某公路邊坡落石形成條件及運(yùn)動(dòng)特性研究

李亨，舒?zhèn)ジ?，謝力歡，郭代泉，袁明

（四川志德巖土工程有限責(zé)任公司，四川成都 610094）

0 引言

落石是指陡峻斜坡上的個(gè)別巖石塊體在重力和其他外力作用下，突然向下滾落的一種很常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1-3]，尤其在我國(guó)西部山區(qū)（云南、貴州、四川、西藏、重慶）隨處可見(jiàn)。落石一旦發(fā)生，造成的危害不亞于泥石流和滑坡。小規(guī)模的落石災(zāi)害會(huì)對(duì)鐵路、公路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)影響[4-6]，大規(guī)模的落石災(zāi)害不僅會(huì)嚴(yán)重威脅到建筑物[7]，還會(huì)造成人員傷亡、較大的經(jīng)濟(jì)損失。研究落石的形成條件、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)落石防治方案的選擇以及優(yōu)化具有重要意義。

1 邊坡特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，某公路邊坡上部坡表植被發(fā)育，下部基巖裸露，坡腳落石堆積。該邊坡總體上緩下陡，總體高度360.51m，水平長(zhǎng)度479.21m，總體平均坡度約37°。邊坡從上至下劃分為AB、BC……HI 命名的坡段共8 段，邊坡剖面線(xiàn)如圖1 所示，邊坡坡面模型見(jiàn)圖2，邊坡坡段破表特征見(jiàn)表1。

圖1 邊坡現(xiàn)狀

圖2 邊坡坡面模型

表1 邊坡坡面特征

2 落石形成條件

2.1 地形地貌

一般邊坡高度越高、邊坡坡度角越大越容易發(fā)生落石，同時(shí)落石的規(guī)模和強(qiáng)度也越大。大高差、大坡度的地形地貌為落石的產(chǎn)生和發(fā)展提供了較大的勢(shì)能條件。

2.2 地層巖性

該區(qū)域基巖多為石炭系下統(tǒng)諾錯(cuò)組（C1n）變細(xì)砂巖與板巖互層、前寒武系念青唐古拉群（Pt1-2Gn）片麻巖。這些巖石具有較大的抗剪強(qiáng)度以及抗風(fēng)化能力，能形成高峻的陡坡，并且其構(gòu)造節(jié)理或卸荷裂隙比較發(fā)育，為落石的形成提供了良好的外部條件。

2.3 風(fēng)化卸荷

裸露在地表大氣之中的巖石，在自然營(yíng)力的作用下不斷風(fēng)化，使巖層原有的裂隙擴(kuò)大、深度增加，巖層結(jié)構(gòu)由表及里受到破壞，邊坡巖體的穩(wěn)定性降低，最后可能導(dǎo)致危巖落石的發(fā)生。

在巖質(zhì)邊坡中，卸荷將引起臨空面附近巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，造成局部應(yīng)力集中。在邊坡卸荷過(guò)程中，張應(yīng)力集中帶形成一系列平行于邊坡的張裂隙，這些張裂隙將巖體分割成板狀，甚至薄板狀，板狀破裂進(jìn)一步發(fā)育后會(huì)失穩(wěn)形成落石。

3 邊坡穩(wěn)定性

邊坡下部出露基巖巖性為板巖，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和淺表生改造，以及公路施工人工開(kāi)挖邊坡的影響，巖體出露部分節(jié)理裂隙發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到兩組節(jié)理，節(jié)理面J1 產(chǎn)狀：104°∠80°；節(jié)理面J2產(chǎn)狀：313°∠41°，節(jié)理間距10～50cm；片理面L產(chǎn)狀：208°∠72°，層厚15～20cm；坡面產(chǎn)狀：73°∠53°。

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征，赤平投影分析如圖3 所示。

圖3 邊坡巖體穩(wěn)定性分析圖

由邊坡穩(wěn)定性分析可知，圖中坡面投影區(qū)穿越單滑面1、2、3，雙滑面12、13，墜落體G，故不在邊坡面上形成滑塌體，而只有雙滑面23 的滑塌形式是在邊坡臨空面出露滑塌體。從穩(wěn)定性系數(shù)分析得知，雙滑面23 的穩(wěn)定性系數(shù)為0.46，處于失穩(wěn)滑動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生掉塊、落石，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。

4 落石運(yùn)動(dòng)形式

按照落石的初始運(yùn)動(dòng)形式，將落石分為傾倒下落、滑移下落、直落三種形式；按照落石在邊坡上的運(yùn)動(dòng)形式，將落石分為飛落、碰撞、滾動(dòng)、滑動(dòng)四種形式。落石在邊坡上的運(yùn)動(dòng)形式一般不是單一的，而是以上運(yùn)動(dòng)形式的隨機(jī)組合（圖4）。

圖4 落石常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)形式組合

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育（圖5），隨著裂隙的擴(kuò)大，裂隙密度增大，裂隙深度增加。巖體在被裂隙切割后在一定條件下沿臨空面掉落形成落石，落石的啟動(dòng)方式以?xún)A倒與滑移為主。

圖5 邊坡裂隙發(fā)育

圖6 落石運(yùn)動(dòng)軌跡

5 落石運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)值模擬

采用Rockfall 軟件模擬該邊坡落石的運(yùn)動(dòng)，Rockfall 程序通過(guò)建立邊坡模型，輸入一些和邊坡與落石有關(guān)的基本參數(shù)，模擬出落石在邊坡上的運(yùn)動(dòng)軌跡、能量變化、彈跳高度變化，為邊坡的防護(hù)治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

邊坡坡面相關(guān)參數(shù)[8-9]見(jiàn)表2。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可以獲得落石在邊坡下落過(guò)程中的速度、彈跳高度、沖擊能量及其分布情況。通過(guò)數(shù)值模擬得到100 塊質(zhì)量為20kg 的落石運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6 所示，落石運(yùn)動(dòng)最終停止位置如圖7 所示，落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的彈跳高度如圖8 所示，落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的總動(dòng)能變化如圖9 所示。

圖7 落石運(yùn)動(dòng)停止點(diǎn)分布

圖8 落石彈跳高度變化

圖9 落石動(dòng)能變化

表2 落石運(yùn)動(dòng)模擬坡面參數(shù)

從 圖6可以看出，落石啟動(dòng)后以一定速度到 達(dá)B 點(diǎn)，B 點(diǎn)為落石運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)；在B—C 段落石的下滑分力較大，落石的運(yùn)動(dòng)形式為減速滑動(dòng)，到達(dá)變坡點(diǎn)C點(diǎn)后落石水平分力較大，飛離邊坡；在C—D 段落石以飛落的形式在邊坡上做斜拋運(yùn)動(dòng)，在D 點(diǎn)與邊坡發(fā)生碰撞；在D 點(diǎn)碰撞后，落石下滑力較大，在D—E 段的運(yùn)動(dòng)形式變?yōu)檠仄旅婕铀傧蛳禄瑒?dòng)，到達(dá)變坡點(diǎn)E；落石滑動(dòng)到變坡點(diǎn)E 處時(shí)水平分速度較大，直接以飛落運(yùn)動(dòng)形式在F點(diǎn)與邊坡再次發(fā)生碰撞；在F 點(diǎn)碰撞后，下滑力較小，落石的運(yùn)動(dòng)形式為減速滾動(dòng)，直至停止運(yùn)動(dòng)到G 點(diǎn)。

落石停止運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)水平距離為462.438m，其中60%的落石停止運(yùn)動(dòng)的水平距離為433.686m，落石停止運(yùn)動(dòng)的距離在坡腳與公路之間，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果完全一致。在落石彈跳運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)水平距離為354.616m 時(shí)，落石彈跳高度達(dá)到最大值9.70m。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，落石所具有的最大動(dòng)能為27064.78J，此時(shí)水平距離為383.369m。

剛性防治技術(shù)包括落石槽、圬工攔石墻、攔石堤、攔石柵欄、避讓帶等。剛性攔石墻具備施工簡(jiǎn)單、可就地取材的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，建議在該邊坡坡腳采用剛性擋墻的防治措施（圖10）。

圖10 剛性擋墻防治示意圖

6 結(jié)論

（1）該邊坡總體上緩下陡，局部達(dá)53°，邊坡上部坡表植被發(fā)育，下部裸露基巖為板巖，由于風(fēng)化卸荷作用，將巖體分割成板狀，甚至薄板狀，板狀破裂進(jìn)一步發(fā)育后會(huì)失穩(wěn)形成落石，故邊坡坡腳落石堆積。

（2）赤平投影分析結(jié)果表明，邊坡最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)為0.46，處于失穩(wěn)滑動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生掉塊、落石，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。

（3）按照落石的初始運(yùn)動(dòng)形式，可將落石分為傾倒下落、滑移下落、直落三種形式；按照落石在邊坡上的運(yùn)動(dòng)形式，可將落石分為飛落運(yùn)動(dòng)、碰撞運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)、滑動(dòng)四種形式。落石在邊坡上的運(yùn)動(dòng)形式一般不是單一的，而是以上運(yùn)動(dòng)形式的隨機(jī)組合。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果表明，落石停止運(yùn)動(dòng)的距離在坡腳與公路之間。 落石停止運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)水平距離為462.438m，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大彈跳高度為9.70m，具有的最大動(dòng)能為27064.78J，建議在坡腳采用剛性擋墻的防治措施。