金川水电站导流洞进口边坡落石灾害评估与防护研究

唐浩杰

(中国安能集团第一工程局有限公司，南宁，530000)

0 引言

落石是我国高山峡谷地区高发的地质灾害之一[1-3]。落石灾害的孕育与发展通常历经三个阶段：潜在崩塌体形成阶段、潜在崩塌体蠕动位移阶段、瞬时崩落阶段[4]。崩塌体的形成是内在条件和外在诱因共同作用的结果[4-5]。岩体中的数组节理面、层理面、断层面等交错组合，将完整的岩体切割为多个潜在崩塌体，在重力、降雨、震动、风化营力等作用下[4-6]，结构面进一步发展、开张，力学性能持续劣化，导致危岩体下滑，重心外移。当抗剪力小于下滑力或倾覆力矩大于抗剪力矩时[5]，危岩体就会瞬间崩落。落石崩塌过程中，松散的岩土块体在重力或其他外力驱动下失稳并脱离源区，通过自由下落、弹跳、滚动和滑动等方式向下运动[7]。落石灾害具有分布点多、速度快、频次高、突然性、爆发随机性强等特点[8-9]，对影响范围以内的道路、人员、建筑物等构成极大威胁，可能造成巨大生命财产损失[10-13]，因此对落石的防护至关重要。

落石防护手段按照防护方式的不同可分为主动防护措施与被动防护措施。锚固、注浆等主动防护措施能从根源上治理落石，但是成本较高、施工难度大；拦石栅栏、防护网等被动防护措施较为经济、施工难度小[14-15]。落石的运动特性主要取决于地形及其力学参数[16]，落石运动特征的准确模拟与计算是落石防护设计的基础[10，14-15]。唐红梅等[17]对落石不同阶段运动特性进行理论分析，建立了落石运动轨迹方程；柳万里等[18-19]开展落石运动特性试验对落石的影响因素进行分析；王翔等[20-21]运用Rocfall进行落石二维数值模拟研究，计算了落石轨迹、速度、弹跳高度等运动特性，为工程防护提供了科学依据；孙敬辉等[22]结合Rocfall模拟结果中落石的动量、动能，以最危险原则法对落石影响区域进行危险性分区；贺鹏等[23-27]采用Rocfall模拟落石运动特性，基于模拟结果进行合理的防护设计并通过二次模拟验证防护的有效性。

金川水电站位于四川省阿坝州金川县境内的大渡河上游河段，两岸山势陡峭，工程地质条件较差，广泛分布岩性较差的千枚岩和泥质板岩。在人工爆破开挖、岩体卸荷、强降雨等作用下，区内时常发生落石、崩塌、碎屑流等灾害，对施工人员、设备、车辆形成巨大威胁。因此，本研究采用Rocfall软件对金川水电站导流洞进口边坡落石进行二维运动数值模拟，基于落石运动模拟结果提出施工期临时防护方案，并给出永久防护建议。文章研究结果为金川导流洞进口边坡施工过程中的落石灾害防护提供了理论依据与有效参考。

1 工程背景

1.1 金川水电站导流洞进口落石

金川水电站位于四川省阿坝州金川县境内的大渡河上游河段，其枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、左岸引水发电系统、右岸溢洪道及生态泄水道和泄洪洞等建筑物组成。导流洞与泄洪放空洞均位于右岸，导流洞靠山侧布置在泄洪洞右侧，其断面型式为12.5m×14.5m。如图1所示导流洞进口施工期间，与开挖面紧邻的下游环境边坡发生局部顺层崩塌和落石，并于坡脚形成扇形堆积区，开裂区主要沿垂向分布于导流洞进口边坡的下游侧，有明显的拉裂缝。根据现场锚索测力计监测结果，开裂区附近的部分锚杆超过最大设计拉力，另外有部分锚杆已失效。开裂区下方为施工区的主要交通干道，人员、车辆流动性大。高空落石对施工人员、往来车辆及机械设备造成较大威胁。

图注：(a)初期未开裂；(b)拉裂缝发育；(c)持续开裂、裂缝扩张。

1.2 研究区地质条件

金川水电站导流洞进口边坡属顺向岩质边坡。危岩发育的陡倾坡段相对高差约为70m，整体坡度为64°。边坡地层岩性主要为弱风化薄～中厚层状变质细砂岩夹薄层变质细砂岩、千枚岩。千枚岩岩性松软，遇水易软化、泥化，易风化剥蚀。岩层陡倾坡内，揭示有6条顺层发育断层，其平均宽度为40cm～50cm，最大达1m，层间充填碎裂岩、片状岩等，挤压紧密，未胶结，面平直粗糙。高程2218m以上，边坡内顺层裂隙及两组陡倾横向裂隙较发育，产状如图2。坡面发育斜向层理，其长度达数米到数十米，数量较多，断续分布。陡倾坡体中发育的数组断层面与裂隙面相互交错、形成不利组合，将完整岩体切割成数个潜在崩塌体。在爆破开挖产生的震动力以及降水、重力、风化营力等因素的作用下，结构面扩张蔓延，潜在崩塌体向下滑移，坡面相应处发生开裂，危岩体具有较为明显的崩落趋势。总体来说，金川水电站导流洞进口边坡地质条件不佳，发生崩塌落石的风险较大。

图2 导流洞进口边坡地质剖面

2 落石运动模拟

本文采用Roc-science软件系列中的边坡二维分析软件Rocfall对边坡崩塌落石进行运动轨迹模拟与运动特征值分析。

Rocfall是一款基于概率统计理论的危岩落石滚落路径模拟软件[24]。在建立边坡剖面模型时，通过绘制多段不同角度的折线来表示边坡坡面的起伏与坡度，并引入法向恢复系数、切向恢复系数、摩擦角等地表参数对坡面属性进行定义。坡面任意位置可设定为危岩体初始位置，即落石运动起点，可对危岩体的质量、总块体数、初始速度等特性进行自定义。落石运动过程中，岩石块体被简化为一个始终完整的均质质点，不考虑块体之间的相互碰撞。通过概率运算，最终输出整个边坡落石的动能、速度和弹跳高度包络线以及落石滚动终点的位置[24]，为落石防护设计提供理论依据。

2.1 落石运动模拟参数

参考现场危岩体分布情况，设定相对高程约58m处危岩体为落石运动初始点，危岩体初始质量为650kg，落石块体总数设定为500个。在无地震、爆破等情况下，认为落石的初始速度为0。边坡剖面模型分为坡体、公路与河道段，边坡段物质组成为风化基岩，道路段为压实碎屑石。参考现场落石情况与铁道部运输局推荐的法向和切向恢复系数取值表，对边坡与公路区域的法向恢复系数Rn、切向恢复系数Rt与摩擦角φ进行拟定。

铁道部运输局推荐的法向和切向恢复系数取值如表2所示，本文计算模型中危岩区岩土体数值模拟参数如表3所示。

表1 法向恢复系数

表2 切向恢复系数

表3 数值模拟参数取值

2.2 落石运动模拟结果

通过Rocfall软件对500个岩块进行落石运动模拟，得到落石轨迹模拟结果如图3所示，并输出落石弹跳高度、落石平动速度、落石动能包络线以及落石停止点分布如图4所示。结合图3、图4可知，落石脱离危岩体源区后首先紧贴AB坡面向下滚动。AB坡段坡度陡倾，约为75°，滚动过程中，重力势能转化为动能，落石速度迅速增至12m/s。BC坡段为首次碰撞区，其坡度约为43°。从陡倾处高速滚落的落石与相对缓倾的BC坡面发生2～3次撞击，其弹跳高度迅速增加，其速度与动能也持续增大。经过C点后，边坡坡度再次变陡至约68°，发生碰撞的落石顺BC坡面斜抛射出，凌空飞跃于CD坡段以上，几乎不与坡面发生碰撞，凌空期间，在重力作用下，落石弹跳高度先增后减，其速度与动能持续增加。落石从高空坠落，在DE段与坡脚区和公路路面发生高速碰撞，其速度约为30m/s，动能为290kJ左右，冲击力巨大。碰撞过程中，落石弹跳高度随撞击而增加，其速度与动能在碰撞时出现一定幅度下降，之后增幅变缓。

由图3、图4可知，落石主要停落于公路及河道，少数停止于坡面。落石主要停止位置距坡脚水平距离在10m～30m之间。公路受落石撞击区域较大，同时存在一定长度落石覆盖区，对人员、机械设备及车辆安全威胁较大，需进行防护。

图3 危岩边坡落石轨迹

(a)落石弹跳高度

(b)落石平动速度

(c)落石动能

(d)落石停止位置 图4 落石运动主要特征参数

3 防护方案建议

针对金川水电站导流洞进口危岩边坡落石，基于Rocfall数值模拟结果与现场落石实际情况，建议采用设置被动防护网和钢筋石笼网的方式进行施工期防护。由于在导流洞进口施工扰动下，坡面开裂区有持续发展趋势，边坡存在整体失稳风险，使落石风险可能进一步扩大，故建议在被动防护措施的基础上进一步采取整体主动防护措施，如挡墙、锚索等形式进行支护，并对裂隙、孔隙发育的危岩体进行灌浆处理。

综合落石数值模拟结果、现场落石实际情况及坡面施工条件考虑，在相对高程15m处设置高度3.0m的被动防护网，在距坡脚水平距离4m处设置5m高钢筋石笼网，并运用Rocfall软件进行防护效果的数值模拟，结果如图5所示。由图5可知，所设防护设置将所有落石完全拦截，有效降低了落石对施工人员、施工设备以及来往车辆的威胁。

图5 危岩边坡落石防护效果

4 结论

本文以大渡河金川水电站导流洞进口危岩边坡为研究对象，采用Rocfall软件进行落石运动数值模拟，获取了落石弹跳高度、落石平动速度、落石总动能以及落石停止位置的运动特征数据。基于运动特征值模拟结果与危岩区现场勘察情况，得出如下结论与建议：

(1)金川水电站导流洞进口边坡坡面岩体风化破碎，发育多组断层、裂隙，形成不利结构面组合，坡内见倾倒变形体，存在较大落石风险；

(2)对天然情况下的边坡进行落石模拟，结果显示落石影响范围较大，落入公路区域的落石具有较大的速度与动能，可能对人员、机械设备及车辆安全造成严重伤害，需对此进行重点防护；

(3)由于坡面开裂区有持续发展趋势，存在整体失稳风险，需采用整体主动防护支护对开裂区进行加固或对危岩体进行灌浆处理，文章提出的防护方案还可以为主动支护的施工安全提供保障。