公路邊坡落石運動特征的研究

程培峰，閆姝音，曹立智

(1.東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150040)

落石是山區(qū)三大地質(zhì)災害之一[1-3]，主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造作用，還有風化作用以及其他外界因素的影響1。在人工開挖的路塹邊坡或天然斜坡中，經(jīng)常發(fā)生落石災害。目前人們?yōu)榱藴p少或降低落石對公路交通造成的危害，主要是設置防護設施，攔截沿山坡滾落下來的石塊，由于對落石的運動路徑和運動特征掌握不足，致使有的設施結構強度過高，或有的設施被落石撞壞失去作用，出現(xiàn)落石破壞和傷亡事故，因此研究落石下落的運動形式、運動的路徑以及速度的大小是進行落石防護設施合理設計的當務之急[4]。

1 試驗場地及方案

試驗斜坡為折線形，斜坡為陡坡、緩坡相結合組成，圖1、圖2為現(xiàn)場試驗斜坡的縱斷面形式和現(xiàn)場試驗斜坡。A-B段為5.4 m豎直巖壁；B-C段約為38°有少量枯草的土質(zhì)邊坡，坡面較平整，坡長為16 m；C-D段，大部分坡面基巖外露、少量植物覆蓋，約為45°，但斜坡表面凹凸起伏，有少量枯草，坡長為30 m。在斜坡橫斷面方向上，自C點向下每隔2 m固定一定長度的紅布條，有利于清晰記錄落石彈跳碰撞后的落點位置。

試驗選取40 kg和80 kg兩種重量的石塊，選擇兩個下落點，斜坡頂部A點和斜坡中部E點，同一下落位置分別選擇8塊質(zhì)量近似相等，形狀為球狀、方塊狀的不同堅硬巖塊進行試驗，共計32塊。

圖1 試驗斜坡的縱斷面圖(距離單位：m)

圖2 落石試驗現(xiàn)場斜坡圖

2 試驗結果與分析

人工搬運巖塊下落時，A點、E點(見圖1)為標記的紅布條中間位置的縱向連線與指定高度斜坡橫斷面方向的交點，有利于記錄落石下落后的左右偏移量，初始速度記錄為0.5 m/s，落石下落過程中，利用攝影記錄石塊的運動方式、下落時間、軌跡轉換點、碰撞點,對每塊落石做好記錄，直至全部完成。

2.1 落石的下落過程

巖塊在A點下落時，以起始速度0做自由落體運動，速度大小不斷增加，與B-C段斜坡碰撞，落石初次碰撞后彈跳，繼續(xù)以滾動方式向下運動。B-C段到C-D段為緩坡到陡坡，斜坡坡度變陡，有堅硬基巖外露，落石碰撞后以跳躍模式向下運動，彈跳距離隨著速度不斷增大而增加。在石塊與坡面碰撞過程中，落石反射方向各有不同，產(chǎn)生的碰撞點也不同，停落位置分散，在C-D段碰撞的次數(shù)主要是2次、3次。

E點在B-C段中部，落石以初速度0下落，巖塊運動初期以滾滑的形式向下運動，運動速度不斷增加。到達C-D段，斜坡坡度變陡，基巖外露，與斜坡碰撞，但下落到C點時的速度小，落石碰撞后彈跳距離短，并伴有快速的滾動，因而在CD段落石以碰撞彈跳與滾動的運動形式下落，碰撞次數(shù)以3、4次為主。

2.2 落石運動速度的分析

在A點、E點將質(zhì)量相等8塊不同的80 kg、40 kg的石塊分別從斜坡上下落，下落過程中經(jīng)歷了自由落體、滾動、碰撞彈跳到達D點。由于坡度陡、坡面凹凸明顯，沒有明顯的滑動段，根據(jù)記錄的碰撞點、碰撞次數(shù)和下落的時間，表1、表2為下落時間、速度的范圍、平均值的統(tǒng)計。

表1 A點下落各項統(tǒng)計指標

表2 E點下落各項統(tǒng)計指標

現(xiàn)場落石試驗時，試驗坡面不是均質(zhì)的巖體，性狀不完全相同，落石下落過程具有隨機性。落石在相同高度下落時，速度大小各異，但都是在某一數(shù)值附近上下波動，而碰撞損失能量，碰撞次數(shù)多的落石速度值較小。從A點下落的落石與斜坡的碰撞次數(shù)比從E點的少，落石在A點下落到發(fā)生碰撞彈跳的斜坡CD段時水平分向速度大，因此跳躍的水平距離遠，與坡面碰撞次數(shù)少。

3 Rockfall模擬落石下落

Rockfall是評估斜坡上落石風險的統(tǒng)計分析程序，在程序中斜坡決定了落石的能量、速度和彈跳高度和落點位置，可以改變斜坡段的材料性能重新分析計算進行結果比較，考慮了邊坡的尺寸、邊坡的法向恢復系數(shù)、切向恢復系數(shù)、坡面的粗糙度、摩擦系數(shù)以及落石發(fā)生的位置、質(zhì)量、初速度等，模擬得到運動速度、彈跳高度、運動軌跡以及它們的統(tǒng)計結果，落石的能量、跳躍位置能夠幫助確定防護措施設置的能級和高度[5]。

對現(xiàn)場落石試驗進行數(shù)值模擬分析，首先根據(jù)試驗邊坡確定邊坡的輪廓線，試驗邊坡凸凹變化比較大，可以看作小幅度的坡度變化，但其長度短，這里將其看作相同坡度。其次是根據(jù)邊坡的性質(zhì)確定邊坡的法向恢復系數(shù)、切向恢復系數(shù)、坡面的粗糙度和摩擦系數(shù)。最后，確定落石的下落位置以及落石的初速度，落石起始的初速度較小，所取數(shù)值為0.5 m/s。

模擬20個質(zhì)量為40 kg的落石在A點下落，如圖3所示為落石下落的軌跡，落石到達坡腳D點的速度分布如圖4所示。

圖3 落石下落軌跡圖

從圖3中可以看出，在A點下落的40 kg的落石運動軌跡各不相同，從90°的巖壁下落時以墜落的方式下落，到達B點后與坡面碰撞，小幅度跳躍后以滾動的方式繼續(xù)運動，到達CD段后，坡度變陡，落石以躍跳的方式下落，與坡面碰撞次數(shù)都是以2、3次為主。從圖4可以看出，落石下落速度各不相同，速度大小從6.6 m/s到20.8 m/s，充分反映了落石下落的隨機性。

利用Rockfall數(shù)值模擬落石運動時，落石在不同坡段的運動方式與現(xiàn)場試驗相同，特點相似，落石試驗得出的速度范圍與數(shù)值模擬得出的結果相近，因而利用Rockfall模擬落石下落能夠反映落石的真實下落情況。現(xiàn)場落石試驗時，由于條件限制，現(xiàn)場試驗次數(shù)有限，而Rockfall可以進行多次模擬，使結果更全面和準確，能夠充分考慮落石下落過程中可能出現(xiàn)的各種情況[6-11]。

圖4 落石到達D點時速度分布圖

4 結 論

(1)落石下落過程中，落石的下落方式為自由落體、滑動、滾動、跳躍，在坡面性質(zhì)和落石本身的影響下，以不同的下落方式向下運動。

(2)落石下落過程具有隨機性，相同高度、質(zhì)量和相同高度、不同質(zhì)量的落石運動軌跡各不相同，速度值的大小也各不相等。因此，在進行落石防護時，根據(jù)落石的速度設置防護能級時，要具有一定的安全系數(shù)，有效防止落石災害的發(fā)生。

(3)利用Rockfall模擬數(shù)值能夠反映現(xiàn)場落石的真實情況，在不同坡段上的運動方式相同，特點相似，得出的速度范圍結果相近，因而，通過現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬相結合，為研究落石特征的研究提供更加可靠的依據(jù)。

【參 考 文 獻】

[1]黃潤秋，劉衛(wèi)華.滾石在平臺上的運動特征分析[J].地球科學進展,2008，23(5)：517-523.

[2]亞 南.斜坡崩塌落石的運動學分析與防護[D].成都：成都理工學院，1996.

[3]唐紅梅，易朋瑩.危巖落石運動路徑研究[[J].重慶建筑大學學報,2003，25(1)：2-5.

[4]葉四橋，陳洪凱，許 江.落石運動模式與運動特征現(xiàn)場試驗研究[J].土木建筑與環(huán)境工程,2011，33(2)，2-6.

[5]楊仲元.道路邊坡危巖落石運動路徑研究[J].公路交通科技,2010，27(1)，1-4.

[6]張路青，楊志法，許 兵.滾石與滾石災害[J].工程地質(zhì)學報,2004，12(3)，1-5.

[7]朱 彬.巖質(zhì)邊坡滾石運動特性及防護研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[8]單 煒，王福亮.公路植物護坡水文與力學效應的理論研究[J].森林工程，2007，23(6)：43-46.

[9]楊和平.極限平衡法與有限元強度折減法對某公路邊坡?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性分析[J].公路工程，2012(3)：180-183.

[10]馬興峰，胡慶國，譚潔瓊.基于GM(1，1)模型的高速公路邊坡變形預測[J].公咱工程，2012(5)：68-69.

[11]徐秀維.公路邊坡穩(wěn)定性預報的灰色突變研究[J].公路工程，2013(4)：174-177.