基于rocfall 數(shù)值模擬的危巖落石路徑分析

葛莎GE Sha；龔源GONG Yuan

（①湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101；②廣西保利置業(yè)集團(tuán)有限公司，南寧 530022）

0 引言

危巖落石常存在高陡邊坡，是我國(guó)常見地質(zhì)災(zāi)害類型之一，巖質(zhì)高邊坡因其裂隙和結(jié)構(gòu)面的發(fā)育，易造成危巖崩塌災(zāi)害現(xiàn)象。我國(guó)沿海地區(qū)危巖容易受氣候的影響，危巖崩塌災(zāi)害的頻發(fā)已成為普遍現(xiàn)象。危巖崩塌的突發(fā)性和災(zāi)害性，常造成嚴(yán)重后果，帶來(lái)人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而公路隧道巖質(zhì)高邊坡的分析和防護(hù)更成為現(xiàn)階段人們重視的問題，越來(lái)越多的學(xué)者研究落石災(zāi)害的發(fā)生和防治[1-3]。本文結(jié)合深圳市新彩隧道口巖質(zhì)高邊坡危巖，針對(duì)公路巖質(zhì)高邊坡危巖崩塌滾石路徑進(jìn)行計(jì)算，并采用rocfall 軟件，對(duì)落石路徑進(jìn)行模擬，針對(duì)地區(qū)工程特點(diǎn)，提出采用嵌入式光纖復(fù)合FRP 智能錨桿智能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行危巖監(jiān)測(cè)與防護(hù)。為南部沿海地區(qū)危巖的防治提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

新彩隧道南側(cè)洞口邊坡位于深圳市福田區(qū)梅林關(guān)自然山體南麓，所在位置地理坐標(biāo)為：X=23493.12；Y ＝115294.63（深圳獨(dú)立坐標(biāo)）。新彩隧道南進(jìn)洞口受人工采石或修建邊坡等影響，地形坡度陡峭，在55～80°間，平均坡度63°，洞頂平臺(tái)寬約18m，坡面揭露中～微風(fēng)化花崗巖，因巖體不利結(jié)構(gòu)面影響，易發(fā)生崩塌落石。項(xiàng)目區(qū)僅出露了第四系地層，該區(qū)基巖揭露為白堊紀(jì)侵入巖。

1.2 巖體特征

新彩隧道南側(cè)洞口邊坡隧道圍巖完整性：強(qiáng)風(fēng)化巖屬極破碎巖、中等（弱）風(fēng)化巖屬于破碎巖，微風(fēng)化巖屬于較完整巖。該巖質(zhì)高邊坡已發(fā)生崩塌危巖帶不少于3 處，危巖帶1 位于新彩隧道左側(cè)下部，分布高程110.0m～152.0m，最大高差52m。危巖帶2 位于新彩隧道左側(cè)上部陡崖，分布高程160.0m～193.0m，最大高差33m。危巖帶3位于新彩隧道中央上部陡崖，分布高程145.0m～193.0m，最大高差48m。三個(gè)危巖帶均屬于墜落式危巖，多呈塊狀。危巖帶崩塌體堆積于隧道洞頂平臺(tái)，排水溝內(nèi)有多塊落石，新彩隧道邊坡順坡向結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，易沿順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)生崩塌。隧道洞頂平臺(tái)處5m 高處設(shè)置SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

2 滾石運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察得到邊坡巖質(zhì)主要為微風(fēng)化粗?；◢弾r，其密度為2.58～2.64×103kg/m3，假設(shè)風(fēng)化落石質(zhì)量100kg，落石體積約為0.038m3，在模擬過程中采用球體模型，轉(zhuǎn)換可得其等效直徑約為42cm。由于落石的運(yùn)動(dòng)路徑與落石形狀、落石質(zhì)量、落石材料、坡面傾角、坡面材料和坡面植被情況等條件有關(guān)。運(yùn)用構(gòu)建的落石運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法，計(jì)算落石運(yùn)動(dòng)路徑，選取右側(cè)洞口邊邊坡為代表，假設(shè)其風(fēng)化落石位于邊坡坡頂。隧道右線仰坡斷面落石運(yùn)動(dòng)計(jì)算參數(shù)及運(yùn)動(dòng)路徑計(jì)算結(jié)果如表1、表2。

表1 隧道右線仰坡斷面落石運(yùn)動(dòng)計(jì)算參數(shù)

表2 隧道右線仰坡斷面落石運(yùn)動(dòng)路徑計(jì)算結(jié)果

其失穩(wěn)方式為非直落式，風(fēng)化巖塊從坡面上剝落，并沿著坡面17～9 開始滾滑下墜。在隧道洞頂平臺(tái)9～5 上發(fā)生第一次碰撞消耗能量，并開始向上斜拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行空中飛行階段。飛躍過隧道洞口后，落在洞口道路節(jié)點(diǎn)2～1 上，發(fā)生第二次碰撞并產(chǎn)生彈跳，進(jìn)入第二次向上斜拋運(yùn)動(dòng)。落地后落石動(dòng)能消耗，在此面上發(fā)生落石滾動(dòng)，由于摩擦系數(shù)較大，路面平緩，所以不會(huì)再有彈跳。

3 數(shù)值模擬分析

Rocfall 落石路徑模擬軟件可以對(duì)風(fēng)化落石剝落后對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行全程模擬，通過圖表對(duì)落石的總動(dòng)能變化趨勢(shì)、運(yùn)動(dòng)速度變化趨勢(shì)等進(jìn)行直觀的展現(xiàn)。采用Rocfall軟件進(jìn)行數(shù)值模擬前，要盡可能明確其落石點(diǎn)或落石帶，方可將剖面地形線文件導(dǎo)入Rocfall 軟件，對(duì)地形線不同段落賦予相應(yīng)的參數(shù)。

3.1 參數(shù)確定

由于坡面上的巖塊存在風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙，經(jīng)過雨水的沖刷或者巖體的差異性風(fēng)化作用下會(huì)產(chǎn)生變形。當(dāng)變形發(fā)展到一定程度時(shí)，巖塊就會(huì)失穩(wěn)剝落。由于失穩(wěn)前的位移是長(zhǎng)期積累的，因此巖塊剝落時(shí)的初始速度一般忽略不計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，將邊坡分為三部分，分別進(jìn)行取值。第一部分為邊坡坡面取值：切向摩擦系Rt 取值0.9，法向摩擦系數(shù)Rn 取值0.4，滾動(dòng)摩擦角Phi 取值26。第二部分為隧道洞頂平臺(tái)取值：切向摩擦系Rt 取值0.85，法向摩擦系數(shù)Rn 取值0.35，滾動(dòng)摩擦角Phi 取值30。第三部分為隧道削竹式洞口及行車道：切向摩擦系Rt 取值0.95，法向摩擦系數(shù)Rn 取值0.45，滾動(dòng)摩擦角Phi 取值24。

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)建立好的邊坡剖面圖模型，設(shè)置落石帶（lineseeder）用于模擬整個(gè)坡面上的落石情況。擬定落石數(shù)量為50，現(xiàn)場(chǎng)在隧道坡頂平臺(tái)處有一道5m 高SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，根據(jù)實(shí)際情況添加一道5m 高攔阻進(jìn)行數(shù)值模擬分析危巖失穩(wěn)崩塌時(shí)落石軌跡，以確定邊坡安全性。以右側(cè)隧道仰坡為典型代表，選取的代表剖面的隧道中線剖面。

落石總計(jì)模擬50 塊，其中有3 塊落石落在隧道洞頂平臺(tái)后停止運(yùn)動(dòng)，有40 塊落石被SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截后也停留在洞頂平臺(tái)處，最后有7 塊落石經(jīng)過反彈飛躍SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)落至行車道路上。

SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)處落石反彈高度分布圖如圖1。當(dāng)落石到達(dá)X=93.084 即SNS 被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)處時(shí)，有7 塊落石反彈高度超過5m 防護(hù)網(wǎng)的高度，其中最高達(dá)到6.81m。經(jīng)過此點(diǎn)后，落石飛躍防護(hù)網(wǎng)，落入隧道洞口機(jī)動(dòng)車道路上。

圖1 SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)處落石反彈高度分布圖

由圖2 可知，落石運(yùn)動(dòng)至105m 附近時(shí)，總動(dòng)能約為7.6×104J。碰撞到隧道洞頂平臺(tái)后總動(dòng)能減少，后經(jīng)反彈總動(dòng)能升高。飛躍防護(hù)網(wǎng)的落石在52m～68m 附近時(shí)與路面發(fā)生二次碰撞，動(dòng)能再次降低。碰撞后的落石由于繼續(xù)在路面上滾動(dòng)或彈跳，所以依舊存在動(dòng)能。

圖2 落石總動(dòng)能包絡(luò)圖

由圖3 可以得出，當(dāng)落石達(dá)到X=68.262 時(shí)，初次接觸到機(jī)動(dòng)車道，此時(shí)落石動(dòng)能約為2.8×104J～3.2×104J。

圖3 X=68.262 落石總動(dòng)能分布圖

由圖4 可知，在110m～150m 階段，落石巖邊坡表面下落，在落石達(dá)到X=110 之前，平移速度逐漸變大，到達(dá)此點(diǎn)時(shí)，平移速度達(dá)到全段最大值。在X=110 處落石與隧道洞頂平臺(tái)發(fā)生碰撞，碰撞后反彈至空中，此時(shí)在60m～110m 階段平移速度變大。到達(dá)X=60 處，平移速度達(dá)到階段最大值，此時(shí)落石與路面二次碰撞，平移速度減小。隨后落石延路面開始做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于摩擦力作用，平移速度逐漸變下，最后直至停止。

圖4 落石平移速度包絡(luò)圖

模擬發(fā)現(xiàn)，在危巖剝落的坡段上，落石通常先進(jìn)行貼坡下滑或傾倒下滑，然后碰撞反彈，部分落石SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截后停止運(yùn)動(dòng)，另一部分落石飛躍SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)繼續(xù)進(jìn)行飛行運(yùn)動(dòng)，飛入路面后再次碰撞、飛行、碰撞，如此反復(fù)直至停止根據(jù)模擬結(jié)果，隧道洞頂平臺(tái)處5m 高SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)已不足以攔擋所有落石，可以直觀地得出邊坡風(fēng)化落石已嚴(yán)重影響隧道過往車輛于行人。一旦邊坡發(fā)生風(fēng)化巖塊脫落，經(jīng)過滾滑運(yùn)動(dòng)，彈跳運(yùn)動(dòng)部分落石會(huì)出現(xiàn)飛躍SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的情況，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

4 FRP 錨桿智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

據(jù)數(shù)值模擬分析，邊坡發(fā)生風(fēng)化巖塊脫落，經(jīng)過滾滑運(yùn)動(dòng)，彈跳運(yùn)動(dòng)部分落石會(huì)出現(xiàn)飛躍SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的情況，所以要做好坡面的清理加固等防治措施。

采用嵌入式光纖復(fù)合FRP 智能錨桿智能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)測(cè)試設(shè)備、控制室設(shè)備、終端設(shè)備組成。根據(jù)邊坡坡面風(fēng)化落石的產(chǎn)生情況提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用鉆孔注漿的方式連接主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，通過監(jiān)測(cè)沿錨桿內(nèi)部的實(shí)時(shí)受力情況，反應(yīng)邊坡各區(qū)域危巖的風(fēng)化情況[4-5]。

單根錨桿依據(jù)測(cè)力點(diǎn)的埋深及超越閾值的測(cè)力點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)警級(jí)別的劃分。當(dāng)風(fēng)化落石形成后被主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)包裹，用于固定防護(hù)網(wǎng)的FRP 錨桿軸向受力增大，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)巖質(zhì)邊坡風(fēng)化落石生成情況的監(jiān)測(cè)報(bào)警。設(shè)置在邊坡下的控制室將寬帶光源將光信號(hào)通過傳輸電纜傳輸?shù)藉^桿中的光纖Bragg 光柵傳感器中，經(jīng)過反射回傳光纖光柵調(diào)解器中進(jìn)行光信號(hào)解調(diào)并被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)收集，收集后的數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行處理和分析，輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果和報(bào)警信號(hào)則由專用軟件完成[6]。監(jiān)測(cè)和報(bào)警信息可以通過局域網(wǎng)傳至隧道管理所和交警部門，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

5 總結(jié)

①新彩隧道南側(cè)洞口邊坡發(fā)育有危巖帶1、2、3 三組危巖帶，邊坡順坡向結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，隧道地帶一般發(fā)育多組構(gòu)造裂隙，由于受多組結(jié)構(gòu)面切割，巖質(zhì)邊坡上易形成孤石，其在自重及暴雨等作用下，易發(fā)生失穩(wěn)破壞，現(xiàn)已采用SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

②對(duì)右側(cè)洞口高邊坡采用滾石路徑分析，危巖失穩(wěn)方式為非直落式，風(fēng)化巖塊從坡面上剝落，滾石沿坡面17～9 開始滾滑下墜。采用rocfall 軟件進(jìn)行滾石路徑模擬，判斷落石通常先進(jìn)行貼坡下滑或傾倒下滑，然后碰撞反彈，部分落石SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截后停止運(yùn)動(dòng)，隧道洞頂平臺(tái)處5m 高SNS 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)已不足以攔擋所有落石。

③本項(xiàng)目擬采用嵌入式光纖復(fù)合FRP 智能錨桿智能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)邊坡坡面風(fēng)化落石的產(chǎn)生情況提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用鉆孔注漿的方式連接主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，可通過監(jiān)測(cè)沿錨桿內(nèi)部的實(shí)時(shí)受力情況，反應(yīng)邊坡各區(qū)域危巖的風(fēng)化情況。