球状风化花岗岩边坡滚石灾害防护设计研究

林镇，王浩，龚匡周，陈国俊(福州大学环境与资源学院，福建福州 350116)

球状风化花岗岩边坡滚石灾害防护设计研究

林镇，王浩，龚匡周，陈国俊
(福州大学环境与资源学院，福建福州 350116)

以闽东南典型球状风化花岗岩边坡滚石灾害为对象，采用工程地质分析与数值模拟相结合，研究边坡滚石的运动轨迹、停滞概率和冲击特性等成灾规律；模拟分析坡形坡率优化、平台缓冲介质和滚石拦挡措施的减灾机理和工程效果；最终提出一套系统的边坡滚石灾害防护设计方案.

边坡；滚石灾害；运动轨迹；冲击荷载；防治措施

0 引言

花岗岩是福建省广泛分布且占绝对优势的侵入岩种类，且区内花岗岩风化深度大，风化严重不均，球状不均匀风化岩核多有出露，形成“风动石”“石蛋群”“乱石岗”等特殊地貌，以闽东南沿海丘陵地区尤为突出[1].各种分布形态的孤石体出露于斜坡地表后，在工程开挖、坡表冲刷和周边震动等因素作用下易诱发边坡滚石地质灾害.由于风化球体具有一定的磨圆特性，其运动能力很强，当其沿着具有一定坡度的斜坡表面，经过滚动、回弹、跳跃或滑动等复杂的运动方式向坡底快速冲击时，伴随势能向动能的迅速转化，常具有行程远、轨迹复杂、冲击动能大等特点，一旦滚石运动范围内有人类活动或重要设施，可能产生较严重的边坡滚石灾害.

2000年以前，由于我省经济与基础设施发展的水平较低，对边坡滚石灾害主要以避让为主，较少采取主动式的防治工程措施；在全国范围内，边坡滚石灾害的研究成果也较少见；即使在国外，也缺少系统研究.2000年之后，随着我国基础设施不断向山区推进，以及对地质灾害防治工作的重视，边坡滚石灾害防治问题得到了不少有识之士的重视，杨志法较早倡导开展滚石灾害的系统性研究，并预计滚石问题的研究将很快成为工程地质力学研究新的热点[2].2008年，汶川地震诱发了大量的边坡滚石灾害，产生重大损失和广泛影响，这也推动了滚石灾害研究迅速成为工程地质界的研究热点.中科院地质所、中科院山地所、成都理工大学、重庆交通大学等单位迅速在滚石运动机理及滚石防治措施等方面展开研究，并取得了不少进展.黄润秋等[3]通过现场试验，采用数理统计等方法，将恢复系数和滚石运动加速度作为评价指标，分析影响滚石运动特征的六个因素，得出边坡植被和覆盖层特征对恢复系数起着控制作.边坡坡度是影响运动加速度的主要因素，其次是滚石形状、边坡植被特征和边坡坡面长度、滚石质量及滚石启动方式.何思明等[4]基于Hertz理论，考虑坡体的弹塑性变形特性，将滚石冲击转化为自由落体冲击的半无限体问题，运用有限元数值模拟技术，研究滚石对坡面法向与切向冲击特性，揭示滚石半径、滚石冲击速度对坡面土体动力响应的影响.张路青等[5]通过分析滚石灾害的影响因素，总结相应的灾害评价方法，并对19个滚石灾害点进行风险灾害评价.基于工程地质力学综合集成方法论(EGMS)，由实地调查、理论分析、专家经验等结合得到在困难条件下滚石发生频率的估算方法.但是，由于边坡滚石运动及其成灾模式十分复杂，滚石灾害防治的系统性科学理论还很不完善.

王浩等[1]较系统总结闽东南球状风化花岗岩不良地质的发育特征、形成原因及灾害特征，并重点对边坡滚石灾害特征开展了数值模拟和模型试验，初步形成一套滚石灾害防护设计的思路和方法.本文基于上述设计思想，以漳州开发区典型球状风化花岗岩边坡滚石灾害为案例研究对象，采用RocFall滚石计算评估软件对滚石的运动轨迹和滚石冲击荷载进行模拟研究和评估计算，确定其停滞范围、弹跳高度和冲击荷载等关键设计参数，探讨滚石边坡坡形设置原则、滚石灾害最佳防护位置、最优防护高度和防护措施选型等关键技术问题，最终确定滚石灾害防治对策与实施方案.

1 工程地质条件及滚石灾害特征

漳州开发区11号山西侧边坡位于友联船厂南侧约200 m处，该场地为丘陵地貌，边坡是人工开挖爆破形成，最高近80 m，坡度40°～80°，如图1所示.研究区属南亚热带海洋性季风气候，气候温暖湿润，降雨充沛，风化作用强烈.该边坡工程场区位于“闽东燕山断坳带”东侧与闽东沿海变质带相接触的中部，受NNE向长乐-南澳断裂带和近EW向南靖-厦门断裂带影响，区内构造形迹表现为断裂、裂隙为主和动力变质明显等特点，裂隙较为发育.边坡开挖面出露为燕山早期黑云母花岗岩，坡体上部为花岗岩全风化层及残坡积层，岩厚度约14 m；坡体中下部为强至微风化花岗岩，近坡表由于爆破扰动，局部岩体较破碎.

现场地质调查发现坡顶分布较大体积的球状风化孤石体，最大块体重量约3～4 t，密度以2.7～3 t·m-3为主.由于在中风化硬岩中爆破开挖形成了较陡的坡面，且开挖坡面经历了多年持续降雨的雨水冲刷、坡表侵蚀或局部坍塌，很多孤石在陡坡段经历搬运作用，或者形成欠稳定的探头孤石，对坡脚拟建厂区(征地红线仅位于现状坡脚10 m处)构成了较大的安全威胁，需要采取必要的滚石灾害防治措施.根据现场调查和测量结果，构建边坡滚石灾害工程地质模型，如图2所示.

2 滚石运动轨迹模拟

边坡滚石灾害防治首要解决的是滚石运动轨迹的估算问题，主要基于现场调查的结果，结合理论公式推导和数值模拟估算滚石的飞落距离、飞行高度和停滞范围等参数，为防护设计提供可靠的依据.由于地形、地貌条件以及坡面的地质力学性质的不同，滚石在运动过程中可能只有一种运动形式，也可能涉及到多种运动形式，主要包括自由飞落、碰撞弹跳、滚动以及滑动这4种运动形式[6].本文采用由加拿大Rocscience公司开发的RocFall滚石计算评估软件对滚石灾害隐患进行多组数值模拟.RocFall软件是采用刚体质点法开展滚石运动模拟的主流商业软件，其通过滚石质量的大小来间接反映滚石粒径的影响，以评估滚石运动轨迹及冲击能量，为进一步的防护工程设计提供依据.坡面上的危岩体往往存在构造裂隙和风化裂隙，在地下水的动、静水压力，岩体的不均匀风化、地震等自然营力作用下发生缓慢的变形，当这种变形积累到一定程度时，岩块就会松动失稳，从坡上滚落.

由于失稳前的位移值为长期积累，其初始速度一般很小，在利用RocFall软件进行计算时，不考虑随机因素的影响，假定滚石的初始速度为零；选择一边坡典型断面进行滚石运动全过程模拟，将构建好的断面模型导入RocFall软件；根据现场勘察资料，根据文献[6]法向和切向恢复系数进行取值，如表1所示；在坡顶拟定一滚石带，滚石体质量为3.5 t，随机地进行100组单体滚石的独立运动模拟并对结果进行统计分析，确定出最危险的滚石停滞区和最大的滚石弹跳高度(弹跳高度是滚石高于边坡面的相对高度).

由RocFall软件模拟计算所得，原始坡形的滚石运动轨迹，如图3所示.根据图3分析，滚石在坡顶边缘A点处失稳，由静止状态开始沿AB斜面向下滚动，滚动至C点临空抛射，在其自重的作用下，产生自由落体运动，竖直分速度迅速增大，与坡面CD中下段发生冲击碰撞；绝大部分滚石弹射至平台DE段，继续滚动形成抛射；最终，在边坡坡脚附近速度趋零，停止运动.

该边坡较高且坡面较平整，从而为滚石的运动提供了足够的势能和运动的空间.通过对滚石的弹跳高度以及水平运动距离进行统计分析，可获得滚石弹跳高度包络图和滚石停滞水平分布图，如图4～5所示.

根据图4分析，在距坡脚大约12 m处的坡面位置，滚石运动达到最大弹跳高度约7.0 m，坡脚附近的最大弹跳高度约4.5 m.根据图5分析，滚石水平方向运动的位移较远，70%以上的滚石最终停滞位置为距坡脚5～15 m处，最远滚动距离约20 m.通过以上分析可得，孤石发育区已经对坡脚的拟建建筑物(距坡脚10 m)产生很大的威胁，亟需治理这一隐患，以保障人身财产安全.

3 滚石冲击特性数值模拟

在进行滚石灾害防护设计时，另一个关键的问题是如何量化滚石施加在防护结构上的冲击荷载，它直接关系到防护类型的选用、防护结构尺寸拟定和结构设计等.我国公路和铁路隧道行业规范相关条文中对滚石冲击荷载仅规定参照有关经验算法确定，而未给出具体算法[7 -8].国内目前可参照的仅有公路路基设计规范、铁路行业隧道手册和杨其新等[9]提出的滚石冲击荷载算法及其改进模型，国外常用的是基于滚石现场冲击荷载试验的半经验半理论算法，如日本道路公团[10]、Labiouse等[11]推荐的算法.

考虑到现有冲击荷载算法假设条件繁多且局限性较大，对于复杂边坡滚石冲击荷载计算，容易产生较大的误差，因此现将采用RocFall软件多次数值模拟，比较分析以获得较为准确的冲击荷载大小.由RocFall软件模拟统计所得，原始坡形的滚石运动总能量包络图，如图6所示.

滚石在AB、CD和EF段运动，势能转化为动能，动能逐渐增加，在EF段之间，滚石能量达到峰值(约1 000 kJ)；滚石与BC、DE平台冲击碰撞后，由于平台缓冲作用，滚石能量产生明显衰减；在坡脚附近，滚石以高速度与坡面发生碰撞，坡面基岩较破碎，碰撞趋向完全非弹性碰撞，滚石总能量有较大折减(折减后约300 kJ)；最终，滚石在小幅度弹跳后，总能量逐渐趋于零，停滞于坡脚附近.

4 边坡滚石防治工程设计

前文采用RocFall软件模拟计算，已获得原始坡形条件下，滚石运动轨迹、弹跳高度以及运动总能量这3种设计参数.本节将合理地选用现有的防治对策，经济、有效地治理该边坡的滚石灾害隐患，争取达到安全可靠，一次根治的效果.滚石灾害的防治是当前岩土工程界的研究热点，但鉴于滚石灾害突发性强、难于预测、影响因素复杂、随机性强等特点，针对不同的防治目标，业界学者与工程师提出了种类繁多的防治对策.本文研究边坡整体稳定性较好，但浅层岩体松弛破碎现象较严重.根据设计要求，要将滚石停滞区控制在离坡脚6 m以内的空地区域，经分析论证拟采用边坡坡形坡率设计、设置平台缓冲介质以及布设拦挡结构等措施，控制滚石灾害.

4.1 坡形坡率设计

边坡坡形坡率设计包括边坡总体形态设计和坡级平台设计，旨在减少滚石运动至拟建建筑区域的可能性，充分发挥平台的停滞效应，同时降低滚石的运动总能量或弹跳高度.该边坡属于岩质边坡，因此在边坡防护设计时宜尽量减少边坡的刷方工作.考虑到设置平台具有停积消能作用，而且坡顶地形较平缓，具有较大的刷方放缓空间；因此在坡形坡率设计时，优先考虑加大平台宽度，同时在边坡中下部设计一新平台，具体设计参数如图7所示.

重新建立边坡断面模型并导入RocFall软件中，滚石位置、重量等参数仍按原坡形的具体要求取值，模拟分析得到滚石运动轨迹见图8.将计算所得结果，与原坡形模拟结果进行比较，结果见图9～11.

根据图9～11分析，通过坡形坡率优化以及加宽第三级平台，能够使得接近70%的滚石停滞于第二、三级平台上，而在原坡形条件下，70%以上的滚石最终停滞在距坡脚5～15 m处，不过滚石水平运动距离仍然较大；而滚石弹跳高度大部分阶段都有所降低，特别是在坡脚附近，这将为下一步防护设计提供有利的工程条件；至于滚石运动总能量，在坡脚附近仍然较大.因此需要采取进一步的措施，控制滚石的运动总能量和水平运动距离.

4.2 平台缓冲介质设置

滚石在开始运动阶段，总能量和弹跳高度都比较低，因此接受滚石碰撞的第一个平台的形态和材料性能，对滚石的后继运动有明显的影响，可以考虑对各级平台作适当整平和铺垫缓冲介质，提高平台的消能作用，使得更多的滚石停滞在平台上，以减少滚石对坡脚拟建建筑物的威胁.

法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt主要由平台表面岩土的性质决定，因此铺垫缓冲介质的主要目的是减小法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt，从而控制滚石的运动总能量.拟采用现场爆破形成的岩石碎块或者软土作为平台缓冲介质，并对相应的系数进行0.95倍折减，而由于碎块或软土与滚石接触将产生更大的摩擦效应，因此摩擦角有所增大，具体参数如表2所示.在原设计文件基础上，对各级平台的法向恢复系数Rn、切向恢复系数Rt以及摩擦角进行调整，滚石位置、重量等参数的取值不变，计算滚石运动轨迹如图12所示.将模拟分析所得结果，与原设计模拟结果进行比较，得到如图13～15所示的对比图.

根据图13～15分析，通过在各级平台铺垫缓冲介质，对滚石的运动有显著的阻止作用；相比铺垫缓冲介质前，滚石停滞于第二、三级平台上的数量增加了20%，停滞距离控制在5～10 m之间；在坡脚附近，滚石运动总能量已经控制至400 kJ以下；滚石各阶段的弹跳高度明显降低，为设置拦挡防护设施提供更加有利的工程条件；可以采取布设拦挡防护的手段，尽可能拦截全部掉落的滚石，一次根治，不留后患.

4.3 拦挡防护设置

对于滚石灾害防护，通过坡形坡率设计和设置平台缓冲介质，已经取得了较好的效果.不过仍然有大约8%的滚石可能对坡脚拟建建筑物产生威胁，因此需要采取“零容忍”的态度，考虑布设拦挡防护设施对滚石进行拦截，确保把滚石控制在安全停滞区域以内.结合现场场地条件，拟采用将原设计的排洪沟拓宽作为拦石沟，同时辅于SNS(safetynettingsystem)被动防护系统进行拦截.

通过铺垫缓冲介质后，坡脚附近的滚石运动总能量已经控制至400 kJ以下，因此选用RXI-050 SNS被动防护系统，满足设计要求.同时在滚石与坡脚第一次碰撞点处(距坡脚3 m)，设计一深1.5 m，宽2 m的拦石沟，并在沟底铺垫缓冲材料同时在外侧沟壁铺设废旧轮胎进行缓冲.在拦石沟的外侧增设RX-050被动防护网，以增强其拦截能力.

根据设计方案边坡断面图，重新建立RocFall断面模型并导入软件中.滚石位置、重量等参数的取值不变.在RocFall软件中，在拦石沟外侧设置拦挡结构后进行模拟计算，滚石运动轨迹如图16所示.同时通过软件计算统计，获取滚石停滞水平分布图，如图17所示.从图上可以看出，仅有8%的滚石可能滚落至坡脚且最远的停滞距离为6 m，达到了对滚石拦挡设计的要求.

5 结语

基于现场调查及工程地质分析，建立闽东南典型球状风化花岗岩边坡滚石灾害模型，采用RocFall软件对边坡滚石的运动轨迹、停滞概率和冲击特性进行详细的模拟与分析；在此基础上，研究分析坡形坡率优化对边坡滚石运动特征的影响规律，对比论证设置平台缓冲介质对边坡滚石的消能作用和停滞效应，并对滚石拦挡防护措施的效果进行分析与评价；最终提出一套坡形坡率优化、平台缓冲和坡脚拦挡设置为一体的边坡滚石灾害防护设计方案.通过研究分析，得到以下几点结论：

1)边坡滚石运动过程中伴随势能向动能的急剧转化，合理的坡形坡率设计能有效降低滚石运动的启动可能性、运动随机性和冲击破坏动能.滚石运动初期的总能量和弹跳高度比较低，宜结合边坡上部有利地形，设置较缓的边坡坡率和较宽的缓冲平台，使滚石难以启动、尽早停滞、轨迹可控，灾害降低；反之，在边坡下部宜设置较陡的坡率，避免竖向坠落的滚石碰撞后产生较大的水平加速度和抛射距离.

2)边坡平台的空间位置及其缓冲特性对滚石运动有显著的减速作用，优化平台位置并铺设缓冲介质是减缓滚石灾害的有效措施.

3)坡表植被恢复也是减缓滚石灾害的有效措施.坡面覆盖土层性质和植被覆盖特征对滚石的运动能力具有明显影响，覆盖土层越松散或植被越丰富，碰撞就越趋于完全非弹性碰撞，相应的切向和法向恢复系数就越小，总能量折减越明显.

4)科学地分析和评价边坡滚石的运动轨迹、弹跳高度、水平运动距离、运动总能量以及停滞范围等，可以为边坡滚石灾害风险评估和拦挡设计提供依据，有效降低工程风险.

[1]王浩，刘成禹，陈志波.闽东南花岗岩球状风化不良地质发育特征及其工程地质问题[J].工程地质学报，2011，19 (4)：564 -569.

[2]杨志法，张路青，尚彦军.两个值得关注的工程地质力学问题[J].工程地质学报，2002，10(1)：10 -14.

[3]黄润秋，刘卫华.基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(5)：882 -891.

[4]何思明，沈均，罗渝，等.滚石坡面法向冲击动力响应特性研究[J].工程力学，2011，28(6)：118 -124.

[5]张路青，杨志法，张英俊.公路沿线遭遇滚石的风险分析：方法研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(2)：5543 -5548.

[6]吕庆，孙红月，翟三扣，等.边坡滚石运动的计算模型[J].自然灾害学报，2003，12(2)：79 -84.

[7]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范：JTGD70-2004[S].北京：人民交通出版社，2004：31 -45.

[8]铁道第二勘察设计院.铁路隧道设计规范：TB10003-2005[S].北京：中国铁道出版社，2005：42 -44.

[9]杨其新，关宝树.落石冲击力计算方法的试验研究[J].铁道学报，1996，18(1)：101 -106.

[10]NAWAHARAS，MUROT.Effectsofdrydensityand thicknessofsandysoilon impactresponseduetorockfall[J].Journal ofTerramechanics，2006，43(3)：329 -340.

[11]LABIOUSEV，DESCOEUDRES F，MONTANIS.Experimentalstudyofrock shedsimpacted byrock blocks[J].StructEng Int，1996，6(3)：171 -175.

(责任编辑：蒋培玉)

The protection design for rockfall hazard of spherical weathering granite slope

LINZhen，WANGHao，GONGNuangzhou，CHENGuojun
(College of Environment and Resources，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

Based on the typical rockfall hazard of spherical weathering granite slope located in south east Fujian，the disaster laws which reveal trajectory，stagnation probability and impact characteristic of rockfall were researched with engineering geological analysis and numerical simulation.Disaster reduction mechanism and engineering effects of the optimization for the profile of slope，platform buffering medium and rockfall barrier were simulated and analyzed.Eventually，a systematic design scheme of rockfall hazard protection was put forward.

slope；rockfallhazard；trajectory；impactload；controlmeasures

10.7631/issn.1000 -2243.2016.05.0760

1000 -2243(2016)05 -0760 -07

2015 -06 -13

王浩(1978 -)，博士，副教授，主要从事工程地质与岩土工程方面的教学与研究工作，h-wang@126.com

国家自然科学基金资助项目(41002127)；福建省自然科学基金资助项目(2013J01159)；交通运输部建设科技项目(201331849A130)；福建省交通运输科技发展项目(201242)

TU42

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