李 林

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

落石運(yùn)動(dòng)研究現(xiàn)狀的分析

李 林

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

落石是指在重力或者外力的條件下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，最后在某處停下來的過程。主要介紹了目前國內(nèi)外落石運(yùn)動(dòng)的研究，包括恢復(fù)系數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡。并在此基礎(chǔ)上，介紹落石災(zāi)害的防護(hù)措施和方法。

落石；落石災(zāi)害；防護(hù)

引言

落石是指在重力或者外力的條件下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，最后在某處停下來的過程[1]。落石運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，同時(shí)是一種三維運(yùn)動(dòng)。

在過去的很長的一段時(shí)間，落石災(zāi)害沒有受到大家充分的重視，然而隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及國家對(duì)西部經(jīng)濟(jì)的逐漸重視，國家不斷投入大量資金進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，包括大量的公路和鐵路工程建設(shè)。然而西部山區(qū)較多，例如像重慶、云南、貴州等地區(qū)，施工條件惡劣，無論是施工期間還是運(yùn)營階段，地質(zhì)災(zāi)害事故包括落石災(zāi)害和其他災(zāi)害總是不斷發(fā)生，給人民和國家都帶來了巨大損失。

2002年5月，四川綿竹發(fā)生一起嚴(yán)重的落石事件。一塊落石砸中一車輛導(dǎo)致總共18人死亡，14人受傷[2]。

在2015年3月19日，桂林發(fā)生一起嚴(yán)重的落石事件，總共導(dǎo)致7人死亡，25人不同程度受傷。諸如此類的落石災(zāi)害案例在我國能經(jīng)?？吹?，網(wǎng)絡(luò)上這類報(bào)道也是很多。盡管如此，隨著我國不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)建設(shè)，我們?nèi)匀粫?huì)面臨更多的落石災(zāi)害的挑戰(zhàn)。因此相關(guān)落石運(yùn)動(dòng)的科研活動(dòng)逐漸增多，對(duì)落石的研究也是從單個(gè)方面逐漸擴(kuò)展到落石的方方面面，從落石的來源到落石災(zāi)害的防治與方法等[1]。

落石運(yùn)動(dòng)具有突發(fā)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，和平時(shí)大家認(rèn)為的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害有著明顯的區(qū)別，落石在失穩(wěn)后經(jīng)過大量復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，靜止在坡腳。與滑坡相比，落石運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度更快速猛烈，沒有固定的方向和沿面，是隨機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)，且原來的整體性被完全破壞[3]。

一、研究方法

對(duì)落石的研究就目前而言有三種方法，且都各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。①現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度高，但準(zhǔn)備周期長，而且費(fèi)用昂貴，并且受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響大；②模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)費(fèi)用低廉，且不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，針對(duì)性強(qiáng)結(jié)果直觀，但是試驗(yàn)周期也較長；③數(shù)值模擬，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，易于科研人員掌握且費(fèi)用低廉，結(jié)果也更加直觀有效，因此現(xiàn)如今數(shù)值模擬更受科研人員的歡迎。

目前科研人員對(duì)落石運(yùn)動(dòng)的研究主要在以下兩個(gè)方面：①落石運(yùn)動(dòng)軌跡方程的推導(dǎo)計(jì)算，②落石災(zāi)害的防護(hù)措施和方法。其中，落石的運(yùn)動(dòng)軌跡是研究的重中之重，決定著防護(hù)措施位置的選擇以及高度的選擇。

二、落石運(yùn)動(dòng)軌跡的研究

(一)恢復(fù)系數(shù)

落石運(yùn)動(dòng)包含著有下落、回彈、跳躍、滾動(dòng)等幾個(gè)階段，對(duì)于回彈階段而言，落石反彈的恢復(fù)系數(shù)研究甚多，國內(nèi)外專家學(xué)者都對(duì)其有所研究。

國外專家VincentLabiouse[12]發(fā)現(xiàn)，在落石運(yùn)動(dòng)軌跡建模中，當(dāng)落石影響坡面時(shí)，跳躍現(xiàn)象是最難預(yù)測(cè)的，因?yàn)槠鋸?fù)雜性和現(xiàn)如今非常有限的理解。而且到目前為止，在粗糙地面進(jìn)行反彈是獲取恢復(fù)系數(shù)的最好方法。為了更好的獲得關(guān)于彈跳現(xiàn)象的相關(guān)知識(shí)，探討各種相關(guān)系數(shù)的敏感因素，為此特地做了試驗(yàn)，同時(shí)介紹了試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)處理，并對(duì)各種因子做出分析。最后得出結(jié)論，反彈的恢復(fù)系數(shù)不僅僅取決于斜坡材料的特性，還與運(yùn)動(dòng)學(xué)(坡度和沖擊速度)和塊石(重量，大小，形狀)有關(guān)。同時(shí)指出，很多將恢復(fù)系數(shù)看做常數(shù)的模型，其運(yùn)動(dòng)軌跡是需要討論的，需要試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更多的觀察和檢查。

與此同時(shí)，F(xiàn)ranckBourrier[13]對(duì)落石運(yùn)動(dòng)中的彈跳做了一定的研究?；謴?fù)系數(shù)很大程度上影響著運(yùn)動(dòng)軌跡，在相關(guān)研究中是非常重要的。他認(rèn)為恢復(fù)系數(shù)的取值很多時(shí)候都是主觀的，這是不科學(xué)的，正確的做法是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)。為了更好的研究反彈和恢復(fù)系數(shù)，建立了一個(gè)落石的三維仿真模型。并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果令人滿意。因此建議，在恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行取值時(shí)，不妨嘗試精確建模，這樣得到的結(jié)果更為客觀，對(duì)比主觀的取值，顯然更具有說服力。

國內(nèi)學(xué)者也就恢復(fù)系數(shù)做了相關(guān)研究，試驗(yàn)表明，法向恢復(fù)系數(shù)與坡面材質(zhì)和坡度相關(guān)，坡面越硬，法向恢復(fù)系數(shù)越大；坡度越大，法向恢復(fù)系數(shù)也越大[10]。除此之外，他們通過落石下落高度的不同，來表明落石與地面接觸時(shí)的不同速度。最后發(fā)現(xiàn)，法向恢復(fù)系數(shù)與沖擊速度關(guān)系不大。同時(shí)得到了塊石本身物理性質(zhì)(形狀、大小等)也和法向恢復(fù)系數(shù)沒關(guān)系。通過一系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存法向恢復(fù)系數(shù)取值偏大，是保守的，并給出了自己總結(jié)的取值，當(dāng)然主要是范圍取值。

可以看出，對(duì)于落石恢復(fù)系數(shù)的取值和及其影響因子，中外學(xué)者得出的結(jié)論是不一致的，這值得我們的進(jìn)一步關(guān)注該問題。也說明落石災(zāi)害的問題還需進(jìn)一步研究。

(二)落石運(yùn)動(dòng)軌跡

在落石研究中，落石運(yùn)動(dòng)軌跡的研究占著重要的一部分。但因?yàn)槁涫\(yùn)動(dòng)復(fù)雜，邊界條件和初始條件也復(fù)雜，而且其影響因素多類，所以得出的軌跡方程多種多樣。

國內(nèi)學(xué)者胡厚天通過研究羅依尼什維里教授的研究成果，并在其基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出落石崩落距離的計(jì)算公式。同時(shí)找到了計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡和彈跳高度的計(jì)算方法[5]。

唐紅梅和易朋瑩從危巖的發(fā)育機(jī)理入手，將落石的運(yùn)動(dòng)分為初始位移階段、碰撞階段、滑動(dòng)階段、滾動(dòng)階段四個(gè)階段。分別研究這四個(gè)階段，并推導(dǎo)出相應(yīng)階段的軌跡方程[6]。在得到相關(guān)理論知識(shí)后，將其應(yīng)用于計(jì)算實(shí)例，得出了可靠結(jié)論。

俸錦福，張俊紅等人將落石運(yùn)動(dòng)全過程分為三個(gè)階段。分別是滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)階段、拋物運(yùn)動(dòng)階段和坡面碰撞階段。并采用了分段循環(huán)算法分別得到了三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式[7]。同時(shí)將該方法運(yùn)用于實(shí)際算例某巖質(zhì)邊坡，預(yù)測(cè)該邊坡的落石運(yùn)動(dòng)軌跡，最終結(jié)果證明，該理論公式是合理的。最后還總結(jié)出來分段循環(huán)算法的三大優(yōu)點(diǎn)：①計(jì)算原理簡(jiǎn)單，②考慮了運(yùn)動(dòng)軌跡的連續(xù)性，③便于科研人員使用。

楊海清，周小平將落石近似看成橢圓形，根據(jù)落石的五種形式，即自由落體運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)、碰撞、滑動(dòng)和滾動(dòng)，推導(dǎo)出每種運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)過程。因?yàn)橄氲铰涫c地面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生彈塑性變形，還推導(dǎo)出計(jì)算恢復(fù)系數(shù)的方法[4]。

為尋找落石運(yùn)動(dòng)與哪些要素相關(guān)，尋求落石運(yùn)動(dòng)特征、規(guī)律和相關(guān)參數(shù)，科研人員做了大量的相關(guān)試驗(yàn)。黃潤秋按照正交設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)滾石試驗(yàn)[8]。并由最后的試驗(yàn)結(jié)果得到了重要結(jié)論：斜坡坡度是落石運(yùn)動(dòng)的最關(guān)鍵因素。

除此之外，葉四橋等人對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)不管是什么形狀，落石在經(jīng)過大量復(fù)雜運(yùn)動(dòng)后，并沒有大家所認(rèn)為的滑動(dòng)階段[9]。從這一點(diǎn)來看，認(rèn)為許多引入了滑動(dòng)模式的計(jì)算模型是有待討論的。

三、落石災(zāi)害的防護(hù)措施和方法

落石災(zāi)害是我國山地地區(qū)頻繁發(fā)生的眾多地質(zhì)災(zāi)害之一，不僅給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大威脅，還給國家?guī)砹藝?yán)重的損失，即使是小規(guī)模的落石，也會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此很有必要，或者說是必須對(duì)其進(jìn)行防治，以免出現(xiàn)造成更大的威脅。就目前而言，防治落石災(zāi)害的方法主要分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)措施兩種，這兩種是分別從不同角度出發(fā)的。主動(dòng)技術(shù)從崩塌源角度出發(fā)進(jìn)行防護(hù)，簡(jiǎn)單說就是避免落石的崩塌，例如錨固。而被動(dòng)防護(hù)措施則是在發(fā)生落石后，怎么將落石攔截，以免造成更大的傷害，例如攔石墻[11]。

主動(dòng)防護(hù)措施雖然可以從根源上避免落石災(zāi)害的發(fā)生，但即使被廣泛采用的治理措施，比如說噴錨掛網(wǎng)、裂縫灌漿等，施工也較難，造價(jià)高，同時(shí)在人口密集情況受條件限制較大。然而像明洞、棚洞這些被動(dòng)防護(hù)技術(shù)施工較為復(fù)雜，受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境限制大，因此攔擋結(jié)構(gòu)如攔石墻更適用。剛性擋墻在我國很長一段時(shí)間都被采用，然而此項(xiàng)技術(shù)容易導(dǎo)致材料浪費(fèi)，更甚者可能導(dǎo)致防護(hù)設(shè)施失效。目前我國普遍采用的是SNS柔性防護(hù)網(wǎng)，與傳統(tǒng)典型的圬工建筑物相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①柔性大強(qiáng)度高，②對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有著較高的適應(yīng)能力不受其限制，③系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理可靠易標(biāo)準(zhǔn)化，④作業(yè)施工簡(jiǎn)單快速強(qiáng)度小且不干擾正常運(yùn)營，⑤維護(hù)工作量小簡(jiǎn)單，⑥系統(tǒng)壽命較長可達(dá)50年。

(References)

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[6]唐紅梅，易朋瑩.危巖落石運(yùn)動(dòng)路徑研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2003，25(1)：17-23.

[7]俸錦福，張俊紅，朱彬，等.邊坡滾石運(yùn)動(dòng)軌跡分段循環(huán)算法[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2012，22(4)：96-101.

[8]黃潤秋，劉衛(wèi)華.基于正交設(shè)計(jì)的滾石運(yùn)動(dòng)特征現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(05)：882-891.

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