基于RocFall的岩质边坡稳定性分析及治理措施研究

基于RocFall的岩质边坡稳定性分析及治理措施研究

朱婷婷

江苏省地质工程有限公司   江苏南京  210000

摘要：边坡是指岩土体因自然作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面[1]。诸如崩塌、滑坡等均为边坡发生后的主要破坏形式，而且这些形式不仅有隐蔽性特点，而且还具有分布范围广、突发性强等特点，因而每年均会带来大量的人员伤亡以及巨大的经济损失，严重制约着我国社会经济的发展步伐，而且也不利于国民社会的长久化发展。RocFall软件，能够对边坡落石风险进行准确分析、评定，还能分析其速度、弹跳高度等。论文通过对研究区典型剖面上落石运动轨迹的模拟计算，分析确定落石集中区、最大弹跳高度、最远落石距离等，为落石的防护、边坡加固提供设计参考。

关键词：崩塌；稳定性分析；RocFall

一、研究区地质现状

研究区位于苏州市吴中经济开发区横泾街道，距苏州市区西南约10km，距太湖仅3km。周边交通便利，西侧紧邻木东路，距南侧吴中大道仅1.4km。研究区内的地层主要为泥盆系上统五通组（D3w）和第四系。山体地层主要为泥盆系上统五通组石英砂岩、粉砂质泥岩，山体北侧低缓平地为第四系覆盖。边坡已出现比较明显的地质灾害，比如崩塌、滑坡等；此外，处于裸露状态的岩性破碎，非常容易引发崩塌；而此处所存在的大量崩塌堆积体、坡顶残坡积层等，有引发滑坡的风险。

二、计算原理

所谓崩塌落石，从根本上来讲，即为在重力等的作用下，位于斜坡或者高陡坡上的一些危岩体，突然向下快速滚落的一种情况。需要指出的是，通过对落石的基本运动学原理进行深层分析，且将崩塌落石准确的运动方向、规律进行预判，能够为相关工程的高效开展提供切实支撑。当前，已出现许多用于分析落石运动学的方法，其中，最为常用的便是牛顿三大定律与碰撞理论，其通过开展大量的科研试验、模型试验及现场试验等，从中总结各种数据与成果，尤其是那些对落石轨迹有着较大影响的各种特征参数，通过将其与运动学公式相结合，便能够较好的模拟落石的准确轨迹，并对其速度、动能等进行预测与计算。曾舜[2]通过对RocFall（落石分析软件）进行高质量应用，成功对危岩段潜在落石的具体运行轨迹、最大落石落点的准确集中区以及在不同位置上所呈现出的运行速度等内容进行了验证，并且还将此软件应用于危岩落石处治的总体设计体系当中，从而合理处治方案的制定与优化，提供依据支撑。依据运动学的基本理论，可将落石运动状态划分为4种类型，其一为坠落，其二是滑动，其三为碰撞弹跳，其四是滚动。以下主要介绍滚动及弹跳模式下的落石速度计算方法、能量计算、终止条件等。

①滚动模式下落石速度计算方法

当落石以滚动模式运行时，其运动轨迹即为坡面形状，其运动变化主要受坡面摩擦作用控制，则平行于坡面的运动速度可计算为：  

                       （2.1）

                      （2.2）

                       （2.3）

式中，v′′为计算点落石运动的具体速度，m/s；v′为落石在初始点时的运动速度，m/s；v1′为计算点的运动速度，m/s；g为重力加速度，9.8m/s2；a为计算段内落石所对应的运动加速度，m/s2；s为计算段坡面长度，m；为计算段坡角，°；µ为摩擦系数。

②弹跳模式下落石速度与轨迹计算方法

在弹跳运动模式下，其运动轨迹为各触地点间落石抛物线段的组合，其运动速度的大小和方向均受坡面阻尼作用的影响，则触地后的落石弹起速度可计算为：

                    （2.4）

                   （2.5）

                  （2.6）

                  （2.7）

式中，Vx′为落石触地之后且弹跳前在x方向上的速度，m/s；Vy′为落石在触地之后弹起前在y方向上的速度值，m/s；Vx′、Vy′分别为落石在触地弹跳后在x、y方向上的具体速度值，m/s；Rt、Rn分别为计算点位置处坡面的切向阻尼系数、法向阻尼系数。

将经计算而得到的落石在x、y方向上所对应的速度值，将其当作初始速度（落石抛物线运动轨迹），借此便能对下一触点前所对应的瞬间速度的具体方向、大小以及触地点的准确位置均给计算出来。

③落石能量计算方法

石块在坡体上的运动较复杂，可简单为平动和转动的复合，所以石块运动过程中除产生平动动能 外，还由转动产生转动动能，石块动能E为两者之和，即：

                        （2.8）

据经验，转动动能约为平动动能的0.2倍，即：

                         （2.9）

                                          （2.10）

式中，m为崩落块石质量，kg；v为块石运动速度，m/s。

④崩落距离计算

落石终止速度<0.1m/s，提示此落石已经处于停止状态，借此便能对落石崩落的具体距离进行计算。

三、计算剖面及参数选取

针对研究区崩塌地质灾害，本次计算模型选取了4个典型剖面分别进行分析。结合研究区实况，用于坡面、地面的介质参数见表3.1。

表3.1 边坡落石崩塌计算参数取值表

四、RocFall 模拟崩塌危险区计算结果

通过 RocFall 软件对各剖面坡顶落石的模拟崩塌路径（20条）进行分别计算，落石最远水平距离计算结果见表4.1。落石的崩塌路径见图4.1～图4.4。针对II区来分析，其剖面3-3′落石与坡脚之间的最远距离约为6.65m，I区剖面6-6′落石最远水平距离距坡脚约12.3m，II区剖面8-8′落石最远水平距离距坡脚约9.82m；III区剖面19-19′落石最远水平距离距坡脚约3.52m。

表4.1研究区边坡落石崩塌计算结果统计表

图4.1 研究区II区 3-3′剖面落石崩塌路径计算结果

图4.2 研究区I区 6-6′剖面落石崩塌路径计算结果

图4.3 研究区II区 8-8′剖面落石崩塌路径计算结果

图4.4 研究区III区19-19’剖面落石崩塌路径计算结果

五、崩塌区RocFall分析

I区、II区坡脚共有两处分布大量崩塌堆积体（体积约2500m³），其在具体成份上，不仅有碎石，而且还有块石，二者在所有成分中的占比达到了90%，而且有着不同大小的粒径，块体最大的为1m³，堆积物在四周的粒径较大，靠近坡体处粒径逐渐变小，堆积物平面呈扇形分布。I区边坡中部平台堆积大量崩塌堆积体（体积约为500m³），堆积体坡面坡度约34°，坡体上碎屑岩块摇摇欲坠，根据堆积体的土石比例按地区经验的调查推测其自然休止角在30°～35°，因此判定该堆积体为欠稳定状态。区内排水系统不完善，裸露边坡中部的崩塌堆积体受雨水冲刷侵蚀，极易在雨水冲刷作用下失稳再次发生滑移滚落现象。借助RocFall计算而得到的结果，从中可知，落石最远水平距离与坡脚之间的距离在3.52～12.3m之间。

六、治理措施

地质灾害治理：针对I区而言，其边坡岩体各种因素的影响（比如既往进行过开山采石、爆破）节理呈现为裂隙发育，而且裂隙对岩体有着比较严重的切割。边坡上部存在一处宽约12m的内凹弧形破碎带，结构松散，出现坍塌现象，存在滑坡隐患。坡脚及边坡中部平台堆积崩塌堆积体，坡体上碎屑岩块摇摇欲坠，极易发生崩塌、崩塌体滑坡地质灾害。针对II区来讲，其局部的边坡有着比较大的坡度，而且局部节理呈现出典型的裂隙发育，且裂隙对岩体有着比较严重的切割。坡脚有一处分布崩塌堆积体，裸露坡体上碎屑岩块摇摇欲坠存在崩塌地质灾害隐患。III区边坡未出现明显的滑坡迹象，整体稳定可控，但边坡上岩体裸露，受地表水流侵蚀较为严重，危岩裸露，摇摇欲坠，易发生崩塌地质灾害。

因此，在对此进行治理时，应将治理区地质灾害隐患的消除作为整个工作的重点。针对I区，可根据现实情况及具体需要，采取诸如修建截排水沟、锚杆+格构护坡及削坡等措施；而对于II区而言，应该采取的措施有：进行截排水沟的修建、坡脚脚墙及削坡等。针对III区来分析，应采取的措施为：采取坡脚脚墙及清理坡面、进行截排水沟的修建等。

边坡环境治理：通过地质灾害治理，在保证坡体稳定的状态之下，对坡面进行环境整治。设计治理内容主要包括挂网客土喷播、普通喷播、脚墙内覆土种植等方式因地制宜地进行坡面绿化，促进周边环境美化，并与周边环境相融合。

参考文献

[1] 张永兴．边坡工程学[M]．北京: 中国建筑工业出版社．2008．

[2] 曾舜．RocFall软件在危岩崩塌处治设计中的应用[J]．中国水运（下半刊），2011，11（01）：211-212．