水电工程高陡边坡小型危岩体动力分析及治理

2017-03-23杨洪

水电站设计 2017年1期

关键词：恢复系数落石防护网

杨洪

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

水电工程高陡边坡小型危岩体动力分析及治理

杨洪

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

本文对高陡边坡小型危岩体破坏模式、运动形态进行探讨，利用ROCKFALL软件对恢复系数进行反演，并对藏木水电站高边坡小型危岩体的运动距离、弹射高度及动能进行分析，得出SNS被动防护网最佳设置位置及防护网安全系数。通过本工程实践，得出根据小型危岩体规模、发育程度，采用定量化设计是可行的。

小型危岩体;破坏模式;弹射高度;SNS被动防护网

0 引言

水电工程大多处于高山峡谷地区，谷坡陡峻，受地质构造及风化、卸荷影响，小型危岩体普遍发育，其抗外力干扰能力弱，失稳频率高，是较为常见的山地灾害之一。由于其体积小，分布具随机性，地表调查难度大。其破坏具突发性，且运动轨迹复杂，对其被动防护设置造成困难，因此，在被动防护中结合小型危岩体运动特征进行合理布置，是对其安全、经济防治的关键。

1 小型危岩体破坏模式及稳定性判断

小型危岩体是指单块体积在数方以内，完全或大部分脱离母岩，具备可动空间，在自重或外力影响下可能失稳的岩体。小型危岩体破坏模式与较大型危岩体无本质区别，只是因其体积小在相同的裂隙组合下，更容易具备失稳条件。目前对危岩体的破坏模式研究较多，对于硬质岩边坡危岩体主要有滑移、崩塌和倾倒破坏三种破坏类型(见图1)。

图1 小型危岩体典型破坏模式

小型危岩体的稳定性决定了对其分析及治理的必要性，其破坏模式对危岩体的初始速度定义较为重要。崩塌型破坏较为简单，当具备切割块体的裂隙组合，且裂隙贯通性较好，具备竖直向下的可动空间时，可判定块体具备崩塌破坏条件，一般情况下其初始速度可忽略；对于滑移型或倾倒型块体，则需考虑其结构面强度及块体悬空条件进行判定。

(1)滑移型。根据滑移面形态，可分为平面滑移和楔形体破坏两种，破坏判别原则一般可简单归纳为：

φ≤β≤βp

式中β——为结构面(楔形体破坏为两组结构面交线)视倾角;

βp——为边坡视倾角(见公式1);

φ——为结构面等效摩擦角(见公式2)。

结构面视倾角：

tanβ=cos(αj-αp)tanβj

(1)

等效内摩擦角：

(2)

(2)倾倒破坏。根据国内外相关文献资料及已有的工程经验，倾倒破坏需满足以下条件(中国水利水电科学研究院，1995)：

A.边坡面的倾角大于或等于30°；

B.边坡面倾向与结构面倾向相反，且两者的夹角应大于等于120°；

C.倾倒区的范围一般为120°(坡面倾角)～90°的倾角范围。

滑移型和倾倒型破坏模式可以采用赤平投影极点法进行判断，根据滑块失稳原理，在赤平投影上绘制出可能发生滑移与倾倒变形区域，将块体结构面及两两组合交线以极点表示，根据极点与破坏区的位置关系来判断块体的稳定性(见图2)。

图2 赤平投影极点分析

2 运动形态

高陡边坡小型危岩体脱离母岩后，受块体形状及下部边坡坡面条件等影响，其运动形态较为复杂，可概括为：坠落、滚动、滑移和弹射四种。

(1)坠落。脱离母岩后当地形坡度极陡，且初始速度较小时，小型危岩体的运动主要体现为重力作用下的竖直向加速坠落，重力势能向动能转换，空气产生的摩擦阻力对能量消耗较少，因此坠落段越长，危岩体的动能越高，对被动防护越不利；

(2)滚动。对于长、宽、高尺寸接近的块体，尤其是球形块体，在顺直坡面上以滚动为主，块体与坡面接触面较小，摩擦致热少，运动距离较远；

(3)滑动。块体长宽高比例差异越大的片状块体，当下部地形坡面较平顺，容易沿坡面发生滑动，滑动过程中，块体与坡面接触面较大，运动距离较小；

(4)弹射。当坡表坚硬，块体初始速度大且其方向与坡面夹角较大时，易发生弹射，弹射过程中能量损耗与块体和坡面碰撞时能量消耗有关。

以上四种运动形态以滑移形态对危岩体动能损耗较大，单一的坠落、滚动、滑移运动形态下，危岩体的运动方向预判较为简单，而弹射运动与危岩体初始入射角、初始速度及被撞击坡面相关，其运动轨迹难以进行经验判断，需进行模拟分析。

3 ROCKFALL建模

ROCKFALL是一款广泛运用于落石风险灾害评估及动力学分析软件，可计算落石在运动全程的任意点速度、能量、弹跳高度以及滚石最终跌落位置。

3.1 ROCKFALL 建模流程

小型危岩体运动形态模拟建模流程(见图3)，包含以下几个方面：

(1)建立地形面，地形面由多段线构成，应满足表征地形坡度及不同坡面材料属性的要求；

(2)定义坡面摩擦角、切向恢复系数、法向恢复系数等坡面材料参数；

(3)定义落石质量、初始切线速度、角速度等表征落石初始状态的参数；

(4)定义落石崩解块数及迭代步数；

(5)模拟计算；

(6)根据落石抛落形态及跌落位置与历史崩塌事件对比，回归分析坡面参数；

(7)利用新参数对落石路径及防护体系进行计算；

(8)对落石弹跳高度、动能等进行分析。

图3 ROCKFALL建模流程

3.2 ROCKFALL主要控制参数研究

ROCKFALL运动轨迹模拟时主要通过块体初始状态参数(质量、位置、初始速度矢量)和边坡几何形态及接触面参数计算块体的运动轨迹、动能。

块体初始状态定义是ROCKFALL模拟中较为重要环节，初始位置、块体质量定义较为简单，初始速度矢量与块体破坏模式、自重应力及附加应力相关，滑移模式下块体的初始速度方向与滑移向相同，自重作用的崩塌破坏模式，块体的初始速度可设定为零；倾倒变形破坏模式下块体初始速度需包含角速度，初始角速度对最终的运动迹长影响不大，但是对弹射高度影响较明显(见图4)。

图4 初始角速度对块体运动轨迹的影响

坡面粗糙度是表征地形坡面起伏程度的参数(见图5)，ROCKFALL用粗糙度表示平均坡度的标准差，定义值为0、2、3、5度。经大量样本统计，粗糙度一般不超过5，取2时满足95.44%样本，取3时满足99.74%样本。实际模拟时，块体体积越大，体型越扁平，粗糙度影响较小，可以取较低值。

图5 坡面粗糙度示意

摩擦角是落石运动模拟重要参数，块体在运动过程中其能量损耗是通过摩擦力做功来实现的，相同的落石、运动路径，摩擦系数越高，则落石运移的距离越短。

坡面条件及落石运动形态决定摩擦角取值，坡面岩土体硬度、地形起伏度、粗糙度越大，摩擦角取值越高；滚动时摩擦角较低，可近视取零，以代表最不利的落石路径，滑动时摩擦角取值较大，落石运动距离最短(见图6)。ROCKFALL提供了用切向恢复系数计算摩擦系数，见式3。

(3)

图6 块体滚动和滑动

碰撞恢复系数指落石与坡面撞击后与撞击前的速度比，大多数情况，其值介于0～1之间，块体发生刚性碰撞时恢复系数为1，发生全塑性碰撞，恢复系数为0。ROCKFALL将恢复系数分为法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt，法向恢复系数对块体弹射高度影响较为明显，切向恢复系数对块体运动迹长影响较大；根据现有的文献资料，落石模拟中常见的取值范围Rn为0～0.4，Rt为0.56～0.85，鉴于恢复系数的影响因素较多，取值难度较大，根据已发生的落石路径进行回归分析，是较常用的处理方法。

4 工程实例

4.1 基本地质条件

藏木水电站导流明渠进口段自然边坡，整体走向S35°W，坡高大于500 m，岩性为燕山晚期二长花岗岩，以弱风化、强卸荷为主，受断层及裂隙切割影响，呈次块状～镶嵌状结构(见图7)。小型危岩体分布随地形坡度变化较大，总体可分为三段：高程3 600 m以上地形完整较好，自然坡度为40°，以崩坡积块碎石土为主，坡表孤石零星发育；高程3 400～3 600 m段为基岩陡崖段，受断层交汇切割影响，历史崩塌现象活跃，坡面平整度较差，平均地形坡度65°，危岩体普遍发育；高程3 400 m以下地形较完整，坡度约35°～45°，大多基岩裸露，崩坡积覆盖层主要分布于岸边及局部较缓地段，危岩体零星发育。

图7 导流明渠进口段边坡

4.2 小型危岩体运动特征分析

4.2.1 ROCKFALL建模及坡面材料参数取值

根据地表调查，历史小型危岩体崩塌形成的落石主要集中于距坡顶水平距离449～490 m，高程3 256～3 268 m段，块石粒径以0.2～0.3 m为主。根据坡面地形判断，高程3 600 m以上坡面平顺，落石以滚动或滑动为主，高程3 400～3 600 m段地形陡峭，大部分危岩体分布于该段，以坠落为主。因此高程3 400 m以上坡面材料恢复系数取值对危岩体运动形态影响不大，因此采用经验值；高程3 400 m以下坡段微地貌呈缓、陡、缓变化，大部分落石到达该区域时速度较大且与坡面接触时入射角较大，发生弹射的机率较高，恢复系数对落石的运动距离及弹射影响较为显著，因此需对该段坡面材料参数采取回归分析。

反分析依据为：高程3 400～3 600 m坡段落石应大部分停止于岸边崩坡积堆积区，对于部分高位落石，允许其运动距离略远于堆积区。本次采用高程3 400 m以上坡段随机分布的7块危岩体运动形态进行模拟，对高程3 400 m以下坡段恢复系数进行回归分析，模拟结果显示：采用表1参数时，4号、5号、6号、7号危岩体将停止于岸边崩坡积覆盖层区域，高位的1号、2号、3号危岩体将停止于现代河床，该模拟结果和现场地表调查较为一致，见图8。

4.2.2 运动特征分析

图8 随机危岩体运动轨迹

选取导流明渠开挖边坡典型剖面进行数值模拟，边坡岩土体材料从上至下主要分为三段：崩坡积块碎石土、弱风化强卸荷二长花岗岩、弱风化弱卸荷二长花岗岩。边坡基本参数见表1，坡面粗糙度取0～2，结合危岩体分布规律，在坡面上随机分布16块落石模拟小型危岩体运动形态(见图9)，考虑落石质量与运动特征关系不大，为简化分析，落石质量均设置为10 kg，初始速度和初始角速度设置为0，在碰撞过程中落石不发生崩解，其运动轨迹见图10、弹射高度见图11、动能见图12。

表1 本工程坡面参数特征值

图9 坡面材料分段及小型危岩体位置

图10 落石运动形态

图11 落石弹射高度分布

图12 落石动能分布

由模拟结果看出，高程3 400～3 600 m陡崖段落石弹射高度变化较大，最大高度达33 m，整体动能呈快速增长趋势；陡崖段以下缓坡段动能呈下降趋势，距坡顶水平距离344～357 m，高程3 365～3 376 m段落石垂直坡面弹射高度较低，为2.6～3.9 m，在水平距离351 m处动能最低，因此在351 m处设置被动防护可同时满足弹射高度及动能相对较低的特点。

4.2.3 SNS被动网防护能力评估

为确保被动防护网正常运行，需对其防护能力进行评估，以指导现场工程施工。本工程小型危岩体主要集中于高程3 400～3 600 m段，因此根据现场SNS被动防护网防护能级及防护网设置位置，选取该坡段最高位置危岩体进行验算。

防护网布置于距坡顶水平距离351 m处，设定为全塑性材料，即切向、法向恢复系数为0，抗冲击动能为3 000 kJ，考虑坡面参数存在偏差，计算次数设定为50次。

由计算结果可以看出，当危岩体单块质量大于5.7 t时，49次被被动网拦截，1次击穿被动网，被动网安全系数为98%，见图13、14。

图13 设置被动网后落石运动模拟

图14 落石位置分布

4.3 小型危岩体的防治措施

小型危岩体常见的处理措施主要有清除、主动防护和被动防护三种方法。

本工程导流明渠天然边坡上、下游延伸长度约1 km，坡较高，小型危岩体普遍发育，采用全部清除施工难度较大。且面临二次清渣，如大面积采用主动防护，施工工期较长，工程投资较大，因此，采用以SNS柔性被动网防护为主，人工清除与主动防护为辅的综合治理策略。对于单块质量大于5.7 t的高位小型危岩体根据其发育程度，如零星发育则采取清除措施，如集中发育则采用主动防护网进行防护。

据ROCKFALL模拟结果，单块质量5.7 t的小型危岩体采用SNS柔性被动防护网进行防护，网高5 m，抗冲击动能3 000 kJ，共设置两道。第一道位于坡顶209 m处，高程3 600 m左右，该段小型危岩体

以地表孤石为主，其运动形态为滚动或滑移；第二道被动网设置于距坡顶351 m处，主要拦截高程3 400～3 600 m段集中发育的小型危岩体。

由于本工程小型危岩体运动采用的二维模拟，无法计算其实际的平面影响范围，因此被动防护网的延伸长度需结合实际地形地貌进行考虑。如上、下游位置存在微型山脊，则延伸至山脊位置；如地形平顺，则其以超出明渠轴线上、下游25 m为界。

为确保被动网防护效率，定期对被动网进行巡视，对损毁部位及时进行修补，对网后拦渣进行清理。