雅瀘高速公路邊坡典型危巖體運(yùn)動(dòng)特征分析

郭 宇，李均山，厚淵博

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

雅瀘高速公路邊坡典型危巖體運(yùn)動(dòng)特征分析

郭 宇，李均山，厚淵博

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

危巖失穩(wěn)是山區(qū)一類重要的地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)常對(duì)邊坡下部人員和建筑物造成極大的威脅。經(jīng)過(guò)對(duì)雅瀘高速公路沿線邊坡詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，確定法向恢復(fù)系數(shù)Tn、切向恢復(fù)系數(shù)Tτ及摩擦系數(shù)等計(jì)算參數(shù)，結(jié)合計(jì)算模型，從工程防護(hù)的角度出發(fā)，估算了危巖的運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)速度、彈跳高度以及能量變化進(jìn)行分析，為工程防護(hù)提供了合理可靠的依據(jù)。

危巖體 恢復(fù)系數(shù) 運(yùn)動(dòng)軌跡 運(yùn)動(dòng)特征

隨著山區(qū)公路、鐵路修建速度加快，邊坡穩(wěn)定性成為一類重要的工程地質(zhì)問(wèn)題。目前對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性所作的研究較多，而對(duì)邊坡局部穩(wěn)定性問(wèn)題——危巖體失穩(wěn)破壞卻研究較少。斜坡上已有變形跡象，具有失穩(wěn)破壞征兆的巖塊體稱為危巖體[1]。失穩(wěn)后的危巖體經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)邊坡下部公路運(yùn)營(yíng)及人民生活造成極大的威脅。

本文以雅瀘高速公路C16標(biāo)段邊坡典型危巖體為研究對(duì)象，在詳細(xì)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，確定法向恢復(fù)系數(shù)Tn、切向恢復(fù)系數(shù)Tτ及摩擦系數(shù)等計(jì)算參數(shù)，結(jié)合呂慶等人對(duì)邊坡落石計(jì)算模型的研究[2]，估算了危巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論，為工程防護(hù)提供了可靠保證。

1 工程地質(zhì)條件

整個(gè)研究區(qū)域?qū)儆诟呱胶庸鹊孛?，河床?yán)重下切，兩側(cè)山體海拔最高接近2 000 m，平均坡度45°，坡面產(chǎn)狀SN/E∠40°～50°，河谷兩岸地貌有明顯新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征，坡腳高程1 150 m，橋面設(shè)計(jì)高程1 210 m。

邊坡上部巖體主要為中風(fēng)化～弱風(fēng)化花崗巖，表層巖體卸荷作用強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)面發(fā)育裂隙面延伸較長(zhǎng)且相互貫通。在長(zhǎng)期復(fù)雜地質(zhì)作用下，很大一部分失穩(wěn)危巖體沿坡面滾動(dòng)、翻滾后受地表樹(shù)木攔擋或者覆蓋層的撞擊消能而運(yùn)動(dòng)，“坐落”在中位高程覆蓋層上。典型危巖體如圖1所示，小方量的高位勢(shì)能危巖體對(duì)邊坡下部高速公路橋面和橋墩具有極大的威脅。

圖1 “坐落“在邊坡上部的典型危巖體

2 典型危巖體運(yùn)動(dòng)特征研究

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

危巖體失穩(wěn)主要受底部覆蓋層的支撐，在地震、降雨等誘發(fā)因素作用下容易失穩(wěn)，而失穩(wěn)后危巖體運(yùn)動(dòng)特征又受斜坡幾何特征，坡表地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，危巖體物理力學(xué)性質(zhì)控制[3-5]。取重力加速度9.81 m/s2，通過(guò)恢復(fù)系數(shù)來(lái)考慮碰撞前后的速度變化，研究區(qū)域坡面幾何特征及各個(gè)坡段恢復(fù)系數(shù)[6]分別見(jiàn)表1、表2。

2.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

將整個(gè)坡段分為若干直線段，起點(diǎn)為危巖體實(shí)際所處位置，終點(diǎn)為橋面所在位置。根據(jù)呂慶等人對(duì)邊坡落石計(jì)算模型的研究，結(jié)合坡面特征，危巖體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中先后經(jīng)歷滑動(dòng)和自由飛落階段。

巖塊由靜止開(kāi)始滑動(dòng)，結(jié)束時(shí)刻的線速度

式中，μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值;s為沿坡面滑動(dòng)的距離;α為坡角。

表1 危巖體運(yùn)動(dòng)各個(gè)坡段幾何特征

表2 各坡段法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)取值

滑動(dòng)結(jié)束后巖塊經(jīng)歷一系列自由飛落運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的初速度為滑動(dòng)階段結(jié)束時(shí)刻速度。以坡角為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則碰前任一時(shí)刻巖塊坐標(biāo)

設(shè)坡面幾何方程為 g(x，y)=0，聯(lián)立式(2)、式(3)，并代入坡面方程，得到單個(gè)坡段的運(yùn)動(dòng)軌跡

并求得巖塊在坡面撞擊點(diǎn)坐標(biāo)(x1，y1)，落地前速度分量V1x，V1y，與地面碰撞瞬間，速度變化如下

式中，V2n，V2τ分別為碰后速度沿坡面的法向分量與切向分量;V1n、V1τ分別為碰前速度沿坡面的法向分量與切向分量。將碰后速度沿坐標(biāo)軸分解，得到碰后速度水平分量V2x和豎直分量V2y及碰后合速度V2

巖塊以V2為初速度開(kāi)始做下一階段的自由飛落運(yùn)動(dòng)，最終確定危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡

巖塊由靜止沿OA坡段加速滑動(dòng)，到達(dá)A點(diǎn)后由于坡角變大開(kāi)始自由飛落運(yùn)動(dòng)，第一次與坡面的碰撞點(diǎn)在距A點(diǎn)4 m左右的K1點(diǎn)，第二次碰撞仍在AB段，碰撞點(diǎn)K2距A點(diǎn)120 m左右，此時(shí)巖塊具有較大動(dòng)能，巖塊躍過(guò)BC段在坡度較緩的CD段上(K3點(diǎn))發(fā)生第三次碰撞，動(dòng)能繼續(xù)增大，第四次碰撞在EF坡段上的K4點(diǎn)，此時(shí)速度達(dá)到25.9 m/s，最后經(jīng)自由飛落與橋墩(K5點(diǎn))發(fā)生碰撞。

2.3 運(yùn)動(dòng)特征分析

從工程防護(hù)的角度出發(fā)，防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)常最關(guān)注的是碰撞在結(jié)構(gòu)上的位置和能量，對(duì)研究區(qū)域典型危巖體各個(gè)階段運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，在各個(gè)坡段運(yùn)動(dòng)速度、最大彈跳高度及能量變化分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 危巖體在不同坡段的速度

圖4 危巖體在不同坡段的彈跳高度

圖5 危巖體在不同坡段的動(dòng)能

圖3顯示危巖體每次碰撞，都會(huì)在地面點(diǎn)產(chǎn)生消能效應(yīng)，碰撞前的速度越大，消能越強(qiáng)烈，但總體速度呈增大趨勢(shì)，最大運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到42.5 m/s，發(fā)生在斜坡中部，運(yùn)動(dòng)到橋墩處速度達(dá)到25.6 m/s，會(huì)對(duì)公路造成威脅。

由圖4顯示，危巖體在每個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的最大彈跳高度都在不斷增加，到橋墩處彈跳高度達(dá)到40.6 m/s，會(huì)對(duì)橋墩中上部直接造成沖擊。若在斜坡下部采用攔石防護(hù)系統(tǒng)，不僅造價(jià)高，且撞擊能量大，建議在邊坡上部采用就地加固或者人工治理清除此類危巖體。

圖5顯示危巖體運(yùn)動(dòng)到橋墩處仍有786 kJ的動(dòng)能，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)[7]，落石對(duì)攔擋墻的計(jì)算公式，此時(shí)沖擊力達(dá)到473.5 kN。消能效應(yīng)最強(qiáng)烈發(fā)生在第三次碰撞(K3點(diǎn))，此時(shí)巖塊碰撞更趨向于完全非彈性碰撞;實(shí)際情況由于該坡段(DE)坡度變緩，坡表覆蓋層較厚，且植被較發(fā)育，導(dǎo)致巖塊動(dòng)能損失嚴(yán)重，因此，加強(qiáng)對(duì)坡表植被及覆蓋層的保護(hù)也是減小危害的有力措施。

3 結(jié)論

危巖體崩落是山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類型，研究其運(yùn)動(dòng)特征對(duì)工程防護(hù)和評(píng)價(jià)其危害性具有十分重要的意義。危巖運(yùn)動(dòng)是多種因素的耦合作用，碰撞過(guò)程中的能量變化很大程度取決于選取的恢復(fù)系數(shù)，因此通過(guò)前期詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，合理選擇幾何參數(shù)和計(jì)算參數(shù)是研究其運(yùn)動(dòng)特征的關(guān)鍵。通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)軌跡，確定和統(tǒng)計(jì)各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)速度，最大彈跳高度及能量等要素，掌握其變化規(guī)律，為工程防護(hù)和同類災(zāi)害防治提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

[1]陳洪凱.三峽庫(kù)區(qū)危巖綜合治理技術(shù)及應(yīng)用[J].地下空間，2002，2(22):98-100.

[2]呂慶，孫月紅.邊坡滾石運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2003，12(2):79-84.

[3]楊海清，周小平.邊坡落石運(yùn)動(dòng)軌跡新方法[J].巖土力學(xué)，2009，30(11):3411-3416.

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[5]楊巧艷，孔書(shū)祥.山區(qū)鐵路路基邊坡病害整治與研究[J].鐵道建筑，2006(3):65-68.

[6]DAY R W.Case studies of rockfall in soft versus hard rock[J].Environmental and Engineering Geoscience，1997，3(1):133-140.

[7]中華人民共和國(guó)交通部.JTG D30—2004 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

U213.1+55

A

1003-1995(2012)06-0095-03

2012-01-22;

2012-03-30

郭宇(1988— )，女，湖北潛江人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)