落石防治解决方案

  随着我国开始实施西部大开发，国家每年都投入数百亿资金用于西部的基础建设，其中高等级公路和铁路占了很大比例。西南山区是我国地质灾害最严重的地区之一，伴随基础建设向周边山区的快速发展，地质环境恶化、地质灾害急剧增加，危岩、滑坡、泥石流等地质灾害频繁发生，严重威胁到区域内交通线路的安全，特别是高速铁路的建设，最高时速现可以已超过400公里每小时，小小的一个落石都可能对高速铁路造成致命打击，防灾减灾的形势严峻。根据统计，在这些地质灾害中，落石灾害仅仅次于滑坡、泥石流，位列第三位，但同时对危岩落石灾害的研究又是相对薄弱的环节。同时，随着城市建设的扩张，越来越多的建筑物建于山体下，由于前期采石场开挖或建筑场地平整开挖，往往就形成了高陡岩质边坡，因紧邻民用建筑，高陡岩质建筑边坡发生失稳等地质灾害将直接威胁坡脚处人民群众的生命财产安全。因此，必须加强对落石灾害的研究和防治，但由于落石致灾机理复杂，受地理和地形条件约束较大，再加上之前对其研究力度不够，很多问题都有待研究。

  影响落石运动特征的参数多而且杂，主要有：边坡的坡形、边坡的坡度和坡高、边坡覆盖层情况、落石形状和大小、落石启动方式等，研究这些参数对于确定落石运动特征及进一步确定落石的影晌范围和影响程度都有重要意义。

  本方案采用中仿RocFall软件进行分析，该分析软件可以通过输入斜坡和落石的相关基本参数，模拟落石在边坡上的运动轨迹、能量和弹跳高度变化，该软件在众多实际工程中得到了广泛使用，具有较好的模拟效果。其计算原理为边坡上部的危岩相对于边坡中下部的具有较大势能，危岩在自然营力作用下从静止开始运动，危岩变为落石，速度增长，势能逐渐转换为动能，当落石和坡面发生弹跳，根据坡面碰撞点的法向恢复系数和切向恢复系数的不同，落石的弹跳高度也存在差异，坡面对落石产生消能的作用，导致落石动能衰减，至落石自然停留动能为零或者遇到障碍物停止，整个运动过程遵循能量转化和守恒定律。

  中仿RocFall是一款用来评价陡峭边坡落石风险的统计分析软件，它可以分析出整个边坡落石的动能、速度和弹跳高度包络线，以及落石滚动终点的位置。沿坡面线的动能、速度和弹跳高度分布也同样可以获得，分布规律可用柱状图显示，并自动计算其统计学规律。

  中仿RocFall参数具体包括；落石的角速度、坡面法向弹性系数、切向摩擦系数、坡面粗糙度和摩擦角的均值和标准差。其中，坡面法向弹性系数与切向摩擦系数体现了边坡坡表岩土性质及植被覆盖情况；坡面粗糙度是用来体现模型的局部几何变化程度；摩擦角则与滚石本身形状化及运动模式相关，它体现滚石是否有继续向下运动的趋势，例如某个坡段的倾角大于设定的摩擦角，则滚石会继续向下坡运动，但如果小的话，滚石则会停留在该坡段。

  RocFall软件可以用来做落石治理的辅助设计：边坡的每部分参数都可以改变，方便做多种结果的对比分析，能够定义人工屏障，落石碰撞屏障后的动能以及位置信息有助于确定屏障的性能、尺寸和位置。

  RocFall软件提供与其它Windows程序的多种交互方式，所有输入和输出的数据（表格格式）和屏幕截图都可以直接粘贴在提交报告的Word文档中。RocFall软件允许用户将原始数据（比如撞击屏障的位置）粘贴到表格中以便做更细节的分析（比如确定撞击位置的高度或拟合数据的概率分布形式。）

  为了帮助确定回弹系数，RocFall软件在参考了大量研究文献之后为用户提供一张回弹系数的参考表格。同时表格中还提供了动摩擦系数、滚动摩擦系数以及岩石的密度等参数。

  RocFall同时还提供材料向导、基于落石落点的反分析，用统计的方法来确定材料的回弹系数。RocFall还可以对落石路径进行过滤（比如，在屏障上点击右键选择，从众多的路径中选取前十个最快速度撞击屏障的落石路径）。

  RocFall允许用户轻松快速的创建高质量的数据输出，提高了打印图表的质量，图标数据可以被导出到Excel中。边坡以及落石路径可以导出成dxf文件以备在CAD中编辑使用。绘图工具包性能提升，可以导入bitmap图形文件，多行文本框能够自动匹配对象填入相关的分析数据，在打印页可以拖放显示坐标等更多功能。

  以下以一个具体案例来演示软件在指导落石防治方面的应用，落石运动轨迹对比分析。

  本案例来自赵耀;王浩;龚匡周;林镇.边坡滚石运动轨迹分析及坡形坡率设计.土工基础.2014.82-85

1、不同坡面特征落石运动轨迹对比

  在对比中，边坡模型为5级，每级高8m，坡率均为1:1。坡面材料分别定义为坚硬基岩、崩塌堆积体及植被覆盖土坡，坚硬基岩和植被覆盖土坡两种典型条件下落石运动轨迹下图所示，落石终点位置统计表见表1。

  计算表明，坡面为坚硬基岩时，落石终点位置距坡脚5ｍ以外的概率为85％，落石运动距离较远；坡面为崩塌堆积体及植被覆盖土坡时，落石均落于坡脚5ｍ范围内，表明松散质土或堆积层体现柔性坡面材料的“冲击消能”效应，可以明显减小落石运动距离，且植被覆盖土坡相应坡面留置落石的概率更大。

表1 落石终点位置图

2、不同坡率落石运动轨迹对比

  该组对比中，坡面材料均定义为坚硬基岩，坡率为1:0.75、1:1和1:1.25三种情况落石终点位置分布情况如表2所示，同时列出坡率为1:0.75和1:1.25两种情况的落石轨迹图及终点位置分布图。

表2 落石位置

  计算表明放缓边坡坡率能延缓落石启动变形，并明显控制落石运动距离；对比三种坡率条件下落石落点位置概率分布，坡率1:1～1:1.25属敏感坡率区段，坡面落石落点分布范围迥异。因此，当坡体具备刷方空间时，可以通过放缓坡率的方式有效控制落石运动距离。

3、不同平台宽度及植被特征落石运动轨迹对比

  平台对危岩体失稳后运动有很好的减速拦阻作用，是落石灾害防治的有效措施。通过调整坡率为1:1岩质边坡第四级平台的宽度，以及考查平台是否存在植被覆盖，进行计算对比分析，给出落石落点位置分布统计见表3所示。第４级平台分别为2ｍ和4ｍ时，落石运动轨迹如下图所示。

表3 落石终点位置图

  研究表明，第四级平台宽为2m时，落石与平台碰撞后，大多继续运动至坡脚，并大部分位于坡脚5m范围以外；当第四级平台宽增加至4m时，落石大多在该级平台停滞，继续向前运动的概率为3%，定量说明了边坡平台对落石运动的“停滞”效应。

  当进一步在第4级平台增加植被，100个落石均未超出第四级平台，模拟试验取得较好效果。

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