某高速公路落石灾害运动特征及防护网设计

黄泽斌，罗安民，卢 波，周 凯

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.马克菲尔(长沙)新型支档科技开发有限公司，湖南 长沙 410600)

0 引言

落石灾害是我国山区三大常见地质灾害之一[1]。其主要防治技术方向为清除、主动支挡补强及被动拦截引导防护。其中主动支挡补强技术包含锚固、支撑、嵌补、排水、表面封闭、封填勾缝、主动柔性防护等。被动拦截引导防护主要有被动柔性拦石网、拦石墙、落石槽、引导沟等。前者在防治范围小、高度低的落石危岩区有较高的经济性及适用性。而后者对于高位大范围危岩落石防护有较高的适用性及经济性[2-3]。

被动拦截引导防护拦截的效果，主要取决于对落石运动路径及运动特征的掌握程度。若不能准确判断落石的运动轨迹及运动特征，可能导致拦截措施设置位置不合理、防护能级不足或者过高，造成拦截失败或者工程浪费。因此，对落石下落轨迹、弹跳形式以及能量大小的研究是进行被动拦截引导防护设计的关键[4-6]。

1 工程概况

广西某高速公路于2020-06-03发生落石灾害(以下简称6.3落石事件)，落石由距路面约148 m高差的路外山体掉落并沿坡面滚入高速公路，撞击到正在行驶的两辆货车。经现场调查，撞击车辆最大块体岩性为灰岩，体积为(3×3×5) m3，重量约126 t。边坡山体相对高差约260 m，呈上陡下缓形态，表层植被茂密，山体裂隙发育，下部为崩塌堆积区。经调查，山体存在较多大块危岩体，裂缝多张开达20 cm，且无充填物，最大块危岩体体积达25 m3，仍有进一步发生落石灾害的风险，亟需进行防护以确保高速公路通行安全。

2 落石防护数值模拟分析

2.1 落石运动轨迹模拟

采用加拿大Rocscience公司的RocFall软件对已发生的落石灾害进行反演分析，采用刚体法进行分析，其基本假定有：

(1)考虑落石外形尺寸和质量对运动特征的影响。

(2)所有岩块彼此独立，仅与坡面和阻挡物发生碰撞。

(3)模拟过程中的落石质量为恒定常量，不发生碎裂等质量损失情况。

(4)模拟过程中不考虑空气阻力的影响。

(5)斜坡概化成连续线段，不与剖面线相交，阻挡物和数据采集的位置概化为独立直线段。

Rocfall软件在模拟过程中遵循如下规律：

(1)当斜坡面由陡变缓时，落石原来的运动模式不变，但在转折点会因运动方向改变而引起速度减小，在此不考虑转折点的阻力作用。

(2)当斜坡面由缓变陡时，落石原有的运动方式(如滚动或滑动模式运动)将改变为弹跳运动模式。

(3)当斜坡面法向恢复系数较大而导致落石不能继续弹跳时(如法向计算速度为零或负值)，落石将从弹跳模式转化为滚动或滑动模式。

(4)两计算点间的坡面具有相同的倾角和摩擦系数。若有不同，则必须分段计算。

2.2 坡面定义及参数确定

本文采用无人机倾斜摄影技术进行三维地形建模，通过模型切取特征剖面进行分析计算。如图1和图2所示。

图2 计算典型断面图

根据现场调查，将整个落石运动影响坡段分为五段，分别为基岩出露≥65°段、崩积体薄层覆盖段、混凝土路面段、基岩出露45°～65°段以及基岩出露<45°段。

落石在坡面上运动时，不同性质的坡面对落石的运动特征有很大的影响。计算涉及到的参数一般包含：

(1)碰撞恢复系数，包含法向、切向两个值。分别影响落石与坡面发生碰撞后的动能损失。

(2)坡面摩擦角度，影响石块在坡面上滑移特征。

(3)粗糙度，用坡面线段倾角的标准差表示。用来模拟坡面凹凸不平的特性，影响落石与坡面碰撞以后的回弹角度。

恢复系数对落石轨迹模拟的影响非常敏感，0.01的差距也可能导致模拟结果的差异。初始模拟时应首先根据坡面特征选取合适的参数，同时根据现场调查及落石历史事件的记录对初始模拟结果进行拟合分析，不断调整该系数的取值，直到模拟的结果与现场调查及落石历史事件的结果吻合或相近，以获得可靠度较高的模拟结果。

2.3 落石事件反演分析

根据6.3落石事件的现场调查情况，拟定落石为(3×3×5)m3长方体(小半径圆角)，岩体密度为2.5 t/m3，模拟1 000次随机落石，重现结果如下：

2.3.1 落石轨迹及分布

根据现场调查，落石在从山体滚落侵入道路范围以后第一落点为公路靠山体侧边沟附近，随即发生水平滑动并碾压穿越中央护栏至道路对侧，将对侧公路行驶中的车辆一同撞击到对侧山体挖方边坡随即停止。根据这一情况的反演，经过反复修正调整坡面相关参数，得到1 000次随即落石的运行轨迹图(图3)。从图3中可知，在边坡中上部落石运动轨迹远离坡面，说明该段落石运动主要为弹跳运动。边坡下部崩积体薄层覆盖段落石轨迹多与坡面贴近，可以判断该段落石运动以滚动或者滑动运动为主。结合落石大型长方体的几何形态以及堆积体表面植被与土层覆盖的特征，本项目该段落石运动为滑动运动。

图3 落石轨迹参数示意图

如图4所示反映出落石终止位置的分布，1 000次反演试算中，有超过60%的次数与显示接近，说明反演分析是有效的。

图4 落石终止位置分布图

2.3.2 落石运动特征统计

落石沿坡面滚落时，最大速度达31 m/s(可靠度95%)，位于落石路径上部第三次弹跳前，之后呈逐步降低的趋势，如图5所示。

图5 落石运动速度沿坡面位置分布图(可靠度95%)

落石沿坡面滚落，最大动能达55 000 kJ(可靠度95%)，位置与速度最高点一致，变化趋势随碰撞次数增加而减小，如图6所示。

图6 落石动能沿坡面分布图(可靠度95%)

2.3.3 落石至灾瞬间的运动特征统计

在道路中心线位置附近设置数据采集器，采集落石致灾瞬间的运动特征统计数据。

落石击中车辆前，瞬时速度达10.7 m/s(可靠度95%)，如图7所示。

图7 落石击中车辆前的速度统计分析曲线图(累计频率95%)

落石击中车辆前，瞬时动能达6 403.6 kJ(可靠度95%)，如图8所示。

图8 落石击中车辆前的动能统计分析曲线图(累计频率95%)

2.3.4 坡面设计计算参数值

计算以软件的推荐值为参考，根据实地勘察情况进行修正，并反复试算以重现落石事件运动轨迹，微调模型设计参数，确定坡面分段的特征参数(见表1)。

表1 反演分析最终确定的计算参数值表

3 落石防护设计

根据落石数值模拟的统计结果，落石在距离道路边界以外50 m范围内进入动能衰减区，且运动轨迹离坡面较近，弹跳较小，是设置防护结构拦截落石的有利区域。分别在距离道路边界20 m、10 m的B、C处设置数据采集器，采集落石运动统计数据，详见表2。

表2 各拟建防护位置落石运动参数统计表

分析上述数据，按照95%保证率，目前市场上单道拦石网的最大设防等级为5 000 kJ，均无法满足防护要求。考虑在B、C位置分别设置一道6 m高的5 000 kJ拦石网，进行连续拦截。

根据现场调查的情况，考虑对已调查高度在相对路面约140 m的危岩单块最大体量25 m3进行设防，并考虑对已有落石点以上至距路面高差200 m坡面存在的潜在危岩体进行设防，归纳三种工况进行设防校核(见表3)。

表3 典型危岩工况表

利用RocFall软件，分别对每种工况进行1 000次随机落石模拟，对每种工况的每一道拦石网保证设计安全的保证率进行分析计算，由此可计算出各工况下各拦石网位置落石的设计冲击动能(见表4)。

表4 各工况下各拦石网位置落石的设计冲击动能一览表(考虑连续拦截)

根据上述计算结果，考虑设计2道拦石网连续拦截，每种工况中1 000个随机落石样本，突破第2层防线侵入道路的样本数量极少(工况1约为0.6%)。将三种工况合并统计，该方案整体的理论保证率约为99.35%。

以上仅为理论分析的设防保证率，并未将地质调查、数值模型及拦石网的施工安装准确度的不确定性考虑在内，进一步对方案的可靠度进行分析如下：

(1)参照UNI 11211标准的设计方法[7]，设计保证率应不低于95%。根据数值模型的统计结果，在工况1中，实际冲击到拦石网C的样本数量为367个，其中累计频率为95%的速度为V95=8.68 m/s。

(2)根据前述设计计算公式，可确定落石的设计速度为Vd=9.12 m/s，设计质量为Md=79 537.50 kg，则设计冲击动能为Ed=3 307.90 kJ。

(3)拦石网B的标称最大防护能级为5 000 kJ，按照极限承载力状态设计，其设计防护能级为Bd=4 167 kJ，大于落石的设计冲击动能。

综上计算及分析，采用2道5 000 kJ被动防护网，可有效拦截重达75 t的落石，其设计保证率≥95%。

4 结语

本文借助无人机三维倾斜摄影建模技术以及落石防护数值模拟分析软件，对落石灾害发生过程进行反演，获取合理的设计参数。经过科学的验算，在考虑安全性和经济性的前提下，采用设置2道防护能级为5 000 kJ，拦截高度为6 m的被动防护网进行拦截防护，可为今后类似项目提供工程实践经验。