截，導(dǎo)流明渠施工期因崩塌落石引起的人員傷亡、設(shè)備損毀為零，說明根據(jù)歷史崩塌堆積物采用恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行反演是可行的，小型危巖體崩塌后落石的運(yùn)動(dòng)軌跡是可控的。

(2)采用ROCKFALL對單塊小型危巖體運(yùn)動(dòng)形態(tài)及動(dòng)能進(jìn)行分析，根據(jù)其規(guī)模、集中發(fā)育程度采取有針對性的清除、主動(dòng)、被動(dòng)防護(hù)措施，可達(dá)到量化設(shè)計(jì)的目的。

(3)在高陡邊坡小型危巖體處理中采用SNS柔性網(wǎng)被動(dòng)防護(hù)，可以減少繁瑣的較小危巖體排查治理工作，同時(shí)被動(dòng)網(wǎng)施工工藝簡單、快捷，不受現(xiàn)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(shí)大大地節(jié)省了投資。

[1] 陳祖煜,汪小剛,等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理 方法 程序[M].中國水利水電出版社,2005(3).

[2] 王春山,等.高陡邊坡滾石危險(xiǎn)性評價(jià)與防治[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,33(2).

[3] 張興玲,等.柔性防護(hù)系統(tǒng)在水電站危巖體治理中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,27(4).

[4] 胡聰.高陡邊坡危巖體失穩(wěn)機(jī)理及其崩塌落石運(yùn)動(dòng)規(guī)律[D].山東:山東大學(xué),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(zhì)勘察工作。

TU457

B

1003-9805(2017)01-0036-04