基于Rocfall模拟的高陡岩质建筑边坡孤石滚落防治方法探讨

张 帅，罗永健

（广州市设计院 广州510620）

0 引言

我国珠三角地区位于欧亚大陆板块东南缘，岩浆侵入频繁活动所形成的燕山期为主的花岗岩大面积出露。珠江三角洲在晚第三纪以来新构造运动以大面积的垂直升降运动为主要特征，并且总体上以抬升运动为主，形成现在的丘陵地貌。出露地表的花岗岩长期遭受强烈的风化作用，形成厚度巨大的风化壳，上部为残积土、其下为全风化和强风化岩。花岗岩在形成演化过程中，当出露地表花岗岩块状岩石由多组节理切割，并不断受到风化作用时，块状岩石突出的棱角部位更易受风化，故棱角逐渐缩减，并趋向球形，最终形成椭球状孤石与土状风化物混杂的球状风化体[1,2]（见图1）。

珠三角地处发达地区，随着城市建设的扩张，越来越多的建筑物建于山体下，由于前期采石场开挖或建筑场地平整开挖，往往就形成了高陡岩质边坡。因为紧邻民用建筑，高陡岩质建筑边坡发生失稳等地质灾害将直接威胁坡脚处人民群众的生命财产安全。

图1 花岗岩风化球Fig.1 Spherical Weathering Granit

由于花岗岩独特的工程地质特性，当坡体遇连续降雨时，花岗岩风化球底部残积土遇水软化、崩解，不断受雨水侵蚀，造成水土流失甚至局部边坡失稳[2]。上部花岗岩风化球在重力作用下失稳形成危石滚落，经大落差滚至坡脚时，往往具有极大的破坏性。这成为珠三角地区近年来高陡岩质建筑边坡常见的失稳形态。

本文以珠三角某小区后山边坡孤石滚落事故为例，采用Rocfall软件分析计算，建模还原了孤石滚落路径，分析了原拦石墙失效原因。在此基础上，对该高陡边坡后续可能出现的孤石滚落路径进行了分析，分析比较了坡率（削坡）对孤石滚落路径、能量的影响。同时提出了拦石墙的改进设计措施，拦石墙设置缓冲层和落石槽作为主要缓冲结构，可有效吸收扩散落石冲击能量。

1 Rocfall计算简介

危岩失稳后在重力作用下加速向下运动，危岩变成落石，势能转为动能，当落石与坡面接触发生反弹，根据坡面接触点的法向弹性系数和切向摩擦系数的不同，落石的弹跳高度则不同。整个过程遵循能量的转化和守恒定律[3,4]。

加拿大Roc-science公司开发的Rocfall程序主要通过输入有关边坡和落石的基本参数，来模拟落石在斜坡上的运动路径、能量分布和弹跳高度变化。程序将落石简化为均匀且不会破碎的质点，坡面为各向同性的弹塑性体，忽略了空气阻力，主要参数包括法向恢复系数、切向恢复系数、动摩擦系数和孤石重量等[5,6]。

2 工程背景

2018年，在多日降雨后，珠三角某小区后山发生孤石滚落灾害，三块孤石从约70 m高的岩质陡坡上方滚落而下，其中最大的一块重量约80 t，危石击穿坡脚挡石墙后，又将被动防护网拉倒，将坡脚处一栋高层住宅主体结构剪力墙撞击至混凝土碎裂，又反弹撞击了附近砖墙。

该岩质陡坡是由前期采石场采石开挖形成的。边坡下部为花岗岩基岩，完整性好，斜率约1:0.3，高度约65 m。边坡上部为花岗岩残积土，坡率约1:1～1:1.5，并存在大量花岗岩风化球。坡脚距离现有住宅建筑约18 m（见图2）。为防止山上孤石滚落继续对坡脚建筑造成危害，需针对该边坡孤石滚落进行防治。

图2 边坡示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Slope

3 Rocfall模拟还原落石路径

事故发生在夜间，可采用Rocfall软件还原模拟孤石滚落的过程，量化孤石滚落的能量和破坏威力。

孤石滚落路径主要是因采石裸露的完整基岩，软件参数设置如表1所示。

表1 模拟参数取值Tab.1 The Value Table of Simulation Parameters

以最大块孤石为研究对象，孤石重量80 t，孤石初始位置为岩质边坡陡坡顶部。孤石是由自重作用向下滚落，故设置孤石初速度为零，距坡脚4 m处设置拦石墙，坡脚建筑物外墙距离坡脚18 m，坡脚拦石墙极限拦截能量为500 kJ。为方便研究，设置坡脚位于坐标系（0，0）位置。同样条件下设置50个质点，以求得不同的可能路径。

经Rocfall模拟计算，图3为孤石滚落路径模拟结果，孤石在重力作用下启动后沿坡顶缓坡滑落，在岩质陡坡顶处冲出坡体，呈自由落体运动，直至砸到坡底缓坡，经地面岩石反弹冲出拦石墙，砸落至坡脚建筑外墙。

图3 落石滚落轨迹还原模拟Fig.3 Simulations of Rockfalling Path

经Rocfall后处理模块，可导出孤石滚落速度、弹跳高度以及动能与滚落位置的关系曲线（图4～图6）。孤石从陡坡顶启动后先缓慢加速，跃出陡坡顶后速度在重力作用下线性增加。孤石与坡体的竖向距离（弹跳高度）也在此时达到最大的11 m。在孤石落至坡底缓坡之前，最大速度达到了约32 m/s，具有极大的冲击能。孤石落至坡底缓坡后速度和动能明显削弱，但依然足以穿过拦石墙。根据50个质点的路径统计，约60%的概率直接砸至建筑物外墙，约40%的概率落至地面后砸至建筑物外墙。滚石砸至外墙时的动能依然有8 112 kJ。

通过对比孤石滚落的模拟路径和事故现场孤石滚落留下的擦痕，模拟结果和滚石实际路径相似。通过孤石动能和速度与位置的关系曲线可以看到，孤石坠落至坡底缓坡以及砸落至坡脚平台时，动能和速度可以明显减弱，而拦石网难以对孤石进行有效拦截，巨大的孤石撞向建筑外墙时仍然有极大的破坏力，这与现场的事故记录是大致吻合的。

图4 落石滚落速度-位置关系曲线Fig.4 Velocity-position Curve of Rockfalling

图5 落石滚落弹跳高度-位置关系曲线Fig.5 Height-position Curve of Rockfalling

图6 落石滚落动能-位置关系曲线Fig.6 Kinetic Energy-position Curve of Rockfalling

4 分级修坡

基于落石撞击坡面后动能明显降低，首先可考虑对岩质边坡分级并削坡，以降低综合坡率，增加落石与坡面的摩擦，减小落石动能。由于基岩整体稳定性好，综合经济性考虑，岩质陡坡可按1:0.4坡率修坡，在40 m高处修3 m平台，在基岩顶部修5 m平台以兼顾基岩以上土质边坡稳定性（见图7）。因本文重点研究下部岩质边坡孤石滚落危害，故不对上部土质边坡以及边坡整体稳定性进行讨论。

图7 边坡修坡示意图Fig.7 Schematic Diagram of the Graded Slope

在Rocfall中保持坡面参数不变，落石初始位置更改为基岩顶部平台端部，落石质量仍为80 t，初速度为零。模型计算落石路径如图8所示。

图8 修坡后孤石滚落轨迹模拟Fig.8 Simulation of Rolling Track of the Rockfolling on Tepped Slope

从孤石滚落路径上看，孤石沿第一级坡滚落，至中间平台后弹跳至空中，经抛物线降下落至下一级坡面后击穿拦石墙滚至坡脚建筑外墙。

修坡后落石在坡脚的路径抛物线明显降低，但依然会穿透拦石墙，击中建筑外墙，但是孤石大概率提前落到建筑与坡脚之间的地面上，而不是在空中直接砸中建筑物。通过软件后处理功能，导出孤石砸落点高度、能量结果，对修坡前后落石砸至建筑物外墙的状态做对比（见表2），可以比较前后落石对建筑物的危害大小。

表2 修坡前后落石对建筑物的危害对比Tab.2 Comparison of the Damage of Falling Rocks to Buildings before and after Slope Graded

通过表2可以得知，适当修坡后落石对坡脚建筑物危害得到一定削弱。经分级修坡后，由于增加了与坡体的摩擦，孤石冲击建筑物的势能和动能都明显降低，砸到建筑物上的动能降低为原来的32.2%，分级削坡的明显降低了孤石滚落对坡脚建筑物的危害。为进一步分析滚石滚落是运动速度和能量的变化历程，导出落石动能历程对比曲线如图9所示。

图9 修坡前后落石动能历程对比曲线Fig.9 Comparison Curve of Kinetic Energy of Rockfalling before and after Slope Graded

从孤石动能分布来看，孤石在滚落前期，由于分级削坡作用，孤石势能在第一级坡滚落时提前释放，势能转化为动能明显快于修坡前工况。但在中间平台处，孤石动能得到明显削弱。最终落至坡脚时，孤石动能峰值明显小于修坡之前。分级修坡后，孤石在砸至建筑物前动能急剧下降，这是因为孤石提前落地后滚至建筑，此期间与地面摩擦消耗了大量能量。由修坡前后落石动能分布可知：分级修坡起到了提前释放势能，动能削峰的作用，避免孤石滚落至坡脚时能量“爆发”。所以为控制孤石滚落危害，可考虑修坡以减缓边坡坡率，并分级使得落石过程中动能明显降低。

但在本项目中，落石滚落位置以上仍有较高的土质边坡，下部岩质边坡大量削坡可能引发上部边坡稳定性问题，同时爆破开挖也需考虑对坡脚建筑的施工影响。故在条件允许的情况下视具体情况分级修坡，同时需考虑对上部边坡进行支护。

5 孤石清除和拦石墙（网）

虽然在分级修坡后落石危害性降低，但是通过模拟计算表明孤石仍然冲出了拦石墙，对建筑物依然有巨大威胁。所以对于大块危险孤石，不能寄希望于坡脚拦石墙这最后一道防线，应考虑提前将边坡上的孤石清除或者加固处理。

为分析防护能级为500 kJ的拦石墙能够拦截落石的最大重量，采用Rocfall软件设置不同的孤石重量试算，当孤石重量最大为5t时，拦石网可以有效拦截（见图10）。孤石落在拦石网上的动能集中在240～380 kJ。故修坡的同时，应清除坡体孤石和危岩体，特别是块体重量大于5 t的，应重点关注和清除。

图10 重量5t的滚石滚落模拟路径Fig.10 Rolling Stone Simulation Path with Weight 5t

拦石墙应设置缓冲层和落石槽作为主要缓冲结构，缓冲层可就地利用落石槽开挖土方，也可使用其他抗冲击材料填筑，为避免落石冲击槽底发生弹跳，槽底应铺筑缓冲材料。

落石的拦石墙的冲击力（见图11）可以由式⑴计算[8-9]：

式中：P（Z）为落石冲入缓冲层的单位阻力；Z为落石冲击后的陷入深度（m）。

Z由式⑵计算：

式中：VR为落石块体接触拦石墙石的冲击速度（m/s）；Q为石块重量（kN）；γ为缓冲层重度（kN/m3）；g为重量加速度；φ为缓冲层内摩擦角（°）；F为落石等效球体的截面积（m3）。

F由式⑶、式⑷计算：

式中：γ1为落石的重度。

根据式⑵可以求得落石冲击陷入缓冲层的深度，从而确定缓冲层的厚度。为减少落石在迎石坡面的弹跳高度，拦石墙后缓冲层边坡宜用1∶0.75，坡面用片石铺砌加固。并辅以主动防护网措施，可以取得更好的效果。

图11 作用于拦石墙上的冲量分布Fig.11 Impulse Distribution Acting on the Stone Wall

6 结论

⑴珠三角地区椭球状孤石与土状风化物混杂的球状风化体广泛分布，边坡上部花岗岩风化球在重力作用下失稳形成危石滚落，经大落差滚至坡脚时，往往具有极大的破坏性。这成为珠三角地区近年来高陡岩质建筑边坡常见的失稳形态。

⑵Rocfall软件通过输入有关边坡和落石的基本参数，来模拟孤石在斜坡上的运动路径、能量分布和弹跳高度变化。可以为防护治理设计提供直观有效的依据。

⑶对高陡岩质边坡分级修坡，可以有效消耗孤石滚落动能，减小孤石滚落至坡脚的动能。修坡起到了提前释放势能，动能削峰的作用。

⑷孤石滚落的防治不能寄希望于拦石墙（网）这最后一道防线，应尽可能清除孤石和危岩体，特别是大块体。根据可能的孤石滚落能量选用合适的拦石墙（网）规格。

⑸对于刚性拦石墙，应设置缓冲结构，避免落石冲破或弹跳。缓冲层厚度应根据落石冲击后的陷入深度确定。