淺析不同邊坡下滾石的運動軌跡

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南 湘潭 411201)

滾石是常見的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，特別是經(jīng)過山區(qū)的公路深受其邊坡滾石的危害。影響因素主要包括滾石的性質(zhì)、邊坡的性質(zhì)、人為因素、自然因素。其中滾石的性質(zhì)主要包括滾石的巖性、大小、形狀、質(zhì)量等；邊坡的性質(zhì)主要包括邊坡坡度、邊坡巖性、地質(zhì)構(gòu)造作用和邊坡結(jié)構(gòu)情況等；誘發(fā)滾石自然因素主要有降水、風(fēng)化、震動、植被等；人為因素主要包括工程施工干擾等。滾石災(zāi)害的發(fā)生可能是單一因素作用的結(jié)果，也可能是多種因素綜合作用的結(jié)果。比如，在突發(fā)性暴雨或者持續(xù)強降雨時，發(fā)生滾石的概率就比較大；在人類活動較強的地區(qū)，危巖受到振動、凍融、工程活動等影響，滾石現(xiàn)象就更易于見到；在坡度較大的邊坡，易于發(fā)生滾石；在泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，時常引發(fā)現(xiàn)場或者臨近現(xiàn)場的滾石發(fā)生。

一、滾石的物源

當(dāng)斜坡上的危巖體出現(xiàn)失穩(wěn)時，危巖體在外力和自身重力作用下，會沿著斜坡向下運動，引發(fā)邊坡滾石災(zāi)害。因此滾石的來源并不僅限于巖質(zhì)邊坡，其也可能來自于土質(zhì)邊坡中因失穩(wěn)而脫落的卵石、礫石等，也可以來自巖土體混合類邊坡，因此，滾石的物源主要可以從下面幾個方面來分析[1]：(1)失穩(wěn)后運動方式以垂直位移為主的危巖體；(2)巖質(zhì)邊坡上的巖體、土質(zhì)邊坡上的土體以及巖土體邊坡上的混合體等因崩塌而分離出來的個別塊體；(3)邊坡發(fā)生滑坡后，從滑坡體中分離出的個別塊體；(4)陡崖表面風(fēng)化而剝落的塊石，例如花崗巖球狀風(fēng)化產(chǎn)生的滾石；(5)因人為因素造成邊坡或陡崖上的塊石滑落。

二、坡度對滾石災(zāi)害的影響

坡度是滾石災(zāi)害的發(fā)生的重要因素之一。坡度越高，滾石越容易從邊坡上滾下，形成滾石災(zāi)害。一般來說，坡角<25°時為平緩斜坡；坡角在25°～45°之間時，為中斜坡；坡角在45°～80°之間為急斜坡；坡角>80°時為高陡邊坡。

崩塌滾石災(zāi)害大都發(fā)生在坡角>45°的急斜坡上。但當(dāng)滾石及邊坡條件合適時，邊坡坡角在<45°，滾石也可能發(fā)生沿著邊坡滾落的情況。最容易發(fā)生滾石災(zāi)害的坡角在55°～70°之間，坡角>70°時，則容易發(fā)生是滾石墜落的情況。

三、滾石的運動方式

根據(jù)邊坡坡度的不同，滾石的運動方式大致可以分為4類：①滾石的滑動；②滾石的滾動；③滾石的碰撞彈跳；④滾石的自由飛落。但在實際情況下，滾石從邊坡上滾下可能是這四種方式的合成[2]。

(一)滾石的滑動

滾石的滑動主要發(fā)生在滾石動能較小的時候，一般以滾石運動剛發(fā)生的階段和快結(jié)束的階段為主。滾石的滑動要求條件比較苛刻，一般只有邊坡坡度較緩或者坡面摩擦力較小以及滾石的形狀為塊體結(jié)構(gòu)才有可能會發(fā)生滾石的滑動。

(二)滾石的滾動

當(dāng)斜坡坡度增加，滾石的形狀以圓球形為主的時候，滾石在斜坡上往往會因為相應(yīng)的摩擦力使?jié)L石產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速，發(fā)生滾石的滾動。在重力作用下，滾石的轉(zhuǎn)速和動能越來越高，往往會造成滾石災(zāi)害的發(fā)生。

(三)滾石的自由飛落

當(dāng)斜坡的坡度≥70°時，發(fā)生運動的滾石由于具有一定的初速度和角速度，在重力作用下，由于邊坡坡度過大，滾石沒有邊坡的阻擋，而一直以重力加速度向下運動，最終砸下路面。此過程滾石的運動軌跡是拋物線。

(四)滾石的碰撞彈跳

當(dāng)滾石在滾動或自由飛落的過程中，如果遇到邊坡坡度變緩以及其他的影響滾石運動的因素后，滾石往往因為動態(tài)勢能過大，在與接觸面接觸后，動態(tài)勢能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，造成滾石的彈跳碰撞。此過程會嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性。

四、不同坡度條件下滾石的運動軌跡模擬

本文對滾石運動進行模擬分析所使用的軟件是Rocfall。Rocfall可以對邊坡滾石的運動軌跡進行模擬。除了運動軌跡的模擬外，它還可以分析出滾石與邊坡接觸面的動能、速度和彈跳高度等[3]。

(一)參數(shù)設(shè)置

模擬邊坡由兩個相結(jié)合的凹型邊坡組成，根據(jù)坡角的大小將邊坡分為4個，坡角分別為45°、75°；模擬邊坡高度60m，相對應(yīng)的邊坡寬度分別為60m、15m；模擬滾石個數(shù)為1000個，滾石質(zhì)量為60kg；邊坡從上到下分為2部分，第1部分為巖屑面，第2部分為路面，材料為瀝青，寬度為40m；滾石初速度為3m/s，角速度為3°/s。

(二)模擬結(jié)果

通過Rocfall模擬軟件模擬邊坡坡角為45°、75°這四種情況，滾石運動軌跡如圖1所示。

(三)模擬結(jié)果分析

圖1 分別表示滾石在不同坡角的邊坡上的運動軌跡。

當(dāng)坡角為45°時：從圖4.1中可以看出滾石的運動方式以碰撞彈跳和自由飛落為主。邊坡位置在0～8m和60～95m時，滾石發(fā)生碰撞彈跳；邊坡位置在8～60m時，此時滾石的垂直彈跳高度為0m，可以推測出此位置區(qū)間滾石以滑動或者滾動方式為主；滾石在100m時停止運動。

當(dāng)坡角為75°時：從圖4.2中可以看出滾石的運動方式以碰撞彈跳和自由飛落為主。但邊坡位置在0～55m時，滾石發(fā)生碰撞彈跳；滾石在56m時停止運動；滾石的垂直彈跳高度都>0m，因此坡角在75°時滾石的運動方式?jīng)]有碰撞彈跳。

五、結(jié)論

由第四章可看出，隨著邊坡坡角的增大，滾石運動過程中的垂直彈跳高度越來越高，滾石滑動或滾動的距離越來越短，當(dāng)坡角為75°時，此時滾石已沒有滑動或滾動這種運動方式。因此，在實際工程中，坡角>30°時，需要對邊坡以及與邊坡接觸的路面進行加固，并且在邊坡上設(shè)置滾石災(zāi)害防治措施。