四川盆周山区公路危岩崩塌运动学分析及治理

张乐; 向波; 何云勇; 张俊云; 刘自强; 张迎宾; 李颖

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502505

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :3031-3041 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502505

建筑科学

四川盆周山区公路危岩崩塌运动学分析及治理

张乐 ¹^,² ,
向波 ² ,
何云勇 ²^,^* ,
张俊云 ¹ ,
刘自强 ¹ ,
张迎宾 ¹ ,
李颖 ²

作者信息 +

Kinematics Analysis and Treatment of Rockfall along Highway in the Mountainous Area of Sichuan Basin

ZHANG Le ¹^,² ,
XIANG Bo ² ,
HE Yun-yong ²^,^* ,
ZHANG Jun-yun ¹ ,
LIU Zi-qiang ¹ ,
ZHANG Ying-bin ¹ ,
LI Ying ²

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文章历史 +

摘要

为研究复杂地质条件下山区公路危岩崩塌运动特征及风险,以新市至金阳公路安寨坪互通为例,采用现场调查、无人机航测及RocPro3D三维运动学模拟分析等技术手段,结合危岩崩塌发育特征和灾害破坏评估,拟定“危岩清除+导石桩板墙”防护措施进行处治方案模拟优选。结果表明:受河谷深切及断层影响,斜坡发育6处危岩带,多次崩塌灾害后坡表形成4条碎屑流沟槽;危岩崩塌后,落石沿坡表运动迹线总体呈“危岩源区→斜坡→沟槽→坡脚”延展,最大冲击能量为1.46×10⁴ kJ,最大弹跳高度为32.88 m,其中WYD1~WYD2落石迹线呈带状,WYD3~WYD5落石迹线汇集于沟槽呈树状,山脊位置处WYD6落石迹线呈发散状;安寨坪2号桥左幅灾损较右幅更严重,落石冲击能量最大值为1.05×10⁴ kJ,落石最大弹跳高度约16.79 m,落石运动速度最大值约42.23 m/s,落石运动至安寨坪2号桥左幅位置的最短时间为4.33 s;取0.57 m³为WYD6的危岩清除下限值,冲击能量相对天然斜坡可降低83.87%,设置91 m长、2 000 kJ 防冲能级的一字形桩板墙可满足工作区落石拦截需求。

Abstract

In order to study the movement characteristics and risk of perilous rock collapse in mountainous highway under complex geological conditions, Anzhaiping interchange of Xinshi-Jinyang Highway was taken as an example. Field investigation, UAV aerial survey and RocPro3 D three-dimensional kinematics simulation analysis were used. Combined with the development characteristics of dangerous rock collapse and disaster damage evaluation, the protective measures of “dangerous rock removal + guide stone pile plate wall” were proposed to simulate and optimize the treatment scheme. The results show that under the influence of deep valley cutting and fault, affected by the deep valley and faults, six dangerous rock zones are developed on the slope, and four debris flow grooves are formed on the slope surface after multiple collapse disasters. After the rockfall of dangerous rock, the movement trace of rockfall along the slope surface is generally extended as “dangerous rock source area → slope → groove → slope toe”. The maximum impact energy is 1.46×10⁴ kJ, and the maximum bounce height is 32.88 m. Among them, WYD1~WYD2 rockfall trace is banded, WYD3~WYD5 rockfall trace gathers in the groove and is tree-shaped, and WYD6 rockfall trace at the ridge position is divergent. The damage to the left side of Anzhaiping No.2 Bridge is more serious than that of the right side. The maximum impact energy of rockfall is 1.05×10⁴ kJ, the maximum bounce height of rockfall is about 16.79 m, the maximum velocity of rockfall is about 42.23 m/s, and the shortest time of rockfall movement to the left side of Anzhaiping No.2 Bridge is 4.33 s. Taking 0.57 m³ as the lower limit value of dangerous rock removal of WYD6, the impact energy can be reduced by 83.87 % compared with the natural slope, and the 91 m long, 2 000 kJ anti-impact energy level of the one-shaped pile-board wall can meet the needs of rockfall interception in the working area.

Graphical abstract

关键词

四川盆周山区 / 公路 / 危岩 / 崩塌 / 运动学分析 / 风险评价

Key words

mountainous area of Sichuan Basin / highway / dangerous rock / collapse / kinematic analysis / risk evalution

引用本文

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张乐, 向波, 何云勇, 张俊云, 刘自强, 张迎宾, 李颖. 四川盆周山区公路危岩崩塌运动学分析及治理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 3031-3041 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502505

ZHANG Le, XIANG Bo, HE Yun-yong, ZHANG Jun-yun, LIU Zi-qiang, ZHANG Ying-bin, LI Ying. Kinematics Analysis and Treatment of Rockfall along Highway in the Mountainous Area of Sichuan Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 3031-3041 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502505

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中国地貌西高东低,呈三级阶梯状。四川盆地以龙门山断裂带、米仓山构造带、大巴山构造带、齐岳山断裂带和大娄山、大凉山形成盆周山区,构造作用显著,地质灾害发育^[1]。危岩崩塌是山区斜坡的典型地质灾害,具有突发性、频发性,其运动以竖向位移为主,落石多造成坡脚结构物的冲击损坏^[2-7]。例如,2009年6月5日重庆武隆鸡尾山崩塌灾害导致至少87人被埋^[3];2017年8月8日九寨沟发生M_S7.0级地震造成景区内山体震裂松动,近年来受降雨诱发形成102处崩塌^[4];2020年9月20日,雅西高速石棉段成都至西昌方向的姚河坝特大桥右侧山体发生高位崩塌,约2.0×10⁴ m³落石砸断右幅桥梁并波及左幅桥墩,高速公路及桥下的G108交通中断^[5];2022年6月1日芦山地震后,G351宝兴至硗碛段共发生30余处危岩崩塌,威胁抢险区救援公路生命线^[6];2022年9月5日泸定地震后海螺沟景区道路K14段发育体积3.1×10⁴ m³危岩群,损毁景区道路^[7]。

运动学模拟是危岩崩塌后落石灾损评价的有效途径。采用基于地理信息系统(geographic information system,GIS)模型和概率分析的RocPro3D进行数值模拟分析,该软件能够精准构建地形,通过概率方法反映块体特性、土壤特征以及地形特性对崩塌块体轨迹的影响,有效分析崩塌块体的运动学特征^[8-9]。张乐等^[6]采用RocPro3D研究了山区公路崩塌运动特征,并据之设置经济有效的被动网拦截措施。吴茂林等^[10]采用RocPro3D模拟三峡库区靴子岩基座损伤性崩塌的运动过程及轨迹,获取了落石入河瞬间的冲击能量及运动速度等信息。卢彦丞等^[11]采用RocPro3D软件分析了不同粒径块石崩塌后被动防护网的拦截率,为贵州省小岩屯崩塌灾害防治提供参考。Sarro等^[12]、Fanos等^[13]通过RocPro3D软件建立三维地貌模型,研究了危岩崩塌后的运移过程,并结合能量、速度、高度、撞击位置等进行危险性评价。王军义等^[14]采用RocPro3D分析了0.3、1.5和2.5 m典型粒径落石的随机性数值仿真模拟,获得相应的运动轨迹、能量、频率、加速度和弹跳高度等特征。此外,RockyFor3D^[15-16]、RAMMS Rockfall等^[17]动力学分析程序近年来也有应用于崩塌落石再损分析。值得注意的是,上述研究采用三维运动学模拟重点研究了落石运动过程,但在四川盆周山区应用较少,且威胁对象多为公路路面,针对桥隧结构物衔接部位的研究相对较少^[18]。

鉴于此,以新市至金阳公路安寨坪互通区安寨坪2号桥与西苏角1号隧道连接处斜坡危岩崩塌灾害为例,综合工程地质勘察、无人机航测总结工作区危岩特征及变形现状,采用RocPro3D进行三维运动学模拟,获取崩塌落石运动特征和公路结构物灾损信息,并讨论三维模拟的优势;最后,模拟分析V字形和一字形导石桩板墙的防护效果,为灾害治理工程设计提供支撑。研究方法和结论可供四川盆周山区崩塌落石灾害治理进行参考。

1 工程地质条件

如图1(a)所示,新市至金阳公路安寨坪互通,主线穿过鲁家坪子沟后,傍山接主线安寨坪2号桥,止于西苏角1号隧道进口。工作区位于金沙江支流西苏角河左岸,地处川西南横断山系东北缘,介于四川盆地和云贵高原之间,地势东高西低,倾向西苏角河,汇入金沙江,区内地势较陡,地面坡度25°~45°,局部可达50°以上,地貌以构造剥蚀中低山地貌为主。斜坡地表多为第四系覆盖层,厚度7.3~13.1 m不等;下伏基岩为古生界寒武系下统筇竹寺组(∈₁q)砂岩、粉砂岩。

场区内最主要构造为毛坝子断层,其属于峨边-金阳断裂带的次级断裂,断层北起于马颈子乡南侧冲子村一带,向南于安寨坪处延伸至西苏角河河床之中,呈隐伏状,毛坝子一带穿至西苏角河左岸,并分支为南北两条断裂。其中,南支断裂呈近南北向展布,断层主要切穿震旦系-寒武系。南支断裂主断面254°∠51°,下盘岩体优势产状150°∠15°,上盘岩体优势产状160°∠32°。断层带内发育断层角砾岩、碎裂岩、碎裂岩化岩石等。工作区位于毛坝子断层南支断裂北西侧,下伏基岩受断层影响,完整性差,岩体破碎。据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015),工作区地震动峰值加速度为0.15g(g为重力加速度),地震动反应谱特征周期0.45 s,对应的地震基本烈度为VII度。

综上,安寨坪互通地处四川盆周山区,其中安寨坪2号桥与西苏角1号隧道连接段地貌为构造剥蚀中低山地貌,受金沙江及其支流西苏角河深度影响,又处于毛坝子断层南支北西侧,区内岩体卸荷裂隙及构造裂隙极其发育,危岩崩塌灾害频发,落石运动破坏坡表形成多条碎屑流沟槽,沟槽内有大量松散块碎石堆积,严重威胁工程建设及运营安全。

因此,以该工点为典型案例开展四川盆周山区公路危岩崩塌运动学分析,重点关注三维地貌对危岩崩塌运动特征的影响,以及公路桥隧重要结构物衔接位置的风险评价,具有代表性和研究价值。

2 危岩发育特征及变形现状

2.1 危岩发育特征

工作区斜坡危岩多沿沟槽岸坡或山脊分布,碎裂岩体在自重、风化及降雨冲刷等作用下发生崩塌,汇集于坡面负地形沟槽处翻滚、跳跃向坡脚运动。依据发育位置及运动特征,将坡面危岩划分4个碎屑流沟槽、6处危岩带,如图1所示。根据现场调查及地勘报告,统计WYD1~WYD6的位置坐标、几何尺寸、岩性及失稳模式等信息如表1所示。

结合图1可见,WYD1~WYD2顶部高程接近,崩塌落石分别沿碎屑流沟槽SXL1~SXL2向坡脚运移;WYD3~WYD5顶部高程相近,崩塌落石汇集于SXL3向坡脚运移;WYD6沿山脊分布,顺坡向范围最大,落石向两侧坡面翻滚,工作区内主要汇集于SXL4向坡脚运移。

从成灾机制来看,在碎屑流沟槽顶部,岩土体因下部存在悬空凹腔而易于发生后壁剪切破坏的坠落式崩塌,如WYD1~WYD2;碎屑流沟槽内部所停积的松散大粒径块石,受汇水冲刷等因素扰动后将继续向坡脚运移,其实质上已脱离母岩,成因上可归为块石土的冲刷剥落式崩塌,如WYQ3、WYQ4和WYQ5。

WYD6所在I-I'典型剖面如图2所示,工作区斜坡坡向约326°,下部农村公路建设切坡揭露筇竹寺组砂岩,岩层产状110°∠53°,主要受2组节理切割,J1产状345°∠87°,J2产状290°∠34°,结构面赤平投影如图1(b)所示。显然,工作区岩层反倾,但节理J1与坡向夹角约19°,且倾角达87°,在岩体中形成外倾陡立结构面,倾角较缓的节理J2与之组合切割,致使岩体因组合切割易于发生滑移式崩塌。显然,WYQ6分布范围最大、岩体受结构面控制最明显,所在山脊受风化作用最为显著,对下方的公路桥隧结构物威胁最严重。

2.2 危岩变形现状

如图1(c)所示,碎屑流SXL1~SXL4的沟槽顶部岩体破碎,顺沟崩落后块石结构松散,为碎屑流形成提供了充足物源。随着灾害不断发展并向后延伸,两侧崩坡积块石土存在渐进式垮塌。近年来,在强降雨下常产生坡面碎屑流、落石等地质灾害。

拟建安寨坪2号桥跨越通过SXL1~SXL3,SXL4处于路线下方,但斜坡高位发育的崩塌落石有撞击桥面、桥墩的隐患。因此,工程建设中有必要进行运动学分析获取落石弹跳位置、高度、能量等信息,以支撑危岩崩塌等灾害的处治设计。

3 运动学分析及风险评价

3.1 三维模型建立

通过无人机航测获取高精度数字高程模型,将之导入RocPro3D软件进行危岩体运动学三维模拟,以获取其运动轨迹、能量和弹跳高度等信息。建模过程中,采用狄洛尼三角单元依据地形信息点划分网格,形成含34 435个节点、37 688个面单元的三维数值模型,如图3所示。其中,数值模型边界设置左边界为SXL1新市端,右边界设置为西苏角1号隧道入洞后山脊,上边界设置为WYD6顶边界后山脊,下边界设置为安寨坪2号桥右幅,工程坐标系统中X=495 770~496 178 m,Y=3 117 698~3 118 141 m,Z=762~1 124 m。

危岩体位置确定基于空间坐标精准定位,三维数字模型中危岩及公路承灾体位置如图4所示。

3.2 计算材料参数

3.2.1 危岩几何参数

根据表1,拟定三维运动学模拟计算中的危岩体尺寸如表2所示。计算中,简化危岩为球状刚体, 忽略崩塌后落石运动过程中的变形及破碎效应,仅考虑重力、摩阻力作用下的能量转换,以获取最不利运动特征。

3.2.2 岩土材料参数

如图5所示,落石以初速度v₀崩落后,沿坡表运动过程中的非弹性碰撞将导致能量损耗,进而降低速度。以第m次碰撞为例,落石以速度v_m撞击坡面,而后以速度v_m+1弹射离开,将速度分解为沿坡表法向v_n和切向v_t的两个分量,则v_n,_m、v_t,_m、v_n,m+1、v_t,_m₊₁间的关系为

(1)

$\left\{\begin{array}{l}{\nu }_{n,m+1}={\nu }_{n,m}{R}_{n,m}\\ {\nu }_{t,m+1}={\nu }_{t,m}{R}_{t,m}\end{array}\right.$

式(1)中:R_n,_m、R_t,_m分别为斜坡表面落石撞击点m处的法向恢复系数和切向恢复系数。显然,崩塌落石的运动特征受坡面材料的R_n、R_t影响显著。

研究表明,R_n、R_t与斜坡的坡度、坡面覆盖层的力学性质、落石自身的大小等因素有关。随着斜坡坡度的增大,R_n略有增大,但对R_t的影响却不很明显;斜坡坡面覆盖土越松散,碰撞就越趋向完全非弹性碰撞,相应的R_n、R_t越小;相反,斜坡坡面出露的基岩越硬,碰撞就越趋向弹性碰撞,R_n、R_t越大^[11,19-20]。模拟时根据坡面特征初拟参数,结合现场调查及落石历史事件的记录对初始模拟结果进行拟合试算,直至计算结果与现场基本吻合,所得岩土体参数如表3所示。

3.3 运动学分析结果

采用刚性块体确定性分析模式计算危岩崩塌后落石的运动特征。如图6(a)所示,从运动迹线来看,危岩崩塌后落石在重力作用下顺坡面向坡脚翻滚、跳跃,运动迹线受地貌影响明显,整体呈“斜坡→沟槽→坡脚”的空间位置变换。其中,WYD1、WYD2落石迹线集中分布于SXL1、SXL2所形成的沟槽中,呈带状分布;WYD3~WYD5落石在短距离运动后即交汇于SXL3所形成沟槽中,呈树状分布;WYD6所在山脊处落石运动迹线发散,较多落石汇集于SXL3和SXL4所形成沟槽位置,有多条沿坡表翻滚至西苏角1号隧道左洞上方、安寨坪2号桥右幅等位置。对比图1可知,模拟计算结果与现场具有较高的吻合度,研究结果具有参考价值。从运动时间来看,落石抵达安寨坪2号桥左幅多需15 s左右,这表明工作区危岩崩塌在处治时设置实时监测是有必要的,建设人员具有避险逃生的时间。

落石运动过程中沿坡表不断跳跃、撞击,在撞击位置冲击能量将显著增大。如图6(b)所示,从运动能量来看,工作区危岩崩塌后落石最大冲击能量为1.46×10⁴ kJ,源自WYD6崩落后运动至SXL3与SXL4间的脊部。在安寨坪2号桥左幅上部斜坡位置有较多冲击能量>10⁴ kJ落石,因此工作区崩塌治理的首要应为限制落石粒径,即清除坡表大粒径危岩,避免强大冲击能量损坏治理结构^[21]。

如图6(c)所示,从弹跳高度来看,工作区危岩崩塌后落石最大弹跳高度为32.88 m,与图6(b)中冲击能量分布具有较好的一致性。这是因为,落石沿坡表运动过程中主要发生重力势能向动能的转换,并伴随撞击坡表而产生能量损失,因此在坡表岩土材料恢复系数R_n、R_t相同时,各撞击点的冲击能量与弹跳高度具有较好的对应关系,弹跳高度分布可支撑被动拦截措施设置时位置优选。

由图6还可得,WYD3~WYD6的落石迹线分布具有明显的三维特征,其运动受地貌影响显著。传统二维地形剖面计算限制了落石的运动,难以有效反映全坡面落石运动特征,而本文中所采用的三维数值模拟评估方法更符合实际^[16]。

值得注意的是,模拟结果表明落石运动经SXL1~SXL4所在沟槽向坡脚运移时,于安寨坪2号桥左幅跨中位置汇集,工程建设中应充分考虑落石运动特征并针对安寨坪2号桥及西苏角1号隧道衔接位置进行防护,以保障建设、运营安全。

3.4 危岩崩塌风险评价

3.4.1 安寨坪2号桥左幅

为支撑桥隧结构安全防控,取安寨坪2号桥左幅分别获取落石冲击能量、弹跳高度、运动速度、灾损时刻等信息,如图7所示。

由图7可知,安寨坪2号桥左幅位置落石冲击能量最大值为10 470 kJ,冲击能量在4 225 kJ以内的占比90%;落石最大弹跳高度约16.79 m,有较多落石弹跳高度> 8.18 m,弹跳高度在7.15 m以内的占比90%;落石运动速度最大值约42.23 m/s,运动速度在28 m/s以内的占比90%;危岩崩塌发生后,落石运动至安寨坪2号桥左幅位置的最短时间为4.33 s,最长时间为26.28 s,运动时间在21.64 s的占比90%。

这表明,常规被动防护网等拦截措施在工作区设置时应注重上拉锚绳等构造的增强,工作区建设期应加强监测预警,崩塌发生后有20 s左右的撤离时间,可降低人员生命受损风险。

3.4.2 安寨坪2号桥右幅

安寨坪2号桥右幅位置落石运动特征分布如图8所示。由图8(a)可见,安寨坪2号桥右幅位置受落石最大冲击能量为9 170 kJ,有90%的落石冲击能量低于3 689 kJ;最大弹跳高度为13.57 m,有90%的落石弹跳高度在6.76 m以内;最大运动速度为40.57 m/s,有90%的落石运动速度在25.74 m/s以内;落石运动至安寨坪2号桥右幅所需最短时间为7.01 s,有90%的落石在20.33 s内抵达结构物位置。显然,应清除坡表大粒径危岩以降低冲击能量。

对比图7和图8可见,安寨坪2号桥左幅投影在灾损范围内覆盖地面长度约270.4 m,右幅则为323.3 m;左幅受落石冲击360处,右幅则为354处;左幅位置冲击能量、弹跳高度、运动速度均高于右幅,最小灾损时间低于右幅,即左幅桥受斜坡崩塌落石灾损更严重。

安寨坪2号桥大桩号端即顺接西苏角1号隧道,故本节针对桥梁结构所得的灾损评价已覆盖隧道洞口位置的危岩崩塌,不再单独进行相关评析。显然,根据灾损评价结果,有必要针对工作区桥隧衔接处斜坡危岩崩塌进行灾害治理设计。

4 治理方案建议

结合工作区危岩的成灾机制,清除WYD1~WYD2碎屑流后壁陡坎处危岩和WYD3~WYD5的松散大粒径危岩后,采用挂网喷砼封闭坡表,能够防止危岩的进一步发育,图1(c)所示航拍全景中呈混凝土灰色即为挂网喷砼处治后现场。

WYD6目前尚未进行处治,故本节仅依据崩塌灾损评价研讨WYD6的处治设计。考虑其对下方公路桥梁及隧道进口的潜在威胁,拟采用“危岩清除+桩板墙”进行防护。其中,危岩清除需明确粒径下限值,桩板墙需明确设置位置,本文通过模拟计算分别确定。

4.1 危岩清除尺寸下限值

由表1、表2可知WYD6原始危岩体积最大值为3.78 m³,简化为球体时直径d=1.93 m。取0.3 m为公差,以d=1.93、1.63、1.33、1.03 m分别试算,运动学特征进行对比如图9所示。

由图9(a)可知,d=1.93 m时落石冲击能量最大值为1.46×10⁴ kJ,且在坡脚处达到最大;弹跳高度与坡表地形起伏程度有关,凸出位置落石撞击坡表以弹跳为主,顺直区段则以顺坡滚动为主,故总体呈起伏分布,在运动距离175 m之前弹跳高度不超过10 m;运动速度与落石运动形式关系密切,顺坡滚动过程中速度明显增大,在坡脚处达到46.88 m/s;本文模拟计算中崩塌落石初速度取为0,故图9(a)中运动时间与运动速度相关,运动距离50 m范围内落石速度低,运动时间约7.5 s,这再次表明山区公路危岩崩塌的临灾预测是具有可实现时域的,可通过地震动信号监测等技术手段实现^[22]。

冲击能量和弹跳高度是危岩崩塌被动防护的控制性因素。考虑图9(a)中落石弹跳高度特征,清危主要以冲击能量为因变量,不同尺寸危岩的计算结果如图9(b)。可见,落石冲击能量总体呈“抛物线形增长→骤降→抛物线形增长”的特征,在运动距离175 m前,d=1.93、1.63、1.33、1.03 m对应的冲击能量上限值分别约为6 200、3 800、2 100、1 000 kJ;危岩粒径以0.3 m为公差降低后,落石冲击能量呈阶梯状降低,在d=1.03 m时,落石运动275 m前冲击能量均在2 000 kJ以内,被动防护措施可有效拦截。此外,图9(b)中叠加了d=1.93 m时RocPro3D计算所得的落石迹线剖面,对比可知落石运动过程中冲击能量总体呈增大趋势,落石撞击坡表时能量骤降。

这是因为,危岩崩塌后落石在向坡脚运动过程中重力势能转换为动能,其主要与落石质量及运动速度有关。从落石质量来看,图9(b)中直径以公差降低时,质量差值分别为3 725、2 600、1 650 kg,且粒径减小后落石弹跳高度将随之降低,撞击点的增多在一定程度上削弱了质量减少带来的冲击能量衰减^[6]。

从运动速度来看,落石运动可概括为空中运动和撞击坡表2种类型,空中运动时落石以自由落体或斜抛运动为主,忽略空气阻力时其加速度恒定,即为重力加速度,故运动速度近似呈线性增长,如图9(a)所示;当落石撞击坡表时,非弹性碰撞将导致能量损耗,进而降低速度,如图5所示。因此,落石在空中运动和撞击坡表的过程中速度呈“匀加速运动→非弹性碰撞→匀加速运动”的特征,WYD6的落石被动防护应设置在运动距离175 m之前,以实现安全与经济效益的兼顾。

综上,以冲击能量为因变量,WYD6危岩清除下限值建议采用d=1.03 m,防护位置选择在运动距离175 m前,冲击能量相对天然斜坡可降低83.87%,防护能级选用2 000 kJ即可满足安全需求。

4.2 桩板墙拦截效果分析

4.1节以落石冲击能量为因变量确定了清危下限值计算确定防护能级,本节结合落石弹跳高度确定被动拦截措施的布设位置。考虑工点处于桥隧衔接处,被动拦截措施应具有足够的承载能力和耐久性,拟选用桩板墙进行拦截,墙后设置废弃轮胎等作为缓冲层,桩板墙布设位置选用“V字形”或“一字形”,通过运动学三维模拟讨论两个方案的处治效果。

4.2.1 V字形桩板墙拦截

设置地面以上高10.0 m的防护结构进行计算,其坐标如表4所示。危岩崩塌迹线及能量分布如图10(a)所示,大粒径危岩清除后落石最大冲击能量为2 577 kJ。对比图6(a)中迹线分布可知,V字形防护结构将安寨坪2号桥上部的WYD6崩塌落石拦截后引导至小桩号SXL3沟槽内,西苏角1号隧道进口拦截后落石将沿金阳端斜坡运动。

V字形桩板墙受落石冲击时能量及分布如图10(b)所示。可见,新市端有4处落石因撞击基岩面而发生较高弹跳从而飞跃墙顶,图10(a)可见落入SXL3沟槽内落石;金阳端有2处落石飞跃墙顶,但并不在桥隧结构物区段。因此,该措施能基本保障桥隧衔接处不受落石影响。值得注意的是,V字形桩板墙中部节点附近并无落石撞击,存在一定的防护冗余。

4.2.2 一字形桩板墙拦截

设置地面以上高10.0 m的一字形桩板墙进行计算,其坐标如表5所示。

如图11(a)所示,一字形桩板墙共分两段,编号为I、II。模拟结果可见,采用一字形桩板墙防护时,大粒径危岩清除后落石最大冲击能量为1 953 kJ,较V字形进一步降低24.21%,利于结构安全。从迹线分布来看,该方案处治后落石运动均被拦截至新市端坡面SXL3沟槽及金阳端隧道入口外,对桥隧结构无影响。

一字形桩板墙受落石冲击能量及分布如图11(b)所示。可见,I号桩板墙所受冲击能量最大值为1 636 kJ,仅有1处落石飞跃墙顶,汇入SXL3沟槽中;II号桩板墙金阳端有2处落石飞跃墙顶,但并不在桥隧结构物区段。因此,该措施能保障桥隧衔接处不受落石影响。

值得注意的是,一字形桩板墙I位于4.1节图9(b)中157.8 m处,符合4.1节布设位置的距离建议。一字形桩板墙防护长度共90.84 m,相较于V字形方案减少24.74%,兼具安全性与经济性。因此,推荐采用本方案。

5 结论

(1)危岩崩塌后落石运动与坡表地形起伏程度有关,凸出位置落石撞击坡表以弹跳为主,顺直区段则以顺坡滚动为主,故工作区落石迹线总体呈“危岩源区→斜坡→沟槽→坡脚”的空间位置变换。其中,WYD1~WYD2落石迹线呈带状分布;WYD3~WYD5迹线呈树状分布;WYD6所在山脊处落石运动迹线发散。落石最大冲击能量高达1.46×10⁴ kJ,最大弹跳高度为32.88 m。

(2)危岩崩塌后落石在向坡脚运动过程中重力势能转换为动能,冲击能量总体呈“抛物线形增长→骤降→抛物线形增长”的特征;落石空中运动时速度近似呈线性增长,撞击坡表时非弹性碰撞将导致速度降低,落石速度总体呈“匀加速运动→非弹性碰撞→匀加速运动”的特征。

(3)安寨坪2号桥左幅位置冲击能量、弹跳高度、运动速度均高于右幅,最小灾损时间低于右幅,即左幅桥受斜坡崩塌落石灾损更严重。左幅位置落石冲击能量最大值为10 470 kJ,最大弹跳高度约16.79 m,最大运动速度约42.23 m/s,运动最短时间为4.33 s;右幅位置受落石最大冲击能量为9 170 kJ,最大弹跳高度为13.57 m,最大运动速度为40.57 m/s,运动最短时间为7.01 s。山区公路危岩崩塌的临灾预测是具有可实现时域的,可通过地震动信号监测等技术手段实现。

(4)随危岩粒径的减小,落石冲击能量呈阶梯状降低;WYD6危岩清除下限值建议采用0.57 m³,冲击能量相对天然斜坡可降低83.87%,防护能级2 000 kJ的91m长一字形桩板墙可满足安全需求。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家重点研发计划(2024YFE0111900)

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2025-04-10	2026-03-08	2025-12-10
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2026-07-09

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