高陡岩质边坡落石病害分析与安全防护研究

李莉萍

（福建省高速公路集团有限公司，福州 350001）

随着我国道路工程建设向偏远山区的快速推进，道路边坡工程数量越来越多，其中高陡岩质边坡落石病害问题在公路设计、建造及运营养护中日益突出。 落石病害具有随机、突发、瞬时、冲击力大及危害范围广等特点。

厦蓉高速公路扩建工程中某高陡岩质边坡存在掉块落石病害（图1）。以本边坡为例，通过现场踏勘、地质分析，并利用计算软件数值建模，计算分析落石运动特性的弹跳高度、平移速度、总动能及停积位置概率等相关指标，以期实现该边坡的有效安全防护；同时为类似高边坡工程的安全施工和防护提供一定参考与借鉴。

1 边坡概况

本边坡为新扩建高速公路路堑边坡，位于既有高速公路左侧山体上方 （图1 所示）， 设计边坡长300 m，采用陡坡强加固设计，高6 级，最大高度约61.4 m；与既有运营高速公路高差约85 m。

2 坡体地质

边坡场区属剥蚀丘陵地貌， 地形波状起伏，山坡坡度约40°～60°，自然斜坡现状稳定，植被发育。坡体上覆坡残积土，下覆燕山早期侵入花岗岩(图2)。中风化、 微风化花岗岩岩体以中风化花岗岩为主，呈浅灰白色，块状、层状（图3 所示），节理裂隙发育，发育多组顺倾向结构面，结构面张开、渗水。

图2 新扩建边坡地图断面图

3 病害与安全风险分析

边坡原设计最高为6 级（单级10 m），主要防护为：第1～4 级采用绿化防护，第5、6 级采用预应力锚索框架加固防护。 本段边坡开挖揭露，坡体存在以下落石病害与安全风险：

图3 岩体顺倾节理裂隙

（1）边坡局部较高陡，按设计坡率刷方，边坡高度将大幅增加，对坡体扰动大；若边坡采用近垂直坡率施工，安全防护要求高，坡体掉块、落石病害特征显著。

（2）边坡岩体呈块状，结构面发育、顺倾、张开，开挖后坡面危岩体较发育，易发生沿结构面块体滑移掉落病害；且由于山体地形较陡，开挖阶段掉块、落石对下部既有高速公路安全运营隐患较大。

（3）由于岩体坚硬，边坡开挖刷方，对岩体及节理裂隙扰动大，对开挖坡面上部山体岩体存在扰动牵引变形可能；边坡局部稳定性较差，且落石对开挖施工安全风险影响高。

4 落石病害分析

4.1 落石分析理论

陡坡落石指岩块从母岩体分离出来，经过与垫面的弹跳、碰撞、飞跃、滑动等运动过程，顺着陡高山坡面快速向下运动，最后在平缓处或者障碍物附近停止运动的过程[1]。 针对落石病害的防控，主要通过对落石运动特征和冲击特征2 方面的研究来进行量化分析[2]，其中落石的运动形态、运动轨迹、跌落距离、飞行高度、速度和运动能量、冲击力等，是落石防护结构设计的核心指标。 目前对其理论分析主要基于Hertz 弹性碰撞理论、碰撞恢复系数方法[3-4]及关于冲击力的计算方案研究[5-6]。

落石分析在量化计算与运动轨迹模拟方面计算过程较复杂， 目前较为常用的有RocFall 计算软件，该软件基于概率统计理论模拟计算落石滚落路径， 并通过将落石简化为均匀且不会破碎的质点，坡面视为各向同性的弹塑性体， 忽略空气阻力，利用运动参数法向恢复系数、切向恢复系数、动摩擦系数和孤石重量等指标实现落石上述指标的量化计算[7-9]。

该软件主要参数包括法向恢复系数、切向恢复系数、动摩擦系数和孤石重量等，量化计算满足能量守恒原理。 其中恢复系数为两物体碰撞后分离速度与碰撞前接近速度的比值（包含：法向恢复系数与切向恢复系数），两者成正比关系。 由于落石与岩面碰撞反弹存在相应能量损失，其恢复系数介于0～1。 恢复系数反映落石碰撞行为及其弹出后的能量赋存情况，因此恢复系数取值尤为敏感，其直接决定落石运动路径[3-4]，具体取值建议可参考表1。

表1 岩面恢复系数

高位落石于坡面的动摩擦系数的取值与滚石的大小、形状、速度及边坡坡度、坡面地质力学性质有关。 根据前人研究[7]，其取值经验公式如表2 所示。

表2 滚动摩擦系数取值

4.2 落石病害分析

根据坡体地质资料及现场踏勘调查，并考虑危岩体岩块尺寸等，建立计算模型。

以本边坡病害最严重的K99+920 断面为例,进行坡面危岩体崩塌落石病害的量化计算分析。 落石模拟高度为设计新扩建边坡最大高度61.4 m，岩块平均质量500 kg（图4 所示），相关参数指标参考表1～2 选取最不利参数指标，取值如表3 所示：

表3 落石病害分析参数

对存在的潜在危岩体落石进行分析， 计算200 次落石运动轨迹分布规律，其计算结果如图4所示。

图4 计算模型与计算运动路径图

图4 中上部新扩建沥青道路横坐标范围为62～92 m，下部既有沥青道路范围为206～230 m。 计算数据及结论分析如下：

（1）图5 数据显示，坡体危岩体落石主要集中于新建与既有高速公路路面，新建高速公路（坐标83～92 m 范围）落石77 处，占38.5%；下部既有高速公路（坐标215～230 m 范围）落石109 处，占54.5%；上部自然坡落石1 处，中部坡面落石12 处。 根据落石数量分析，危岩体对扩建道路的工程施工和既有高速公路运营均存在较大安全隐患，应对坡体上部危岩体采取清除、加固或支挡拦截等处治措施。

图5 落石水平分布

（2）图6 数据显示，根据危岩体落石弹跳高度分析，其落石在位于上部扩建高速公路坡脚及路面范围，落石弹跳高度较大，最高约12.5 m；弹跳至下部自然坡体后，主要以滚落为主，至既有运营高速公路，弹跳高度较小，约1 m。据此分析，对落石拦截防护措施应布设于边坡上部。

图6 弹跳高度包络线

（3）图7 数据显示，根据危岩体落石总动能分析， 最强落石冲击力位于新建高速公路路面范围，约170 kJ，且对新建高速外侧坡面至下部既有高速公路存在较大冲击破坏作用。 因此，为避免其破坏作用，宜采取危岩体清除、坡面封闭、加固等措施。

图7 总动能包络线

（4）由于扩建高速公路的边坡与路基开挖施工，致使下部自然坡面存在堆积松散块体、 较大孤石等情况，对既有高速公路安全运营影响较大。 因此，应对新建道路下部自然坡面的松散体、 孤石及其它不稳定危岩体等采取清除和拦截防护等措施。

5 安全防护措施

根据危岩体的数值分析结果，该段边坡开挖施工危险性高，可实施性差，且新建道路上部山体存在潜在失稳隐患。 结合边坡实际情况，制定具体施工方案与安全防护措施如下：

（1）下部既有高速公路双向封道，上部扩建高速公路的高陡坡面采用爆破施工进行坡面刷方（陡坡刷方）， 并清除开挖后坡面及坡顶上方自然坡体的危岩体、孤石等。

（2）上部扩建高速公路路堑边坡，采用混凝土护面墙结合边坡岩体的陡坡强加固方案防护（图8～9）进行坡面封闭和加固防护。 第1 级采用岩栓锚杆结合混凝土护面墙防护；第2、3 级边坡调整为预应力锚杆地梁防护，局部节理裂隙发育、顺倾区域增设岩栓锚杆+C20 砼护面墙+预应力锚杆地梁。

（3）扩建高速公路边坡坡顶设置被动网拦截防护，预防上部自然山体落石病害。

（4）清除新建道路下部山体爆破遗留松散岩体，并设置被动网防护。

图8 新扩建边坡防护设计图

图9 边坡防护效果

6 结语

本段高陡岩质边坡地形条件差， 岩性强度高，结构面发育且顺倾；在边坡开挖过程中，施工难度大，危险性高，对既有高速公路运营安全隐患大。 通过采用RocFall 软件对陡坡落石路径轨迹等进行分析，可对落石的病害程度、规模进行有效地发现、揭示和量化，并根据量化的指标（如：滚落距离、数量、能量和高度等）进行针对性的防护。 通过对本扩建高速的高陡顺倾岩质边坡的病害分析，主要采用了全坡面覆盖、支顶及危岩体预应力锚固和拦截的综合防护措施，工程防护效果良好。 本文的方法和针对性处治，对处理工程建设中的此类问题具有较大参考意义。