邊坡滾石風(fēng)險(xiǎn)分析與防治技術(shù)

【摘 要】某邊坡滾石嚴(yán)重威脅工程施工期和運(yùn)行期的安全，需對(duì)不同程度的邊坡滾石風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，運(yùn)用Rocfall數(shù)值模擬方法進(jìn)行滾石風(fēng)險(xiǎn)分析。分析結(jié)果表明：邊坡發(fā)生滾石風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)下部帶來較大安全隱患，需對(duì)邊坡滾石進(jìn)行防治處理；根據(jù)分析評(píng)價(jià)結(jié)果，邊坡采取防治措施后，有效控制了邊坡滾石、降低了邊坡滾石危險(xiǎn)，確保了工程施工期及永久運(yùn)行期安全。

【關(guān)鍵詞】邊坡滾石風(fēng)險(xiǎn)； 分析； 防治

【中圖分類號(hào)】P642.21【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 概述

1.1 滾石危害闡述

滾石是山坡巖石塊體在自然或人為擾動(dòng)下出現(xiàn)的一類常見地質(zhì)危害，是指部分巖塊脫離邊坡原有巖石母體，突然從陡峭山坡上崩落，并順坡猛烈翻滾、跳躍，最后堆落在山腳或阻礙物上。滾石危害的發(fā)生具有很強(qiáng)的突發(fā)性，危害較大，甚至直接危及到工程施工人員、設(shè)備及建筑物的安全，影響工程建設(shè)的正常進(jìn)行。因此在邊坡治理工程中必須對(duì)可能發(fā)生的滾石危害進(jìn)行認(rèn)真分析研究，做出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，并采取有效的防治措施。

1.2 長河壩水電站的邊坡滾石危害

長河壩水電站位于四川省甘孜州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)的第10級(jí)電站，以單一發(fā)電為主的大型水庫電站。電站泄洪放空系統(tǒng)進(jìn)、出口環(huán)境邊坡高陡，均為山脊、懸崖，巖石裸露、破碎，巖體裂隙發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重，由發(fā)育危巖體、不利裂隙結(jié)構(gòu)面及拉裂體組合，存在危石集中區(qū)、確定性危石集中區(qū)和半確定性危石集中區(qū)。邊坡危石見圖1。

本文結(jié)合長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)高陡環(huán)境邊坡，運(yùn)用Rocfall數(shù)值模擬方法，針對(duì)不同區(qū)域滾石形成情況，分別對(duì)滾石的下落能量、下落回彈高度、下落平移速度、跳高分布進(jìn)行分析，根據(jù)分析評(píng)價(jià)結(jié)果，采取危石清撬、加固、阻擋等綜合防治措施，有效控制了邊坡滾石危害的發(fā)生，降低了邊坡滾石危險(xiǎn)。

2 邊坡滾石Rocfall數(shù)值模擬分析

長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡滾石問題采用Rocfall數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。Rocfall是用于分析陡峭邊坡滾石風(fēng)險(xiǎn)的軟件，運(yùn)用動(dòng)能和滾石軌跡確定保護(hù)的范圍和保護(hù)措施。邊坡滾石Rocfall軟件模擬分析見圖2。

2.1 Rocfall數(shù)值模擬原理

邊坡上部危石塊體相對(duì)邊坡中下部具有很強(qiáng)的勢(shì)能，危石在自然應(yīng)力或人為擾動(dòng)的作用下脫離母巖，并從靜止開始向下運(yùn)動(dòng)，變成滾石，速度以重力加速度增長，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，當(dāng)滾石與坡面接觸發(fā)生反彈，根據(jù)坡面接觸點(diǎn)的法向彈性系數(shù)和切向摩擦系數(shù)的不同，滾石的彈跳高度亦不同。此時(shí)，接觸坡面對(duì)滾石產(chǎn)生消能作用，致使?jié)L石動(dòng)能衰減，直至滾石停留、動(dòng)能為零［1］。整個(gè)過程遵循能量轉(zhuǎn)化守恒定律。

2.2 Rocfall建模及參數(shù)確定

運(yùn)用Rocfall數(shù)值模擬前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)典型坡面進(jìn)行實(shí)測(cè)，明確最可能發(fā)生的滾石運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)和滾石運(yùn)動(dòng)帶，采用AutoCAD按照1∶1 000比例繪制出坡面線，二維模型直接導(dǎo)入RocFall軟件，再對(duì)坡面線的不同段落情況賦予相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，在交互式窗口輸入各坡段的物理力學(xué)參數(shù)，為滾石模擬軌跡的計(jì)算做準(zhǔn)備。

2.2.1 滾石參數(shù)確定

滾石的彈跳高度和速度可按邊坡巖體及堆積物類型確定，把邊坡簡(jiǎn)化為折線型，取巖塊可能滑落的最危險(xiǎn)位置計(jì)算。巖塊和坡面碰撞后的速度衰減用法向彈性系數(shù)Rn和切向摩擦系數(shù)Rt確定，Rn和Rt的選用值根據(jù)表1、表2確定。

2.2.2 確定滾石初始狀態(tài)

坡面上的危石滾落由于失穩(wěn)前的位移為長期積累，其初始速度一般很小，所以，在運(yùn)用Rocfall軟件計(jì)算時(shí)，不考慮隨機(jī)因素的影響，取參數(shù)的均值進(jìn)行計(jì)算。危石脫離坡面后，以初始速度為零作自由落體運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 滾石軌跡模擬計(jì)算

根據(jù)實(shí)測(cè)建立的坡面模型，對(duì)局部凸起位置，擬定出多個(gè)滾石點(diǎn)，在整個(gè)坡面的頂部擬定滾石運(yùn)動(dòng)帶，對(duì)一個(gè)滾石點(diǎn)擬定一定數(shù)量的滾石，初步進(jìn)行計(jì)算分析，確定最危險(xiǎn)的滾石集中區(qū)和最大的滾石彈跳高度。模擬設(shè)置一道攔截設(shè)施，再進(jìn)行軟件分析，通過多次攔截位置的選取，進(jìn)行分析計(jì)算對(duì)比，確定滾石集中區(qū)最佳攔截位置和防護(hù)措施［2］。

2.3 邊坡典型坡面滾石分析

根據(jù)典型邊坡示意圖，分別在邊坡局部凸起的位置設(shè)置滾石運(yùn)動(dòng)帶，其中A、B區(qū)域的落石在AB，BC之間的凹槽堆積，不會(huì)向下方繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，但C區(qū)的滾石將會(huì)向下運(yùn)動(dòng)到坡底，對(duì)C區(qū)以下施工及建筑物等帶來嚴(yán)重威脅。典型邊坡示意見圖3。

運(yùn)用Rocfall數(shù)值模擬對(duì)邊坡典型部位滾石的下落回彈高度、下落能量、下落平移速度、跳高分布等主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。邊坡滾石下落回彈高度、下落能量、下落平移速度、跳高分布計(jì)算分析見圖4～圖7。

經(jīng)Rocfall軟件計(jì)算分析，邊坡C處的滾石在坡面下部運(yùn)動(dòng)，速度較大，運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)，很容易危及坡下施工及建筑物等，因此必須采取措施防治。邊坡滾石攔截示意見圖8。

3 邊坡滾石綜合防治技術(shù)

通過對(duì)環(huán)境邊坡滾石的計(jì)算分析表明，環(huán)境邊坡滾石問題較為突出，危害較大，必須采取有效的防治技術(shù)進(jìn)行消除。通過模擬計(jì)算和多種防治措施對(duì)比，采取坡面危石清理、設(shè)置主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)擋墻、錨噴加固等防治措施可有效避免和減少邊坡滾石的發(fā)生。

3.1 坡面危石清理

對(duì)環(huán)境邊坡進(jìn)行實(shí)地踏勘，掌握邊坡危石區(qū)分布，并根據(jù)滾石數(shù)值模擬分析確定滾石崩落可能危害的范圍，采取人工自上而下清撬方式清理坡面上可影響到施工區(qū)、建筑物上部邊坡范圍的危石、松動(dòng)巖塊及松散堆積體，減少邊坡危石數(shù)量，降低邊坡滾石發(fā)生概率。

3.2 多級(jí)主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

根據(jù)長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡實(shí)際工程應(yīng)用，經(jīng)綜合分析，針對(duì)大面積危石群、無法或不能完全清理的危石區(qū)域，采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行覆蓋、包裹坡面危石，多級(jí)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截坡面滾石，可有效減少和降低了邊坡滾石的發(fā)生，確保了工程施工期和永久運(yùn)行期的安全。

主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)是以鋼絲繩網(wǎng)為主的柔性網(wǎng)，主要包括鋼絲網(wǎng)、支撐繩、錨桿，覆蓋包裹在所需防護(hù)危巖坡面上，以限制坡面危巖剝落、崩塌，或?qū)⑽Ｊ瘒o(hù)控制于一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，原理類似于噴錨和土釘墻等面層護(hù)坡體系，由于其柔性可承受較大下滑力，并且可將局部集中下滑力向四周均勻傳遞，因此能保持原坡面形態(tài)和特征，同時(shí)還能抑制邊坡遭受進(jìn)一步的風(fēng)化剝蝕，對(duì)坡面形態(tài)特征無特殊要求。主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用見圖9。

被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)由鋼絲繩網(wǎng)、高強(qiáng)度鐵絲格柵網(wǎng)、錨桿、工字鋼柱、上下拉錨繩、消能環(huán)、底座及上下支撐繩等部件構(gòu)成［3］。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)由鋼柱和鋼繩網(wǎng)聯(lián)結(jié)組合構(gòu)成一個(gè)整體，其作用原理是以其柔性和強(qiáng)度分散、消減傳遞至系統(tǒng)上的落石沖擊動(dòng)能，對(duì)所防護(hù)的區(qū)域形成坡面防護(hù)，從而攔截坡面滾石，起到邊坡防護(hù)的作用。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用見圖10。

3.3 防護(hù)擋墻

長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)進(jìn)出口邊坡實(shí)際地形存在多條天然沖溝，沖溝范圍存有危石及松散堆積體，清理難度及

工程量大，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，結(jié)合實(shí)際地形，在沖溝坡面較緩、擴(kuò)口較大部位設(shè)置混凝土或鋼支撐防護(hù)擋墻，可有效攔擋上部坡面滾落的危石，控制沖溝內(nèi)松散堆積體的下滑，確保下部施工的安全。

3.4 單個(gè)危石錨噴加固

長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)進(jìn)出口環(huán)境邊坡巖體裸露，邊坡局部有較大危石，無法進(jìn)行清撬處理，為防止危石進(jìn)一步脫離母巖、發(fā)生滾石危害，采取設(shè)置錨筋束、錨桿、掛網(wǎng)噴護(hù)及框格梁等方式對(duì)危石進(jìn)行綜合加固［4］。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)高陡環(huán)境邊坡工程實(shí)例，運(yùn)用Rocfall數(shù)值模擬計(jì)算分析方法，對(duì)邊坡滾石風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并采取相應(yīng)措施對(duì)邊坡滾石進(jìn)行了有效防治，確保了邊坡穩(wěn)定和工程施工安全。

（1）根據(jù)Rocfall數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果，長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡存在一定的滾石風(fēng)險(xiǎn)，且滾石風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)下部施工及建筑物帶來極大的安全隱患。通過數(shù)值模擬分析，可確定滾石的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行多次模擬計(jì)算，可確定滾石的運(yùn)動(dòng)范圍和最佳攔截防護(hù)位置。

（2）針對(duì)長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡高滾石風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，結(jié)合工程實(shí)際地形、地質(zhì)等特點(diǎn)，采取“不同區(qū)域、不同類型、分別處理、綜合處理”的原則，采取危石清撬、主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)擋墻、錨噴加固等綜合防治措施，有效減少了危石數(shù)量，避免和降低了邊坡滾石的發(fā)生，滾石危害得到了有效防治，確保了工程施工安全和邊坡穩(wěn)定。

（3）經(jīng)工程實(shí)踐證明，長河壩水電站泄洪放空系統(tǒng)環(huán)境邊坡滾石風(fēng)險(xiǎn)分析及防治技術(shù)可應(yīng)用于其他類似工程中。

參考文獻(xiàn)

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［作者簡(jiǎn)介］張?jiān)?985—），男，本科，高級(jí)工程師，從事水利水電、市政、給排水工程技術(shù)及管理工作。