基于Rocfall模擬的高陡巖質(zhì)建筑邊坡孤石滾落防治方法探討

張 帥，羅永健

（廣州市設計院 廣州510620）

0 引言

我國珠三角地區(qū)位于歐亞大陸板塊東南緣，巖漿侵入頻繁活動所形成的燕山期為主的花崗巖大面積出露。珠江三角洲在晚第三紀以來新構造運動以大面積的垂直升降運動為主要特征，并且總體上以抬升運動為主，形成現(xiàn)在的丘陵地貌。出露地表的花崗巖長期遭受強烈的風化作用，形成厚度巨大的風化殼，上部為殘積土、其下為全風化和強風化巖?；◢弾r在形成演化過程中，當出露地表花崗巖塊狀巖石由多組節(jié)理切割，并不斷受到風化作用時，塊狀巖石突出的棱角部位更易受風化，故棱角逐漸縮減，并趨向球形，最終形成橢球狀孤石與土狀風化物混雜的球狀風化體[1,2]（見圖1）。

珠三角地處發(fā)達地區(qū)，隨著城市建設的擴張，越來越多的建筑物建于山體下，由于前期采石場開挖或建筑場地平整開挖，往往就形成了高陡巖質(zhì)邊坡。因為緊鄰民用建筑，高陡巖質(zhì)建筑邊坡發(fā)生失穩(wěn)等地質(zhì)災害將直接威脅坡腳處人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

圖1 花崗巖風化球Fig.1 Spherical Weathering Granit

由于花崗巖獨特的工程地質(zhì)特性，當坡體遇連續(xù)降雨時，花崗巖風化球底部殘積土遇水軟化、崩解，不斷受雨水侵蝕，造成水土流失甚至局部邊坡失穩(wěn)[2]。上部花崗巖風化球在重力作用下失穩(wěn)形成危石滾落，經(jīng)大落差滾至坡腳時，往往具有極大的破壞性。這成為珠三角地區(qū)近年來高陡巖質(zhì)建筑邊坡常見的失穩(wěn)形態(tài)。

本文以珠三角某小區(qū)后山邊坡孤石滾落事故為例，采用Rocfall軟件分析計算，建模還原了孤石滾落路徑，分析了原攔石墻失效原因。在此基礎上，對該高陡邊坡后續(xù)可能出現(xiàn)的孤石滾落路徑進行了分析，分析比較了坡率（削坡）對孤石滾落路徑、能量的影響。同時提出了攔石墻的改進設計措施，攔石墻設置緩沖層和落石槽作為主要緩沖結(jié)構，可有效吸收擴散落石沖擊能量。

1 Rocfall計算簡介

危巖失穩(wěn)后在重力作用下加速向下運動，危巖變成落石，勢能轉(zhuǎn)為動能，當落石與坡面接觸發(fā)生反彈，根據(jù)坡面接觸點的法向彈性系數(shù)和切向摩擦系數(shù)的不同，落石的彈跳高度則不同。整個過程遵循能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律[3,4]。

加拿大Roc-science公司開發(fā)的Rocfall程序主要通過輸入有關邊坡和落石的基本參數(shù)，來模擬落石在斜坡上的運動路徑、能量分布和彈跳高度變化。程序?qū)⒙涫喕癁榫鶆蚯也粫扑榈馁|(zhì)點，坡面為各向同性的彈塑性體，忽略了空氣阻力，主要參數(shù)包括法向恢復系數(shù)、切向恢復系數(shù)、動摩擦系數(shù)和孤石重量等[5,6]。

2 工程背景

2018年，在多日降雨后，珠三角某小區(qū)后山發(fā)生孤石滾落災害，三塊孤石從約70 m高的巖質(zhì)陡坡上方滾落而下，其中最大的一塊重量約80 t，危石擊穿坡腳擋石墻后，又將被動防護網(wǎng)拉倒，將坡腳處一棟高層住宅主體結(jié)構剪力墻撞擊至混凝土碎裂，又反彈撞擊了附近磚墻。

該巖質(zhì)陡坡是由前期采石場采石開挖形成的。邊坡下部為花崗巖基巖，完整性好，斜率約1:0.3，高度約65 m。邊坡上部為花崗巖殘積土，坡率約1:1～1:1.5，并存在大量花崗巖風化球。坡腳距離現(xiàn)有住宅建筑約18 m（見圖2）。為防止山上孤石滾落繼續(xù)對坡腳建筑造成危害，需針對該邊坡孤石滾落進行防治。

圖2 邊坡示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Slope

3 Rocfall模擬還原落石路徑

事故發(fā)生在夜間，可采用Rocfall軟件還原模擬孤石滾落的過程，量化孤石滾落的能量和破壞威力。

孤石滾落路徑主要是因采石裸露的完整基巖，軟件參數(shù)設置如表1所示。

表1 模擬參數(shù)取值Tab.1 The Value Table of Simulation Parameters

以最大塊孤石為研究對象，孤石重量80 t，孤石初始位置為巖質(zhì)邊坡陡坡頂部。孤石是由自重作用向下滾落，故設置孤石初速度為零，距坡腳4 m處設置攔石墻，坡腳建筑物外墻距離坡腳18 m，坡腳攔石墻極限攔截能量為500 kJ。為方便研究，設置坡腳位于坐標系（0，0）位置。同樣條件下設置50個質(zhì)點，以求得不同的可能路徑。

經(jīng)Rocfall模擬計算，圖3為孤石滾落路徑模擬結(jié)果，孤石在重力作用下啟動后沿坡頂緩坡滑落，在巖質(zhì)陡坡頂處沖出坡體，呈自由落體運動，直至砸到坡底緩坡，經(jīng)地面巖石反彈沖出攔石墻，砸落至坡腳建筑外墻。

圖3 落石滾落軌跡還原模擬Fig.3 Simulations of Rockfalling Path

經(jīng)Rocfall后處理模塊，可導出孤石滾落速度、彈跳高度以及動能與滾落位置的關系曲線（圖4～圖6）。孤石從陡坡頂啟動后先緩慢加速，躍出陡坡頂后速度在重力作用下線性增加。孤石與坡體的豎向距離（彈跳高度）也在此時達到最大的11 m。在孤石落至坡底緩坡之前，最大速度達到了約32 m/s，具有極大的沖擊能。孤石落至坡底緩坡后速度和動能明顯削弱，但依然足以穿過攔石墻。根據(jù)50個質(zhì)點的路徑統(tǒng)計，約60%的概率直接砸至建筑物外墻，約40%的概率落至地面后砸至建筑物外墻。滾石砸至外墻時的動能依然有8 112 kJ。

通過對比孤石滾落的模擬路徑和事故現(xiàn)場孤石滾落留下的擦痕，模擬結(jié)果和滾石實際路徑相似。通過孤石動能和速度與位置的關系曲線可以看到，孤石墜落至坡底緩坡以及砸落至坡腳平臺時，動能和速度可以明顯減弱，而攔石網(wǎng)難以對孤石進行有效攔截，巨大的孤石撞向建筑外墻時仍然有極大的破壞力，這與現(xiàn)場的事故記錄是大致吻合的。

圖4 落石滾落速度-位置關系曲線Fig.4 Velocity-position Curve of Rockfalling

圖5 落石滾落彈跳高度-位置關系曲線Fig.5 Height-position Curve of Rockfalling

圖6 落石滾落動能-位置關系曲線Fig.6 Kinetic Energy-position Curve of Rockfalling

4 分級修坡

基于落石撞擊坡面后動能明顯降低，首先可考慮對巖質(zhì)邊坡分級并削坡，以降低綜合坡率，增加落石與坡面的摩擦，減小落石動能。由于基巖整體穩(wěn)定性好，綜合經(jīng)濟性考慮，巖質(zhì)陡坡可按1:0.4坡率修坡，在40 m高處修3 m平臺，在基巖頂部修5 m平臺以兼顧基巖以上土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性（見圖7）。因本文重點研究下部巖質(zhì)邊坡孤石滾落危害，故不對上部土質(zhì)邊坡以及邊坡整體穩(wěn)定性進行討論。

圖7 邊坡修坡示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Graded Slope

在Rocfall中保持坡面參數(shù)不變，落石初始位置更改為基巖頂部平臺端部，落石質(zhì)量仍為80 t，初速度為零。模型計算落石路徑如圖8所示。

圖8 修坡后孤石滾落軌跡模擬Fig.8 Simulation of Rolling Track of the Rockfolling on Tepped Slope

從孤石滾落路徑上看，孤石沿第一級坡滾落，至中間平臺后彈跳至空中，經(jīng)拋物線降下落至下一級坡面后擊穿攔石墻滾至坡腳建筑外墻。

修坡后落石在坡腳的路徑拋物線明顯降低，但依然會穿透攔石墻，擊中建筑外墻，但是孤石大概率提前落到建筑與坡腳之間的地面上，而不是在空中直接砸中建筑物。通過軟件后處理功能，導出孤石砸落點高度、能量結(jié)果，對修坡前后落石砸至建筑物外墻的狀態(tài)做對比（見表2），可以比較前后落石對建筑物的危害大小。

表2 修坡前后落石對建筑物的危害對比Tab.2 Comparison of the Damage of Falling Rocks to Buildings before and after Slope Graded

通過表2可以得知，適當修坡后落石對坡腳建筑物危害得到一定削弱。經(jīng)分級修坡后，由于增加了與坡體的摩擦，孤石沖擊建筑物的勢能和動能都明顯降低，砸到建筑物上的動能降低為原來的32.2%，分級削坡的明顯降低了孤石滾落對坡腳建筑物的危害。為進一步分析滾石滾落是運動速度和能量的變化歷程，導出落石動能歷程對比曲線如圖9所示。

圖9 修坡前后落石動能歷程對比曲線Fig.9 Comparison Curve of Kinetic Energy of Rockfalling before and after Slope Graded

從孤石動能分布來看，孤石在滾落前期，由于分級削坡作用，孤石勢能在第一級坡滾落時提前釋放，勢能轉(zhuǎn)化為動能明顯快于修坡前工況。但在中間平臺處，孤石動能得到明顯削弱。最終落至坡腳時，孤石動能峰值明顯小于修坡之前。分級修坡后，孤石在砸至建筑物前動能急劇下降，這是因為孤石提前落地后滾至建筑，此期間與地面摩擦消耗了大量能量。由修坡前后落石動能分布可知：分級修坡起到了提前釋放勢能，動能削峰的作用，避免孤石滾落至坡腳時能量“爆發(fā)”。所以為控制孤石滾落危害，可考慮修坡以減緩邊坡坡率，并分級使得落石過程中動能明顯降低。

但在本項目中，落石滾落位置以上仍有較高的土質(zhì)邊坡，下部巖質(zhì)邊坡大量削坡可能引發(fā)上部邊坡穩(wěn)定性問題，同時爆破開挖也需考慮對坡腳建筑的施工影響。故在條件允許的情況下視具體情況分級修坡，同時需考慮對上部邊坡進行支護。

5 孤石清除和攔石墻（網(wǎng)）

雖然在分級修坡后落石危害性降低，但是通過模擬計算表明孤石仍然沖出了攔石墻，對建筑物依然有巨大威脅。所以對于大塊危險孤石，不能寄希望于坡腳攔石墻這最后一道防線，應考慮提前將邊坡上的孤石清除或者加固處理。

為分析防護能級為500 kJ的攔石墻能夠攔截落石的最大重量，采用Rocfall軟件設置不同的孤石重量試算，當孤石重量最大為5t時，攔石網(wǎng)可以有效攔截（見圖10）。孤石落在攔石網(wǎng)上的動能集中在240～380 kJ。故修坡的同時，應清除坡體孤石和危巖體，特別是塊體重量大于5 t的，應重點關注和清除。

圖10 重量5t的滾石滾落模擬路徑Fig.10 Rolling Stone Simulation Path with Weight 5t

攔石墻應設置緩沖層和落石槽作為主要緩沖結(jié)構，緩沖層可就地利用落石槽開挖土方，也可使用其他抗沖擊材料填筑，為避免落石沖擊槽底發(fā)生彈跳，槽底應鋪筑緩沖材料。

落石的攔石墻的沖擊力（見圖11）可以由式⑴計算[8-9]：

式中：P（Z）為落石沖入緩沖層的單位阻力；Z為落石沖擊后的陷入深度（m）。

Z由式⑵計算：

式中：VR為落石塊體接觸攔石墻石的沖擊速度（m/s）；Q為石塊重量（kN）；γ為緩沖層重度（kN/m3）；g為重量加速度；φ為緩沖層內(nèi)摩擦角（°）；F為落石等效球體的截面積（m3）。

F由式⑶、式⑷計算：

式中：γ1為落石的重度。

根據(jù)式⑵可以求得落石沖擊陷入緩沖層的深度，從而確定緩沖層的厚度。為減少落石在迎石坡面的彈跳高度，攔石墻后緩沖層邊坡宜用1∶0.75，坡面用片石鋪砌加固。并輔以主動防護網(wǎng)措施，可以取得更好的效果。

圖11 作用于攔石墻上的沖量分布Fig.11 Impulse Distribution Acting on the Stone Wall

6 結(jié)論

⑴珠三角地區(qū)橢球狀孤石與土狀風化物混雜的球狀風化體廣泛分布，邊坡上部花崗巖風化球在重力作用下失穩(wěn)形成危石滾落，經(jīng)大落差滾至坡腳時，往往具有極大的破壞性。這成為珠三角地區(qū)近年來高陡巖質(zhì)建筑邊坡常見的失穩(wěn)形態(tài)。

⑵Rocfall軟件通過輸入有關邊坡和落石的基本參數(shù)，來模擬孤石在斜坡上的運動路徑、能量分布和彈跳高度變化。可以為防護治理設計提供直觀有效的依據(jù)。

⑶對高陡巖質(zhì)邊坡分級修坡，可以有效消耗孤石滾落動能，減小孤石滾落至坡腳的動能。修坡起到了提前釋放勢能，動能削峰的作用。

⑷孤石滾落的防治不能寄希望于攔石墻（網(wǎng)）這最后一道防線，應盡可能清除孤石和危巖體，特別是大塊體。根據(jù)可能的孤石滾落能量選用合適的攔石墻（網(wǎng)）規(guī)格。

⑸對于剛性攔石墻，應設置緩沖結(jié)構，避免落石沖破或彈跳。緩沖層厚度應根據(jù)落石沖擊后的陷入深度確定。