崩塌落石運動計算模型綜述

蔡向陽， 鐵永波

(1.中國地質大學(北京)，北京　100083； 2.中國地質科學研究院，北京　100037；3.中國地質調查局成都地質調查中心，成都　610081)

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崩塌落石運動計算模型綜述

蔡向陽1,2,3， 鐵永波3

(1.中國地質大學(北京)，北京100083； 2.中國地質科學研究院，北京100037；3.中國地質調查局成都地質調查中心，成都610081)

由于崩塌落石的廣泛分布及其發(fā)育地的地質條件與地理環(huán)境的復雜性和特殊性使得對其進行較為全面的研究治理頗為困難。雖然近年來對崩塌落石的研究有了較多的成果，但目前對其運動的計算模型還存在問題，在很大程度上制約了防災減災科學的進展。為了深入探討崩塌落石的運動計算模型，本文回顧了國內學者在相關領域的研究，系統(tǒng)總結了現(xiàn)有計算模型的研究現(xiàn)狀，且對計算模型進行了討論和總結。

崩塌落石；運動特征；計算模型；研究現(xiàn)狀

1　引言

崩塌落石是常見的地質災害，是山區(qū)三大地質災害(崩塌、滑坡、泥石流)之一[1]。邊坡落石經常發(fā)生在地形陡峭的山區(qū)地帶，雖然其規(guī)模較小，但由于發(fā)生頻繁，且突發(fā)性高、隨機性強，所以常對災害區(qū)的基礎設施和建筑物帶來危害，甚至危及災害區(qū)內人們的生命與財產。而我國的崩塌落石災害的類型和分布有著明顯的區(qū)域性，西南地區(qū)為主要的發(fā)育區(qū)域。該地區(qū)崩塌災害類型多、規(guī)模大、發(fā)生頻繁、分布廣泛、危害嚴重[2]。特別是汶川地震誘發(fā)了大規(guī)模的崩塌滾石災害，如2009年7月25日都汶公路徹底關大橋橋墩被滾石砸斷[3]，致6人死亡并導致都汶公路中斷。2012年9月7日，彝良地震誘發(fā)大量的滾石災害[4]，在已公布的81名遇難者中，被山上飛落而下的滾石砸中的遇難者占80%。因此，如何對崩塌落石的形成機制、運動特性、碰撞時的沖擊力并進行有效地判斷，進而采取合理有效的工程防護措施，是山區(qū)經濟建設中亟待解決的問題之一。本文主要介紹崩塌落石的運動特性研究。

2　崩塌落石的分類與成因機制研究

胡厚田[1]收集并分析了我國鐵路沿線的崩塌落石，總結了崩塌落石的形成條件和產生機理。孫云志等[5]研究奉節(jié)李子埡危巖體的形成機制和穩(wěn)定性，分析了危巖底部大規(guī)模采空區(qū)對危巖的影響。劉凱棟[6]在研究貴州崩塌災害及其影響因素時總結了該地區(qū)落石災害的分布特征，提出了相應的防治措施。陳洪凱等[7]認為危巖落石形成包括內因和外因兩方面，其中內因有軟硬相間的地層組合、陡峻的地形及強烈的卸荷作用，而外因則包括裂隙水壓力和地震作用。張路青等[8]認為，滑坡、崩塌、坍塌、溜滑、剝落，差異風化、凍融循環(huán)、根劈作用、降水、地震、氣溫變化、人類活動等因素都能夠直接或間接地導致塊石在重力作用下沿斜坡運動。曠鎮(zhèn)國[9]將崩塌分為古崩塌和現(xiàn)代崩塌，認為現(xiàn)代崩塌與落石的發(fā)生關系密切。陳洪凱等[7,10]對三峽庫區(qū)危巖形成的內外因素進行分析，總結了危巖發(fā)育鏈式機理，將其分為滑塌式、墜落式和傾倒式。

2.1危巖體基本分類

胡厚田[1]根據潛在崩塌體的形成機理將崩塌分為5類：傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌和錯斷式崩塌。孫云志等[11]通過對奉節(jié)李子埡危巖體的研究，從邊坡結構、結構面、臨空卸荷、水的作用和爆破振動5方面，將危巖失穩(wěn)類型分為滑移和傾倒兩類。陳洪凱提出了三峽庫區(qū)危巖發(fā)育鏈式機理[12]，其后進一步研究，將危巖發(fā)育過程分為5個階段，并提出了三峽庫區(qū)危巖鏈式演化規(guī)律[13]。黃潤秋等[14]從控制條件和失穩(wěn)機理角度，將危巖體分為7個類型：貼坡式、懸掛式、孤立式、板裂式、碎裂式、砌塊式和軟弱基座式。董好剛[15]從其形成機理出發(fā)，將三峽庫區(qū)緩傾層狀高邊坡破壞模式概化為4種：風化-崩落型、壓剪-滑移崩落型、拉剪-傾倒崩落型、拉裂墜落型。黃波林等[16]對三峽庫區(qū) 114 個高陡危巖及崩滑體調查分析，發(fā)現(xiàn)3種主要的破壞模式(滑動、傾倒、彎曲)都對應一定的巖體結構；巖體結構變化時，失穩(wěn)模式發(fā)生變化或者復合。張奇華[17]將危巖失穩(wěn)模式分為8類，即蠕滑體滑移失穩(wěn)、整體壓陷傾斜崩塌、滑移-傾斜交錯崩塌、裂隙段屈曲變形破壞、上下滑出破壞、傾斜-滑移破壞、傾斜-隱裂縫開裂-崩塌、傾斜-滑移-隱裂縫開裂-崩塌。陳明東等[18]根據受力模式將其分為板梁旋滑移和懸臂壓桿破壞兩類。

2.2崩塌落石形成條件和影響因素

胡厚田[1]認為：所謂落石是指陡峻斜坡上的個別巖石塊體在重力和其他外力作用下，突然向下滾落的現(xiàn)象。鐵道部第一設計院[19,20]在《鐵路工程地質手冊》中將崩塌分為：崩塌、墜石、剝落，并從地形地貌、地層巖性、地質構造和其他因素等方面闡釋了崩塌的形成條件。崩塌落石和滑坡等重力地質現(xiàn)象一樣，是在重力作用下內外因素共同作用的結果。內部因素主要包括：巖土體結構、巖土體物理力學性質、地質環(huán)境條件等；外部因素則包括水的作用、氣溫、凍融作用、植物的根劈作用、其他生物的擾動以及人類工程活動等。雖然落石也是斜坡或邊坡重力演化的一種形式，但與滑坡、崩塌等動力地質現(xiàn)象有著明顯的不同，是另一種類型的地質災害[8]。由于上述因素的共同影響且存在不同程度的耦合作用，進而給崩塌落石的計算帶來了諸多麻煩。通過表1來說明崩塌落石形成的影響因素。

2.3發(fā)育過程

崩塌落石作為斜坡淺表破壞方式的一種，與典型的滑坡有顯著的不同之處[21]。事實上崩塌落石的運動過程是很快的，但它有著長期的地質發(fā)展過程。胡厚田[1]認為崩塌落石的發(fā)育過程可以劃分為3個階段：潛在崩塌體的形成階段、潛在崩塌體的蠕動位移階段、突然崩落階段。而陳洪凱等[7]針對三峽庫區(qū)危巖的研究提出了危巖發(fā)育鏈式機理，將危巖發(fā)育過程分為初始階段、河谷下切階段、差異風化階段、臨界巖腔形成階段、初始危巖體形成階段、危巖崩落初始階段、危巖崩落連鎖階段、微觀鏈完成階段共8個階段。由上述可知不同的研究人員基于不同的研究區(qū)，使用不同的基礎數(shù)據與研究方法，所得到的崩塌落石演化過程是有一定差異的。

表1　崩塌落石的形成原因和條件

3　崩塌落石運動過程與力學機制

3.1崩塌落石運動過程的影響因素

落石運動軌跡的研究是落石運動特性的主要內容，國內學者采用了物理力學試驗、數(shù)值模擬和理論計算等手段對崩塌落石的運動特性進行了一定的探究。影響危巖落石運動的因素有邊坡條件、塊體條件、滾石與坡面的相互作用。胡厚田[1]基于現(xiàn)場試驗，分析了落石運動的影響因素包括落石自身特征和坡面條件。亞南、王蘭生等[22]采用地質力學模擬方法，結合模型試驗和數(shù)值模擬，對猴子嶺崩塌落石的運動特征進行了研究。陳宇龍[23]通過理論比對分析，研究了邊坡坡面還原系數(shù)、坡面摩擦角、坡面粗糙度、滾石自轉的角速度和滾落狀態(tài)對滾石運動狀態(tài)的影響。黃潤秋等[24]基于現(xiàn)場試驗和正交試驗理論，對滾石質量、滾石形狀和坡面狀況(坡度及坡度相關的坡表覆蓋層)進行了研究。傅少君等[25]主要從邊坡條件(邊坡幾何形狀、坡面粗糙程度、邊坡的物理力學性質)、滾石特性(幾何性質、物理力學性質)和滾石與邊坡的相互作用3方面進行了系統(tǒng)的試驗分析。黃潤秋等[26]在正交試驗的基礎上，采用了極差、方差和回歸分析等方法，分析了滾石啟動方式、斜坡覆蓋層和植被特征、斜坡坡度、坡面長度、滾石形狀和滾石質量等6個可能影響滾石運動特征的因素。

3.2崩塌落石的運動過程

陳洪凱等[7,10]將落石的初始運動狀態(tài)歸納為錯落式、墜落式和傾倒式，并推導了不同的啟動方式下落石的運動軌跡方程。唐紅梅等[27]等將危巖的運動過程分為初始運動過程、碰撞過程、滑動過程和滾動過程，并給出了相應的運動軌跡方程。趙旭等[28]基于運動學原理，給出了不同坡面條件下落石速度、動能和彈跳高度的計算公式。楊海清等[29]基于接觸力學和運動學理論，將落石假設為橢圓形，從而把落石運動分為5種模式：自由落體運動、斜拋運動、碰撞、滑動和滾動，分別得到了各種運動形式的運動速度計算公式。呂慶等[30]根據控制滾石運動的主要影響因素,從工程的角度將崩塌落石的運動分為滑動、自由飛落、碰撞彈跳、滾動4個階段，并建立了一套計算邊坡滾石運動軌跡的計算公式。程強等[31]在野外工作的基礎上，通過統(tǒng)計分析滾石的運動特征和危害參數(shù)范圍，認為落石坡面運動可分為啟動、運動和堆積3個階段。崔圣華等[32]通過正交試驗，選擇不同的坡表覆蓋層，對不同形狀、質量的滾石為變量，研究了斜坡滾石滾動狀態(tài)下速度特征。葉四橋等[33]通過實驗發(fā)現(xiàn)：不管何種形狀落石，運動模式均為滾動和彈跳，無明顯滑動段。由于地質背景和地形地貌的不同，落石的實際運動過程是幾種運動模式的組合與疊加，也可能僅是一種運動形式。因此確定落石運動狀態(tài)的恢復系數(shù)就變得異常重要。

3.3崩塌落石運動特性參數(shù)

恢復系數(shù)是落石運動過程中關鍵且敏感的參數(shù)，其取值直接決定了落石的后續(xù)運動狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)恢復系數(shù)與邊坡的形態(tài)，坡面材料物理力學性質，落石質量、形狀，碰撞時的入射速度、入射角等都密切相關。章廣成等[34]通過試驗和數(shù)值模擬認為法向碰撞恢復系數(shù)不受落石邊長、入射速度和入射角影響，只與坡面巖土體材料有關。葉四橋等[35]通過模型試驗，得到了坡面鋪裝和坡度是法向恢復系數(shù)的主要影響因素，落石的形狀和質量以及下落高度對法向恢復系數(shù)的影響不明顯。而黃潤秋等[27]在正交試驗的基礎上，得到了斜坡覆蓋層和植被特征對滾石碰撞恢復系數(shù)起控制性作用，其他因素幾無影響；斜坡覆蓋層與植被特征和碰撞恢復系數(shù)之間可用線性關系描述的結論。何思明等[36]在考慮材料彈塑性特性的基礎上，研究了滾石法向碰撞恢復系數(shù)和切向碰撞恢復系數(shù)的計算模式，給出了具體的計算公式，并闡明了影響碰撞恢復系數(shù)的主要控制因素。黃潤秋等[37]研究了落石運動的斜坡特征、落石形狀等對運動過程的影響及斜坡平臺對落石的停積作用。

4　崩塌落石的力學計算模型

落石與地面或建筑物碰撞時的沖擊作用包括兩個方面：一是落石碰撞時的沖擊力的大小；二是受沖擊體對沖擊作用的響應。下面主要討論崩塌落石的沖擊力，具體見表2。

表2　國內落石沖擊力計算方法比較

5　結論

由于落石的研究不過半個世紀而已，無論是從研究方法還是歷史數(shù)據積累而言都不是很完善。落石的運動和沖擊屬于運動學和動力學研究問題，但國內對其運動路徑和沖擊力的計算多采用經驗和半經驗公式，不能較好的符合實際情況。目前對落石的運動軌跡研究較多，但大都只是針對單一運動狀態(tài)進行分析，而其在實際運動過程中通常是幾種運動狀態(tài)的組合與疊加。從目前的研究來看大都沒有考慮到落石在實際運動過程中會發(fā)生相互碰撞這一情況，勢必會給落石的運動軌跡研究帶來困難。從崩塌落石的形成機理和運動過程的復雜性可以看出，應當進一步研究落石的主要影響因素以及各因素之間相互制約的作用機制；對已經發(fā)生的落石事件的反演和沖擊效應的研究。因此要對其進行深入研究尚需多學科理論和方法的融合與應用，才能實現(xiàn)為落石防災減災提供科學的依據。

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OVERVIEW OF CALULATION MODEL FOR COLLAPSE AND ROCKFALL MOVEMENT

CAI Xiang-yang1,2,3， TIE Yong-bo3

(1.China University of Geosciences，Beijing100083,China； 2.Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037,China；3.Chengdu Center of China Geological Survey，Sichuan Chengdu610081,China)

Owing to the wide distribution, place of the complexity and particularity of geological conditions and geographical environment which make the complete and systematic research on the collapse and rockfall become more difficult. In recent years the study of collapse rockfall results a lot, but there are problems in calculation model. To a large extent, it has restricted the progress of disaster prevention and mitigation. In order to deeply explore movement calculation model of rockfall and collapse, the domestic scholars in the related area of researches are reviewed, and the research status of the existing calculation model are systematic summarized. At last, the calculation models are discussed and summarized.

collapse and rockfall；movement feature；calculation Model；research status

1006-4362(2016)03-0100-05

2016-03-01改回日期：2016-05-17

中國地質調查局公益性地調項目“烏蒙山區(qū)北部城鎮(zhèn)地質災害調查”(DD20160275);科技部基礎工作專項(2011FY110100-5)

P642.21;TU458

A

蔡向陽(1993-)，男，漢族，碩士研究生，主要從事地質災害研究。Email:845374595@qq.com