雅泸高速公路边坡典型危岩体运动特征分析

郭 宇，李均山，厚渊博

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

雅泸高速公路边坡典型危岩体运动特征分析

郭 宇，李均山，厚渊博

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

危岩失稳是山区一类重要的地质灾害，经常对边坡下部人员和建筑物造成极大的威胁。经过对雅泸高速公路沿线边坡详细的现场地质调查，确定法向恢复系数Tn、切向恢复系数Tτ及摩擦系数等计算参数，结合计算模型，从工程防护的角度出发，估算了危岩的运动轨迹，并对各个阶段的运动速度、弹跳高度以及能量变化进行分析，为工程防护提供了合理可靠的依据。

危岩体 恢复系数 运动轨迹 运动特征

随着山区公路、铁路修建速度加快，边坡稳定性成为一类重要的工程地质问题。目前对边坡整体稳定性所作的研究较多，而对边坡局部稳定性问题——危岩体失稳破坏却研究较少。斜坡上已有变形迹象，具有失稳破坏征兆的岩块体称为危岩体[1]。失稳后的危岩体经过一系列复杂的地质运动，对边坡下部公路运营及人民生活造成极大的威胁。

本文以雅泸高速公路C16标段边坡典型危岩体为研究对象，在详细调查现场地质资料的基础上，确定法向恢复系数Tn、切向恢复系数Tτ及摩擦系数等计算参数，结合吕庆等人对边坡落石计算模型的研究[2]，估算了危岩体的运动轨迹，并对各个运动阶段运动特征进行了详细分析和讨论，为工程防护提供了可靠保证。

1 工程地质条件

整个研究区域属于高山河谷地貌，河床严重下切，两侧山体海拔最高接近2 000 m，平均坡度45°，坡面产状SN/E∠40°～50°，河谷两岸地貌有明显新构造运动特征，坡脚高程1 150 m，桥面设计高程1 210 m。

边坡上部岩体主要为中风化～弱风化花岗岩，表层岩体卸荷作用强烈，结构面发育裂隙面延伸较长且相互贯通。在长期复杂地质作用下，很大一部分失稳危岩体沿坡面滚动、翻滚后受地表树木拦挡或者覆盖层的撞击消能而运动，“坐落”在中位高程覆盖层上。典型危岩体如图1所示，小方量的高位势能危岩体对边坡下部高速公路桥面和桥墩具有极大的威胁。

图1 “坐落“在边坡上部的典型危岩体

2 典型危岩体运动特征研究

2.1 计算参数选取

危岩体失稳主要受底部覆盖层的支撑，在地震、降雨等诱发因素作用下容易失稳，而失稳后危岩体运动特征又受斜坡几何特征，坡表地质力学性质，危岩体物理力学性质控制[3-5]。取重力加速度9.81 m/s2，通过恢复系数来考虑碰撞前后的速度变化，研究区域坡面几何特征及各个坡段恢复系数[6]分别见表1、表2。

2.2 运动轨迹分析

将整个坡段分为若干直线段，起点为危岩体实际所处位置，终点为桥面所在位置。根据吕庆等人对边坡落石计算模型的研究，结合坡面特征，危岩体在运动过程中先后经历滑动和自由飞落阶段。

岩块由静止开始滑动，结束时刻的线速度

式中，μ为滑动摩擦系数，根据经验取值;s为沿坡面滑动的距离;α为坡角。

表1 危岩体运动各个坡段几何特征

表2 各坡段法向恢复系数、切向恢复系数取值

滑动结束后岩块经历一系列自由飞落运动，此时的初速度为滑动阶段结束时刻速度。以坡角为原点建立直角坐标系，则碰前任一时刻岩块坐标

设坡面几何方程为 g(x，y)=0，联立式(2)、式(3)，并代入坡面方程，得到单个坡段的运动轨迹

并求得岩块在坡面撞击点坐标(x1，y1)，落地前速度分量V1x，V1y，与地面碰撞瞬间，速度变化如下

式中，V2n，V2τ分别为碰后速度沿坡面的法向分量与切向分量;V1n、V1τ分别为碰前速度沿坡面的法向分量与切向分量。将碰后速度沿坐标轴分解，得到碰后速度水平分量V2x和竖直分量V2y及碰后合速度V2

岩块以V2为初速度开始做下一阶段的自由飞落运动，最终确定危岩体运动轨迹如图2所示。

图2 危岩体运动轨迹

岩块由静止沿OA坡段加速滑动，到达A点后由于坡角变大开始自由飞落运动，第一次与坡面的碰撞点在距A点4 m左右的K1点，第二次碰撞仍在AB段，碰撞点K2距A点120 m左右，此时岩块具有较大动能，岩块跃过BC段在坡度较缓的CD段上(K3点)发生第三次碰撞，动能继续增大，第四次碰撞在EF坡段上的K4点，此时速度达到25.9 m/s，最后经自由飞落与桥墩(K5点)发生碰撞。

2.3 运动特征分析

从工程防护的角度出发，防护结构设计经常最关注的是碰撞在结构上的位置和能量，对研究区域典型危岩体各个阶段运动进行分析计算，在各个坡段运动速度、最大弹跳高度及能量变化分别如图3、图4和图5所示。

图3 危岩体在不同坡段的速度

图4 危岩体在不同坡段的弹跳高度

图5 危岩体在不同坡段的动能

图3显示危岩体每次碰撞，都会在地面点产生消能效应，碰撞前的速度越大，消能越强烈，但总体速度呈增大趋势，最大运动速度达到42.5 m/s，发生在斜坡中部，运动到桥墩处速度达到25.6 m/s，会对公路造成威胁。

由图4显示，危岩体在每个运动阶段的最大弹跳高度都在不断增加，到桥墩处弹跳高度达到40.6 m/s，会对桥墩中上部直接造成冲击。若在斜坡下部采用拦石防护系统，不仅造价高，且撞击能量大，建议在边坡上部采用就地加固或者人工治理清除此类危岩体。

图5显示危岩体运动到桥墩处仍有786 kJ的动能，根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)[7]，落石对拦挡墙的计算公式，此时冲击力达到473.5 kN。消能效应最强烈发生在第三次碰撞(K3点)，此时岩块碰撞更趋向于完全非弹性碰撞;实际情况由于该坡段(DE)坡度变缓，坡表覆盖层较厚，且植被较发育，导致岩块动能损失严重，因此，加强对坡表植被及覆盖层的保护也是减小危害的有力措施。

3 结论

危岩体崩落是山区常见的地质灾害类型，研究其运动特征对工程防护和评价其危害性具有十分重要的意义。危岩运动是多种因素的耦合作用，碰撞过程中的能量变化很大程度取决于选取的恢复系数，因此通过前期详细现场地质调查，合理选择几何参数和计算参数是研究其运动特征的关键。通过分析运动轨迹，确定和统计各个阶段的运动速度，最大弹跳高度及能量等要素，掌握其变化规律，为工程防护和同类灾害防治提供科学可靠的依据。

[1]陈洪凯.三峡库区危岩综合治理技术及应用[J].地下空间，2002，2(22):98-100.

[2]吕庆，孙月红.边坡滚石运动的计算模型[J].自然灾害学报，2003，12(2):79-84.

[3]杨海清，周小平.边坡落石运动轨迹新方法[J].岩土力学，2009，30(11):3411-3416.

[4]唐红梅，易朋莹，危岩落石运动路径研究[J].重庆建筑大学学报，2003，25(1):17-23.

[5]杨巧艳，孔书祥.山区铁路路基边坡病害整治与研究[J].铁道建筑，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]中华人民共和国交通部.JTG D30—2004 公路路基设计规范[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，湖北潜江人，硕士研究生。

(责任审编 王天威)