基于Rocfall模拟的郊区崩塌落石防治研究

薛 东，余振锡

(安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243002)

0 前 言

危岩崩塌落石现象是一种越来越多见的地质灾害，大多发生在地形陡峭的山区地带。岩体在重力、地表风化、地震、雨水侵蚀等自然因素或工程施工等人为因素作用下出现不稳定状态，从而引发滑坡、崩塌、落石等灾害。然而随着国家经济的发展、人民生活水平的提高，郊区的旅游业也在蓬勃发展，对山体景区开发利用、削坡建房、削坡修路逐年增加，为当地人民带来了额外收入和工作[1]。但粗犷的开发手段、临时性的防护措施和缺少科学性的理念，使郊区景点的安全隐患不断积累，在受到其他因素影响后便会导致地质灾害的发生，给山区人民生命财产安全带来了巨大的危害，对基础设施和建筑物的安全产生了极大威胁。

由于郊区崩塌落石发生的规模小、时间短，位置零散不确定，当地应急处理方式随意，给勘察、设计准确性带来了困难，又给后续灾害发生埋下了隐患。国内对相应的落石灾害的研究还比较薄弱，没有十分完善的技术设计规范，相应的防护措施缺乏或无效，存在一定的安全隐患。由于落石运动复杂多变、影响因素多，只能以预防为主。为了更科学地防护落石灾害，提供更有效、更安全、更经济的落石防护设计方案，提高落石治理的可靠性，完善落石灾害预警和处置制度。

本文以濮塘风景区附近某段道路边坡崩塌灾害为例，进行边坡稳定性分析，采用Rocfall软件模拟可能出现的落石轨迹、弹跳高度、能量，确定落石的范围和落点，合理选择柔性防护网的位置，并以此为依据进行防护工程设计以保障百姓的生命财产安全。

1 工程背景

2020年汛期，遭遇了多年不遇的连续多日强降水后，位于安徽省马鞍山市的濮塘风景区附近的养母西山北侧发生了崩塌落石灾害，该地原为一采石废坑，山体高度较大，坡面较陡。落石崩塌段共分为两段，北段高10～12 m，自然坡度70°左右，长71 m，崩塌呈偶发式出现；第二段为南端，呈凹口式分布，高22 m左右，中部设有一不规则台阶，高度10 m左右，整体坡脚80°左右，局部坡脚65°左右，垭口长度为38 m左右。崩塌现已基本稳定，但可见曾发生的崩塌落石散落于坡脚附近，直接影响威胁坡底既有简易民房安全。

崩塌段坡体岩土组成为上覆1～1.5 m残积土(植物根系层)，下部为灰黄～土黄色强风化安山岩，局部全风化，节理裂隙发育，总体呈较碎～碎裂状。崩塌体成碎裂状夹部分块状岩体，岩块大小不等，大的可见2～3 m3左右，小的0.2～0.5 m3，岩块相对破碎。为了缓解山上危岩孤石滚落继续对坡脚民房产生的威胁，需要进行防治。

2 崩塌稳定性分析

2.1 定性分析

崩塌危岩体地形较陡，坡面起伏不平，基岩裸露，岩土体结构松散破碎，节理裂隙发育，为崩塌的形成提供了有利的构造条件，且原坡体未设置有效防护，在连日暴雨作用下，雨水进入裂隙软化岩土，降低岩体强度，并产生一定的渗水压力，且坡体松动块体临空面失去支撑，从而产生崩落。综合分析认为危岩体稳定性较差，依然威胁坡底居民房屋的安全。

2.2 定量分析

通过理正岩土工程分析软件对不同工况下崩塌体进行了边坡稳定性分析(见表1)，计算得到在降雨条件下坡体稳定性系数约为1.09，小于设计安全系数1.20的要求，降雨后可能再次发生崩塌，必须进行加固提高。

表1 不同工况下稳定性分析

通过对崩塌危岩整体稳定性的计算分析，可以得出。

1)崩塌危岩区现状整体基本稳定，大部分区域处于基本稳定状态，不易再次发生大规模的整体滑塌，仅在诱发因素的影响下出现小范围的崩落、孤石滚落等情况。

2)暴雨及地震对危岩的整体稳定性有较大影响，大部分危岩体在地震和暴雨影响下都会陷入不稳定状态，可能会发生山体变形、滑塌、崩塌，特别是在多种因素组合作用下易发生失稳[2]。

3 Rocfall崩塌落石路径模拟

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[3]。落石滚落模拟的核心是坡面建模和落石参数，坡面建模主要考虑其坡体的坡度、材料和形状特征、坡面的滑动滚动摩擦因数、切向法向恢复系数等参数特征；落石主要考虑其几何形状、大小、质量、初始运动状态等参数特征，通过精准地还原现实实际情况，从而可模拟计算得到落石的运动轨迹、运动速度、弹跳高度和冲击动能等计算结果。

由于影响落石运动变化的因素众多，且具有复杂性特征，因此在使用Rocfall软件模拟时需要做出如下的假定。

1)落石均当作一个球体质点考虑，质量集中在重心，不考虑落石形状的影响。

2)落石滚落弹跳过程中落石保持完整，不考虑落石的破碎、解体，且不考虑复数落石同时滚落之间的相互影响。

3)滚落边坡坡面近似考虑为多条直线段组成，不考虑坡面细节处的突出、凹陷，忽略坡面微小物体、动植物对落石的影响。

4)落石运动过程中不计空气阻力、降水、温差带来的影响。

3.1 模型参数选取

结合上述假定和崩塌实际情况，结合边坡和坡底民房的位置关系，考虑到落石防治工程设置位置的科学性和经济性，对边坡坡面进行数值模拟分析。如图1所示，根据现场实地勘察岩体破碎情况，为获得该崩塌落石的运动规律，根据现场崩落的落石质量和未崩落的危岩预估，拟定落石质量分别为10、50、100、500 kg共4种不同质量的落石，每种各模拟随机下落50次。根据坡面岩性不同，结合现场勘查和半经验总结，对计算坡面各段参数进行赋值。

3.2 模拟结果分析

通过Rocfall软件对4种不同质量的落石进行50次的下落运动随机模拟，从而获得不同质量崩塌落石的弹跳高度、运动终点、动能、平移速度曲线图。

通过Rocfall软件模拟落石滚落过程，从A点附近落石开始运动，经过AB段的滑动、滚动，速度增加，在BC平台上发生了第一次弹跳，CD为更陡的斜坡，落石在此段凌空，在重力作用下加速向坡底坠落，大部分落石在DE处发生二次弹跳，在EF处发生滑动或滑动最终停止运动(见图1)。

图1 落石模拟全过程

1)落石弹跳高度与落石质量呈负相关，图2中水平位置5～9 m和12～22 m之间实际上为落石凌空高度，不可算作弹跳高度。水平位置9～12 m和23～33 m段为弹跳高度，由图2可知质量越大的落石弹跳高度反而越低。

图2 不同质量落石弹跳高度曲线图

2)落石总动能随质量的增加而增大，且增大趋势明显。在落石从坡顶滚落的过程中，动能持续增加，在坡脚处得到最大值，每当发生碰撞弹跳后，动能会迅速减小，最后滚动时持续减小。如图3所示。

图3 不同质量落石总动能曲线图

3)落石最大平移速度随质量增加变化不大。由图4可知，考虑到排除了空气阻力的影响，落石的势能转化为动能，落石在坠落过程中速度呈线性增加并在坡底碰撞前达到最大速度，在坡面发生碰撞反弹后，一部分动能转化为内能，速度也随之降低，最后逐渐停止。因此落石的最大平移速度与落点高程密切相关，与质量关系不大。

图4 不同质量落石平移速度曲线图

4)图5为50次落石停驻点数值的方差，表明随着落石质量的增加，落石停驻点越密集。落石主要集中在距离坡脚水平距离25～33 m，对坡脚民房的威胁大。

图5 不同质量落石停驻点方差柱状图

结合现场实际勘察情况，Rocfall软件模拟的落石运动轨迹与已发生的崩塌落石灾害现场情况大致吻合，可见数值模拟参数取值合理，因此对该处灾害点的被动防治工程如SNS被动柔性防护网、拦石墙等支挡，它们的设置位置、拦挡高度及防治有效性可以参考数值模拟的结果。

4 防治方案

危岩崩塌防治工程是一个系统的工程，遵循以人为本、科学合理、安全可靠的同时也要兼顾经济性的原则。根据危岩发育特征、地形地貌、与保护对象关系等的不同，主要有三类危岩防治措施：主动加固措施、被动防护措施和联合防治措施，主要包括清除、拦挡、支撑、锚固、裂隙封闭等一种或多种组合[4]。针对本文的研究对象濮塘风景区西山北侧的崩塌情况逐一分析。

1)危岩清理。彻底清除危岩可以从根本上消除安全隐患，但受到场地条件制约，边坡上部大范围清石将会影响坡底安全和公路的运营，部分威石稳定性状况和范围难以把握，且施工困难，可能会诱发新的危岩。但对于明显松动的局部危岩则要坚决予以逐一清理。

2)危岩支撑和锚固。对悬空危岩可采用支撑墙、柱、嵌补等，而对大块或单个危岩，只要整体性较好可采用锚杆(锚索)锚固等措施，当危岩的整体破坏类型接近于滑坡破坏模式时，还可以采用抗滑桩、墙等支挡措施。这里坡高陡峻，植被茂密危岩状况不明，施工条件不足，不宜采用支撑和锚固措施。

3)拦截措施。边坡底部被动拦截是铁路、公路路堑边坡防落石常用的措施之一。可于底脚部位设置拦石墙、拦石网、柱进行被动防护。本场地陡峻的高坡地点，坡脚离公路或民房有一定的距离，落石坠落后可向威胁对象运动，在其间可设置拦截，防止落石冲击民房和公路安全。考虑到施工便捷及景观要求，可采用SNS被动防护网拦截落石。

4)坡面防护。对于坡面块状落石除采用单个逐一锚固的办法外，还可采用整体防护，如喷射混凝土网加短锚杆类防护。SNS柔性网技术是坡面地质灾害常用的防护措施之一。相对于传统的刚性防护，防护效果更加良好，且可以最大程度上保持原有坡面景观不变。本场地施工条件较好的崩塌地段可以采用此技术。

针对崩塌现场的实际情况、结合稳定性分析、Rocfall数值模拟结果和经验判断，决定采取“清危+被动防护网”的方式进行防治。通过Rocfall计算得出坡底落石弹跳最大高度为2.62 m，冲击能约439 kJ，距落点水平距离约25 m处，参照规范推荐的“常用被动网结构配置及防护功能”，选择RX-050型网，包括DO/08/200配置，可拦截撞击能500 kJ 以内的落石，防护网位置设在民房和坡脚之间，选择水平距离30 m处安设高3 m防护网，如图6。防护网安装前已根据现场情况进行模拟冲击试验。未发生防护网被击穿、越过防护网，以及钢柱屈曲失稳破坏等防护失效，证明本文研究结果对防治工程设计提供有效理论依据[5]。同时为了保障安全，需要对崩塌体进行多方位、深层次的监测，主要分为施工安全监测、防治效果检测和长期监测。

图6 落石防护网布置图

5 结 论

1)根据定性及定量分析，该崩塌体在地震和暴雨影响下稳定性较差，可能会发生再次失稳，对坡脚民房造成威胁。因此需要进行防治。

2)通过Rocfall软件模拟得出落石的质量大小与落石运动特征的关系，质量越大，落石的最大动能越大，弹跳高度越低，落点越集中；质量越小，落石的最大动能越小，弹跳高度越高，落点越分散。落石的平移速度与质量无明显关系。

3)落石防治需要因地制宜，针对此地复杂地况，选择柔性被动防护网进行落石防护可行性较高，防护效果和经济性都较好。本文的研究内容可以为常见的类型相同的崩塌落石防治工程提供参考。

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