践谈基于Rocfall模拟的公路边坡危岩体崩塌运动特征及防护A Brief Discussion on Rockbreak Movement Trajectory and Protection of Rock Mass in Highway Slope Based on Rocfall Simulation 韩明超，赵菲
(河北建研建筑设计有限公司，河北石家庄050021)
摘要：危岩体是山区常见的一种不良地质现象，具备发生崩塌的主要条件，预示不久可能发生崩塌，其作为浅表部破坏方式，危及边坡周边建(构)筑物安全，是常见地质灾害之一。无论从防灾还是减灾的角度上考虑，预测和分析危岩体崩塌运动特征对优化防治措施、降低工程造价、提高防治效果等均有实际指导意义。本文主要以公路边坡设计为依托，采用Rocfall软件从不同角度对危岩体崩塌运动轨迹进行模拟和对比分析，以及从经济角度对简单防护作出分析，以期进一步优化边坡危岩体防治措施及提高经济效益。
关键词：公路边坡；危岩体崩塌；Rocfall软件；运动轨迹；边坡防护
中图分类号：TU4文献标识码：A文章编号：1005-8249(2020)06-0017-05按摩坐垫
HAN Mingchao,ZHAO Fei
(Hebei Institute of Building Architectural Design Co.,Ltd.,Shijiazhuang050021,China)
可控硅触发器
Abstract:The dangerous rock mass is a kind o£common bad geological phenomenon in mountain area,which has the main condition of collapse and indicates that collapse may happen soon.As a superficial failure mode,it endangers the safety of the surrounding construction (structure)of the slope,which is one of the common geological disasters.From the perspective of disaster prevention and mitigation,predicting and analyzing the characteristics of the collapse movement of dangerous rock mass has practical guiding significance for optimizing the prevention measures,reducing the project cost and improving the prevention and control effect.Based on the design of highway slope,Rocfall software was used to simulate and compare the collapse movement track of dangerous rock mass from different angles,and simple protection was analyzed&om the perspective of economy,so as to further optimize the prevention measures of dangerous rock mass slope and improve economic benefits.
Keywords:highway slope;dangerous rock mass collapse;Rocfall software;trajectory of motion；slope protection
0引言
危岩体多发育于高差大、孤立陡峭的岩质斜坡，在内力和外力共同作用下易发生失稳，彼时危岩体将与坡体分离并经坠落（自由落体）、跳跃、滚动或滑动等方式沿坡向快速向下运动，最终止于平缓地
作者简介：韩明超（1986-），男，硕士，工程师，主要从事岩土工程专业工作。
收稿日期：2020-05-28带或障碍物附近。预测和分析危岩体崩塌运动特征，是危岩体防治措施方案设计的先决条件，对降低或消除危岩体对人员及工程设施威胁、优化防治措施、降低工程造价、提高防治效果等均有实际指导意义。影响危岩体崩塌运动特征的因素很多，本文主要通过对比分析软质岩、硬质岩边坡危岩体崩塌运动特征（运动轨迹、总动能、弹跳高度等）和简易防护措施的效果进行相关阐述。
通过调查常见岩质边坡危岩体崩塌历程及崩塌落石现场分布特征，对6级常用坡率岩质（软质岩、
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硬质岩）边坡落石运动轨迹进行RocfaU模拟分析。每一级边坡设计高度为10.0m，平台宽2.0m，利用Rocfall软件模拟质量为100kg崩塌落石从边坡顶端掉落时的运动路径，样本数采用50个，通过分析崩塌落石静止点、回弹高度和总动能的关系，为危岩体的防治设计提供依据。在Rocfall软件中，软质岩边坡取法向恢复系数心=0.35和切向恢复系数乩= 0.85，硬质岩边坡取法向恢复系数7?”=0.53和切向恢复系数尽=0.99（在此分析中，为突出对比性，硬质岩参数采用理想状态下平滑而坚硬的岩质边坡工况），落石运动轨迹模拟结果分别如图1、图2所zNo
图16级软质岩边坡落石运动轨迹模拟图
Fig.1Simulatio n diagram of r ockfall trajectory
of the6-level soft rock slope
图26级硬质岩边坡落石运动轨迹模拟图
Fig.2Simulation diagram of rockfall trajectory
of the6-level hard rock slope
通过模拟6级常用坡率岩质（软质岩、硬质岩）边坡得到的落石运动轨迹可以看出：落石在不同分级岩体边坡的运动轨迹也大不相同，但在运动过程中均涉及多种运动方式的相互转化，主要包括滑动、滚动、自由飞落及弹跳。落石从崩塌到静止过程中的运动方式转变历程也基本一致：落石（初始速度为0）自初始位置（即A点位置）开始在自重作用下做自由落体运动，使势能逐步转化为落石的动能，落石沿坡面开始滚动或滑动。随着动能的增加，落石对坡面撞击能量增大，当坡面变形无法满足吸收落石运动动能时，就会迫使部分动能通过上升向势能转化，从而发生跳跃运动。落石的第一次明显弹跳发生在第一段变坡点，即B点附近，当落石与AB 段边坡下方平台发生碰撞时，落石能量发生转化，法向分速度大于0，产生跳跃；随后落石在BC段及其以下各坡段均以跳跃的运动形式为主，且弹跳高
度逐步加大，形成几次历时较长的临空斜抛运动，落石沿坡面运动过程大部分处于跳跃运动，其中主要弹跳集中在平台与公路上，落石运动至坡脚后，小部分落于公路排水槽内，但大部分再次发生较大能量的反弹，落至公路及其附近，该模拟结果与崩塌现场常见遗留落石分布规律基本相符。
初步分析，危岩体失稳后的运动特征有以下几个显著特点：①危岩体的失稳具有突发性；②失稳后的崩塌体运动速度快；③崩塌体运动过程中有自由落体、跳跃、滚动、滑动、相互撞击崩解等多种运动方式，且运动方式多变⑴；④崩塌体运动轨迹受多因素（确定和不确定因素）影响，运动轨迹多变。
2危岩体失稳后的运动特征及其影响因素分析
根据危岩的变形破坏机制分析，进入累进破坏进程的危岩在各种诱发因素，如水的软化、冲刷、冰劈、冻融、风化、水压作用、施工扰动、爆破施工引起的震动等作用都会导致危岩体的破坏失稳。同时，通过调查发现，硬质岩在不含贯通裂隙和软弱夹层情况下，破坏仅仅是小型楔体破坏、掉块和崩塌，这些因素依赖于边坡坡度、结构面发育和组合关系。由于开挖过程中的卸载以及爆破开挖过程中的冲击作用，小型破坏十分常见，整体破坏较少发生。
不同的失稳模式下危岩体初始崩塌的方式也不一样，根据其破坏方式的不同可分为滑塌式、坠落式和倾倒式三种类型⑵。通过现场调查和分析，影响崩塌体运动特征的主要因素有：（1）崩塌体大小、形状及力学性质；（2）边坡的高度、坡度、坡形；（3）坡面组成物质及其表面的风化程度、覆盖层
及
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韩明超等：浅谈基于Rocfall模拟的公路边坡危岩体崩塌运动特征及防护2020年第6期
植被等，这些因素往往决定了崩塌体的运动轨迹和动能⑶。
3危岩体边坡的防护分析
危岩体研究主要是为了确立适宜的防治对策，最大程度上降低或消除危岩体对人员和工程设施的威胁，保护公民的生命财产及工程设施安全，达到防灾减灾的目的。危岩体防治对策的研究是一个系统工程，防治对策的最终确立是各种影响因素共同作用的结果，尤其在公路边坡地质灾害中，危岩崩塌具有分布广泛性、失稳突发性、致灾严重性，其防治难度较大⑷，如何有效地防治危岩体成为解决问题的关键。
从落石运动轨迹模拟图（图1、图2）可看出，模拟中50个落石样本均静止于公路及其附近，危险区域覆盖公路。边坡高度越高，岩质越硬，落石静止点的位置距初始位置水平距离就越远。通过统计分析，当落石下落到公路位置时，6级软质岩及6级硬质岩边坡崩塌落石平均速度分别为14.25m/s、18.41m/s，平均每一落石总动能分别为11.61kJ、21.30kJ，可见落石具有一定的速度和能量，且能量随落石质量的增大而增大，对公路设施及行车安全构成极大威胁，严重影响公路的运行安全，迫切需要对危岩体采取相应防护措施。
危岩体防治的工程措施从方式上可分为两大类，即主动加固治理措施和被动防护措施。主动加固治理措施主要包括SNS主动防护系统（被覆系统）、清除、支撑或锚固、封填与嵌补、灌浆勾缝以及刷坡等；被动防护措施主要包括落石平台、拦石墙或拦石栅栏、落石槽、遮挡（明洞或棚洞）、SNS被动防护系统以及植被防护技术等⑸。从运动路径上可分为路径前段控制措施和后段控制措施，路径前段控制可采用拦石网或拦石墙、调整坡形、植被防护等措施来阻碍落石的向下运动；路径后段控制可采用拦石墙、落石槽等措施吸收崩塌体冲击能量，降低崩塌体对公路及生命财产所构成的威胁。
为突出对比性，以6级常用坡率硬质岩边坡为例，通过分析6级岩质边坡落石总动能分布曲线（图3）和弹跳高度变化曲线（图4）可得出：在初始阶段落石总动能和弹跳高度相对较小，但随着不断向下运动总动能和弹跳高度也随之不断增大，同时增大了防护难度，因此，为达到最佳防护效果，应在落石运动初期未发生大幅跳跃之前对落石进行拦截较为经济合理。根据落石运动轨迹模拟图分析可知，在第一段变坡点附近落石发生跳跃，在路径上对危岩体崩塌落石进行防护时，应在落石沿边坡坡面滚动阶段设置防护措施，此时落石冲击能量和弹跳高度相对较低，对防护设施抗冲击能力及高度要求相对较低，可以有效降低施工难度和工程造价。
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图36级硬质岩边坡落石总动能分布曲线
Fig.3The distribution curve of total kinetic energy
of rockfall on the6-level hard rock slope
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着
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Location[i]
图46级硬质岩边坡落石弹跳高度曲线
Fig.4The bounce height curve of rockfall on the6-level
hard rock slope
以拦石墙+落石槽防护为例，拦石墙和落石槽是危岩体防护工程中常用的被动防护措施，其造价低廉，施工难度小，在适宜的工程条件下可优先考虑。
如图5、图6所示，在每级边坡平台设置一座小型拦石墙（模拟中设计高度为1.0m）和一级边坡坡脚处设置落石槽（模拟中设计深度为1.5m，兼具排水功能），落石初始位置分别选取A、B、C点，模拟结果如图所示，理想状态下落石样本全部落到拦石墙和落石槽拦截范围内，并未发生大幅跳跃及飞出拦石墙和落石槽，说明拦石墙和落石槽可分别设
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置在每级边坡平台和一级边坡坡脚处，满足在路径上对危岩体防护的效果，同时通过缓冲作用可降低落石的冲击能量，从而达到防护目的，保障公路行
图56级软质岩边坡拦石墙设计示意图
Fig.5Schematic diagram of the design of the rock-blocking
wall on the6-level soft rock slope
图66级硬质岩边坡拦石墙设计示意图
Fig.6Schematic diagram of the desig n of the rock-blocki n g
wall on the6-level hard rock slope
对于拦石墙的高度和抗冲击力也可依据Rocfall 模拟所提供的相关参数进行设计，依据勘察结果合理布设拦石墙位置，通过模拟确定该位置落石样本的弹跳高度、总动能等相关参数分布，再依据落石样本的最大弹跳高度设计拦石墙的最小高度，以及依据落石实际分布状况和总动能变化设计拦石墙荷载能
力。如图7所示，通过模拟可得到岩质边坡上每一位置所对应的落石弹跳高度和总动能分布柱状，为防护设计提供数据支持。拦石墙与落石槽配合使用，具体的设置尺寸应与现场情况相适应，以期达到最好的防护效果。
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(a)落石弹跳高度分布柱状图
(b)落石总动能分布柱状图
图7岩质边坡水平X=42.800m处落石弹跳高度及总动能分布柱状图Fig.7Histogram of bounce height and total kinetic energy distribution of rockfall at the horizontal X=42.800m of the rock slope
4小结
通过采用RocfaU软件模拟公路岩质边坡崩塌落石运动特征，可更为宜观的为公路岩质边坡崩塌体防治提供理论依据。由于危岩体崩塌受多重因素影响，存在诸多不确定性，因此，还需根据具体问题具体分析，通过实地调查研究并选择合理的模拟参数也是决定模拟准确性的重要影响因素之一。通过Rocfall软件模拟并与经验分析、理论计算、现场实验等多种手段相结合，将有利于优化防治措施、降低工程造价、提高防治效果，最终达到防灾减灾的目的。
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图8模型与试验徐变应变结果对比
Fig. 8 Comparison of model and test creep strain results
4结论
(1) 磨细矿渣掺量为20%时，桥梁混凝土的强
度值最大；磨细矿渣掺量为30%时，抑制徐变的能
力最强，徐变度从大到小依次为：S0>S40>S10> S20>S30, S30试验组徐变度较基准对照组减小
29.5%；损伤与徐变应变发展同步，进行1年的试验
后，S30组的损伤值仅为试验对照组的63. 5%，矿渣 的掺入很好地抑制了试件内部微裂隙的发展。
(2) 通过SEM 试验，对掺矿渣混凝土的微观结 构和界面进行了分析，认为适当的掺入矿渣，能够
促进混凝土二次水化反应，形成致密平整的结构界
面，增强内部颗粒胶结力，从而抑制徐变和损伤
发展。
(3) 结合试验数据，建立起可考虑矿渣掺量影 响的徐变-损伤模型，该模型能较好地模拟预测不同
矿渣掺量情况下混凝土的徐变发展情况。
(4) 根据试验成果，建议项目施工过程中采用
20%~30%左右的矿渣掺料，既可以保证桥梁混凝土 良好的强度特性，又可以起到较好抑制桥梁徐变和
损伤的发展。
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