某高速公路落石災(zāi)害運(yùn)動(dòng)特征及防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)

黃澤斌，羅安民，盧 波，周 凱

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.馬克菲爾(長(zhǎng)沙)新型支檔科技開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

0 引言

落石災(zāi)害是我國(guó)山區(qū)三大常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。其主要防治技術(shù)方向?yàn)榍宄?、主?dòng)支擋補(bǔ)強(qiáng)及被動(dòng)攔截引導(dǎo)防護(hù)。其中主動(dòng)支擋補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)包含錨固、支撐、嵌補(bǔ)、排水、表面封閉、封填勾縫、主動(dòng)柔性防護(hù)等。被動(dòng)攔截引導(dǎo)防護(hù)主要有被動(dòng)柔性攔石網(wǎng)、攔石墻、落石槽、引導(dǎo)溝等。前者在防治范圍小、高度低的落石危巖區(qū)有較高的經(jīng)濟(jì)性及適用性。而后者對(duì)于高位大范圍危巖落石防護(hù)有較高的適用性及經(jīng)濟(jì)性[2-3]。

被動(dòng)攔截引導(dǎo)防護(hù)攔截的效果，主要取決于對(duì)落石運(yùn)動(dòng)路徑及運(yùn)動(dòng)特征的掌握程度。若不能準(zhǔn)確判斷落石的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)特征，可能導(dǎo)致攔截措施設(shè)置位置不合理、防護(hù)能級(jí)不足或者過(guò)高，造成攔截失敗或者工程浪費(fèi)。因此，對(duì)落石下落軌跡、彈跳形式以及能量大小的研究是進(jìn)行被動(dòng)攔截引導(dǎo)防護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[4-6]。

1 工程概況

廣西某高速公路于2020-06-03發(fā)生落石災(zāi)害(以下簡(jiǎn)稱6.3落石事件)，落石由距路面約148 m高差的路外山體掉落并沿坡面滾入高速公路，撞擊到正在行駛的兩輛貨車。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，撞擊車輛最大塊體巖性為灰?guī)r，體積為(3×3×5) m3，重量約126 t。邊坡山體相對(duì)高差約260 m，呈上陡下緩形態(tài)，表層植被茂密，山體裂隙發(fā)育，下部為崩塌堆積區(qū)。經(jīng)調(diào)查，山體存在較多大塊危巖體，裂縫多張開(kāi)達(dá)20 cm，且無(wú)充填物，最大塊危巖體體積達(dá)25 m3，仍有進(jìn)一步發(fā)生落石災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，亟需進(jìn)行防護(hù)以確保高速公路通行安全。

2 落石防護(hù)數(shù)值模擬分析

2.1 落石運(yùn)動(dòng)軌跡模擬

采用加拿大Rocscience公司的RocFall軟件對(duì)已發(fā)生的落石災(zāi)害進(jìn)行反演分析，采用剛體法進(jìn)行分析，其基本假定有：

(1)考慮落石外形尺寸和質(zhì)量對(duì)運(yùn)動(dòng)特征的影響。

(2)所有巖塊彼此獨(dú)立，僅與坡面和阻擋物發(fā)生碰撞。

(3)模擬過(guò)程中的落石質(zhì)量為恒定常量，不發(fā)生碎裂等質(zhì)量損失情況。

(4)模擬過(guò)程中不考慮空氣阻力的影響。

(5)斜坡概化成連續(xù)線段，不與剖面線相交，阻擋物和數(shù)據(jù)采集的位置概化為獨(dú)立直線段。

Rocfall軟件在模擬過(guò)程中遵循如下規(guī)律：

(1)當(dāng)斜坡面由陡變緩時(shí)，落石原來(lái)的運(yùn)動(dòng)模式不變，但在轉(zhuǎn)折點(diǎn)會(huì)因運(yùn)動(dòng)方向改變而引起速度減小，在此不考慮轉(zhuǎn)折點(diǎn)的阻力作用。

(2)當(dāng)斜坡面由緩變陡時(shí)，落石原有的運(yùn)動(dòng)方式(如滾動(dòng)或滑動(dòng)模式運(yùn)動(dòng))將改變?yōu)閺椞\(yùn)動(dòng)模式。

(3)當(dāng)斜坡面法向恢復(fù)系數(shù)較大而導(dǎo)致落石不能繼續(xù)彈跳時(shí)(如法向計(jì)算速度為零或負(fù)值)，落石將從彈跳模式轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)或滑動(dòng)模式。

(4)兩計(jì)算點(diǎn)間的坡面具有相同的傾角和摩擦系數(shù)。若有不同，則必須分段計(jì)算。

2.2 坡面定義及參數(shù)確定

本文采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維地形建模，通過(guò)模型切取特征剖面進(jìn)行分析計(jì)算。如圖1和圖2所示。

圖2 計(jì)算典型斷面圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，將整個(gè)落石運(yùn)動(dòng)影響坡段分為五段，分別為基巖出露≥65°段、崩積體薄層覆蓋段、混凝土路面段、基巖出露45°～65°段以及基巖出露<45°段。

落石在坡面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同性質(zhì)的坡面對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)特征有很大的影響。計(jì)算涉及到的參數(shù)一般包含：

(1)碰撞恢復(fù)系數(shù)，包含法向、切向兩個(gè)值。分別影響落石與坡面發(fā)生碰撞后的動(dòng)能損失。

(2)坡面摩擦角度，影響石塊在坡面上滑移特征。

(3)粗糙度，用坡面線段傾角的標(biāo)準(zhǔn)差表示。用來(lái)模擬坡面凹凸不平的特性，影響落石與坡面碰撞以后的回彈角度。

恢復(fù)系數(shù)對(duì)落石軌跡模擬的影響非常敏感，0.01的差距也可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的差異。初始模擬時(shí)應(yīng)首先根據(jù)坡面特征選取合適的參數(shù)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及落石歷史事件的記錄對(duì)初始模擬結(jié)果進(jìn)行擬合分析，不斷調(diào)整該系數(shù)的取值，直到模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及落石歷史事件的結(jié)果吻合或相近，以獲得可靠度較高的模擬結(jié)果。

2.3 落石事件反演分析

根據(jù)6.3落石事件的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，擬定落石為(3×3×5)m3長(zhǎng)方體(小半徑圓角)，巖體密度為2.5 t/m3，模擬1 000次隨機(jī)落石，重現(xiàn)結(jié)果如下：

2.3.1 落石軌跡及分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，落石在從山體滾落侵入道路范圍以后第一落點(diǎn)為公路靠山體側(cè)邊溝附近，隨即發(fā)生水平滑動(dòng)并碾壓穿越中央護(hù)欄至道路對(duì)側(cè)，將對(duì)側(cè)公路行駛中的車輛一同撞擊到對(duì)側(cè)山體挖方邊坡隨即停止。根據(jù)這一情況的反演，經(jīng)過(guò)反復(fù)修正調(diào)整坡面相關(guān)參數(shù)，得到1 000次隨即落石的運(yùn)行軌跡圖(圖3)。從圖3中可知，在邊坡中上部落石運(yùn)動(dòng)軌跡遠(yuǎn)離坡面，說(shuō)明該段落石運(yùn)動(dòng)主要為彈跳運(yùn)動(dòng)。邊坡下部崩積體薄層覆蓋段落石軌跡多與坡面貼近，可以判斷該段落石運(yùn)動(dòng)以滾動(dòng)或者滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)為主。結(jié)合落石大型長(zhǎng)方體的幾何形態(tài)以及堆積體表面植被與土層覆蓋的特征，本項(xiàng)目該段落石運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖3 落石軌跡參數(shù)示意圖

如圖4所示反映出落石終止位置的分布，1 000次反演試算中，有超過(guò)60%的次數(shù)與顯示接近，說(shuō)明反演分析是有效的。

圖4 落石終止位置分布圖

2.3.2 落石運(yùn)動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)

落石沿坡面滾落時(shí)，最大速度達(dá)31 m/s(可靠度95%)，位于落石路徑上部第三次彈跳前，之后呈逐步降低的趨勢(shì)，如圖5所示。

圖5 落石運(yùn)動(dòng)速度沿坡面位置分布圖(可靠度95%)

落石沿坡面滾落，最大動(dòng)能達(dá)55 000 kJ(可靠度95%)，位置與速度最高點(diǎn)一致，變化趨勢(shì)隨碰撞次數(shù)增加而減小，如圖6所示。

圖6 落石動(dòng)能沿坡面分布圖(可靠度95%)

2.3.3 落石至災(zāi)瞬間的運(yùn)動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)

在道路中心線位置附近設(shè)置數(shù)據(jù)采集器，采集落石致災(zāi)瞬間的運(yùn)動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

落石擊中車輛前，瞬時(shí)速度達(dá)10.7 m/s(可靠度95%)，如圖7所示。

圖7 落石擊中車輛前的速度統(tǒng)計(jì)分析曲線圖(累計(jì)頻率95%)

落石擊中車輛前，瞬時(shí)動(dòng)能達(dá)6 403.6 kJ(可靠度95%)，如圖8所示。

圖8 落石擊中車輛前的動(dòng)能統(tǒng)計(jì)分析曲線圖(累計(jì)頻率95%)

2.3.4 坡面設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)值

計(jì)算以軟件的推薦值為參考，根據(jù)實(shí)地勘察情況進(jìn)行修正，并反復(fù)試算以重現(xiàn)落石事件運(yùn)動(dòng)軌跡，微調(diào)模型設(shè)計(jì)參數(shù)，確定坡面分段的特征參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 反演分析最終確定的計(jì)算參數(shù)值表

3 落石防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)落石數(shù)值模擬的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，落石在距離道路邊界以外50 m范圍內(nèi)進(jìn)入動(dòng)能衰減區(qū)，且運(yùn)動(dòng)軌跡離坡面較近，彈跳較小，是設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)攔截落石的有利區(qū)域。分別在距離道路邊界20 m、10 m的B、C處設(shè)置數(shù)據(jù)采集器，采集落石運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表2。

表2 各擬建防護(hù)位置落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

分析上述數(shù)據(jù)，按照95%保證率，目前市場(chǎng)上單道攔石網(wǎng)的最大設(shè)防等級(jí)為5 000 kJ，均無(wú)法滿足防護(hù)要求。考慮在B、C位置分別設(shè)置一道6 m高的5 000 kJ攔石網(wǎng)，進(jìn)行連續(xù)攔截。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況，考慮對(duì)已調(diào)查高度在相對(duì)路面約140 m的危巖單塊最大體量25 m3進(jìn)行設(shè)防，并考慮對(duì)已有落石點(diǎn)以上至距路面高差200 m坡面存在的潛在危巖體進(jìn)行設(shè)防，歸納三種工況進(jìn)行設(shè)防校核(見(jiàn)表3)。

表3 典型危巖工況表

利用RocFall軟件，分別對(duì)每種工況進(jìn)行1 000次隨機(jī)落石模擬，對(duì)每種工況的每一道攔石網(wǎng)保證設(shè)計(jì)安全的保證率進(jìn)行分析計(jì)算，由此可計(jì)算出各工況下各攔石網(wǎng)位置落石的設(shè)計(jì)沖擊動(dòng)能(見(jiàn)表4)。

表4 各工況下各攔石網(wǎng)位置落石的設(shè)計(jì)沖擊動(dòng)能一覽表(考慮連續(xù)攔截)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，考慮設(shè)計(jì)2道攔石網(wǎng)連續(xù)攔截，每種工況中1 000個(gè)隨機(jī)落石樣本，突破第2層防線侵入道路的樣本數(shù)量極少(工況1約為0.6%)。將三種工況合并統(tǒng)計(jì)，該方案整體的理論保證率約為99.35%。

以上僅為理論分析的設(shè)防保證率，并未將地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模型及攔石網(wǎng)的施工安裝準(zhǔn)確度的不確定性考慮在內(nèi)，進(jìn)一步對(duì)方案的可靠度進(jìn)行分析如下：

(1)參照UNI 11211標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法[7]，設(shè)計(jì)保證率應(yīng)不低于95%。根據(jù)數(shù)值模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在工況1中，實(shí)際沖擊到攔石網(wǎng)C的樣本數(shù)量為367個(gè)，其中累計(jì)頻率為95%的速度為V95=8.68 m/s。

(2)根據(jù)前述設(shè)計(jì)計(jì)算公式，可確定落石的設(shè)計(jì)速度為Vd=9.12 m/s，設(shè)計(jì)質(zhì)量為Md=79 537.50 kg，則設(shè)計(jì)沖擊動(dòng)能為Ed=3 307.90 kJ。

(3)攔石網(wǎng)B的標(biāo)稱最大防護(hù)能級(jí)為5 000 kJ，按照極限承載力狀態(tài)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)防護(hù)能級(jí)為Bd=4 167 kJ，大于落石的設(shè)計(jì)沖擊動(dòng)能。

綜上計(jì)算及分析，采用2道5 000 kJ被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，可有效攔截重達(dá)75 t的落石，其設(shè)計(jì)保證率≥95%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文借助無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影建模技術(shù)以及落石防護(hù)數(shù)值模擬分析軟件，對(duì)落石災(zāi)害發(fā)生過(guò)程進(jìn)行反演，獲取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。經(jīng)過(guò)科學(xué)的驗(yàn)算，在考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，采用設(shè)置2道防護(hù)能級(jí)為5 000 kJ，攔截高度為6 m的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行攔截防護(hù)，可為今后類似項(xiàng)目提供工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。