何思明 王東坡 吳永 歐陽朝軍

①研究員，中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都610041；中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；②博士，成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；③助理研究員，④副研究員，中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

*國(guó)家自然科學(xué)基金(41272346)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2013CB733201)和“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAK12B03)資助

崩塌滾石災(zāi)害的力學(xué)機(jī)理與防治技術(shù)*

何思明①王東坡②吳永③歐陽朝軍④

①研究員，中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都610041；中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；②博士，成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；③助理研究員，④副研究員，中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

*國(guó)家自然科學(xué)基金(41272346)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2013CB733201)和“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAK12B03)資助

崩塌滾石；災(zāi)害；形成 ; 防護(hù)技術(shù)；試驗(yàn)示范

崩塌滾石災(zāi)害是中國(guó)西部山區(qū)一種常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，具有突發(fā)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，是山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)中國(guó)崩塌滾石災(zāi)害基礎(chǔ)研究薄弱，減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)能力不足的問題，開展了崩塌滾石災(zāi)害形成條件與形成力學(xué)機(jī)理的研究，研發(fā)了系列耗能減震崩塌滾石災(zāi)害防治的新技術(shù)。結(jié)合汶川地震、蘆山地震崩塌滾石災(zāi)害防治難題，建設(shè)了崩塌滾石災(zāi)害防治新技術(shù)的試驗(yàn)示范區(qū)，并取得了良好的防護(hù)效果，為地震災(zāi)后重建和崩塌滾石災(zāi)害防治新技術(shù)的推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要的示范作用。

崩塌滾石災(zāi)害是世界范圍內(nèi)高山峽谷地區(qū)一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，它是在陡峻斜坡上發(fā)生的一種突然而又劇烈的動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。斜坡上的不穩(wěn)定巖土體在重力、地震、降雨或其他外力作用下，突然向下崩落，在運(yùn)動(dòng)過程中翻滾、跳躍、相互撞擊、崩解，最后堆積于斜坡坡腳，并通過沖擊、掩埋等方式對(duì)斜坡下方的公路、鐵路、防護(hù)建筑等構(gòu)造物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。崩塌形成的滾石粒徑大小從幾厘米到幾米，甚至十幾米，有的滾石質(zhì)量高達(dá)幾百噸，沖擊速度高達(dá)幾十米每秒，具有非常強(qiáng)大的沖擊破壞能力。崩塌滾石災(zāi)害在我國(guó)還具有分布范圍極廣，發(fā)生突然、頻率高，防不勝防的特點(diǎn)，已成為繼滑坡、泥石流災(zāi)害之后的又一重大山地地質(zhì)災(zāi)害[1-5]。

近年來，我國(guó)崩塌滾石災(zāi)害頻發(fā)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，已逐漸引起人們的高度重視。2007年5月25日，一輛中型客車從石棉縣開往漢源縣的途中，在國(guó)道108線石棉段被山上的滾石擊中車體，隨后滑下近10 m高的斜坡，造成9人死亡、14人受傷的重大安全事故。2007年11月20日，宜萬鐵路高陽寨隧道發(fā)生巖崩，巨大的滾石將一輛從上海返回湖北利川的客車填埋，造成31人死亡的特大事故。特別是2008年“5·12”汶川特大地震誘發(fā)大規(guī)模的崩塌滾石災(zāi)害，造成重大人員傷亡和基礎(chǔ)設(shè)施破壞(圖1～4)。比如：位于地震極重災(zāi)區(qū)的北川中學(xué)由于后山發(fā)生大規(guī)模崩塌災(zāi)害，造成近1500師生死亡的教訓(xùn)(圖4)；2009年7月25日都汶公路徹底關(guān)大橋橋墩被滾石砸斷[6]，致6人死亡并造成都汶公路中斷(圖5)。2012年9月7日，彝良地震誘發(fā)大量的滾石災(zāi)害[7]，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%。2013年4月20日，蘆山地震中的崩塌滾石災(zāi)害也是地震誘發(fā)的主要次生山地災(zāi)害類型[8](圖6)。

圖1 汶川地震誘發(fā)滾石災(zāi)害

圖2 巨型滾石對(duì)道路沖擊

圖3 滾石砸穿隧道

圖4 北川中學(xué)后山崩塌滾石災(zāi)害

圖5 滾石對(duì)徹底關(guān)大橋的破壞

圖6 S210線蘆山－寶興段崩塌災(zāi)害

國(guó)內(nèi)外對(duì)于崩塌滾石災(zāi)害的防治方法可分為兩大類[9-10]：主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)可分為加固法、清除法和繞避法。其中加固法包括危巖錨固、坡面固網(wǎng)、錨噴、支撐、嵌補(bǔ)、排水等；清除法包括清除個(gè)別危巖、削坡等；繞避法線路改道、修建隧道、搬遷建筑等。被動(dòng)防護(hù)可分為攔截法、疏導(dǎo)法、警示與監(jiān)測(cè)法。攔截法包括落石平臺(tái)、落石槽、攔石網(wǎng)、擋石墻、攔石堤、攔石柵欄、明洞或防滾石棚等；疏導(dǎo)法包括疏導(dǎo)溝、疏導(dǎo)槽等；警示與監(jiān)測(cè)法包括巡視、警告牌、滾石運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、電棚欄、雷達(dá)和激光監(jiān)測(cè)等。近年來，瑞士布魯克公司研發(fā)的柔性防護(hù)網(wǎng)為崩塌滾石的防治提供了一種簡(jiǎn)單有效的防治方法。柔性防護(hù)網(wǎng)對(duì)于表面巖石破碎、坡面無茂密的樹林和灌木的邊坡效果較好，它可以采用被動(dòng)防護(hù)的方式攔截危巖、緩沖消耗掉危巖向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，也可以采用主動(dòng)防護(hù)的方式，直接對(duì)危巖進(jìn)行“捆綁式”的約束。最為典型的是WICCO 型、ROCCO 型以及 GBE 型三種防護(hù)網(wǎng)技術(shù)，這三種技術(shù)針對(duì)不同的落石災(zāi)害發(fā)揮著獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大大降低了各種落石災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

崩塌滾石災(zāi)害具有超強(qiáng)的動(dòng)力特性，對(duì)沿程構(gòu)筑物造成巨大的沖擊破壞[6-8,11-12]。滾石一旦啟動(dòng)后，其在坡面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是減災(zāi)防治必須關(guān)注的重點(diǎn)。Spadari等[13](2012)在澳大利亞新南威爾士開展了滾石的原位坡面試驗(yàn)；何思明等[14-15]研究了滾石坡面沖擊回彈特性，建立了滾石法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算方法以及滾石坡面運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)方法；此外，美國(guó)科羅拉多大學(xué)還開發(fā)了ROCKFALL軟件用于預(yù)測(cè)滾石坡面運(yùn)動(dòng)軌跡。研究崩塌滾石災(zāi)害與承災(zāi)體之間的動(dòng)力相互作用，揭示崩塌滾石災(zāi)害對(duì)承災(zāi)體的沖擊破壞機(jī)理，是研究崩塌滾石災(zāi)害易損性和工程結(jié)構(gòu)防沖擊優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。由于崩塌滾石災(zāi)害對(duì)承災(zāi)體的沖擊破壞涉及復(fù)雜的動(dòng)力作用和能量轉(zhuǎn)化，國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研究工作還比較少，而且類似工作的重點(diǎn)都放在雪崩與防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用方面。例如：Teufelsbauer等[16]采用室內(nèi)水槽模型試驗(yàn)和離散元方法研究了雪崩與防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用；Thibert[17]在法國(guó)阿爾卑斯山區(qū)開展了雪崩對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的原型沖擊試驗(yàn)研究。Salciarini[18]、Li 和 He[19]采用離散元(DEM)方法研究了土擋結(jié)構(gòu)防御崩塌體的有效性，其中崩塌體采用不同粒徑的圓盤組合體代替，顆粒之間的相互作用采用摩擦-接觸模型模擬，揭示了崩塌體、坡面以及土擋結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)及其強(qiáng)度參數(shù)對(duì)崩塌體動(dòng)力過程及其防治效果的定量影響。Plassiard等[20]采用PFC方法研究了土擋的優(yōu)化設(shè)計(jì)；Kishi[21-23]、何思明[24-25]、王東坡[26-27]、Delhomme[28]、Mougin[29]采用彈塑性接觸理論、動(dòng)力有限元方法和試驗(yàn)方法等研究了滾石對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)、橋墩、路面等結(jié)構(gòu)的沖擊破壞。

隨著全球氣候變暖，地震活動(dòng)漸強(qiáng)，人類工程活動(dòng)加劇，我國(guó)滾石災(zāi)害的活動(dòng)性、發(fā)生頻率與規(guī)模都將大幅上升，未來我國(guó)滾石災(zāi)害減災(zāi)形勢(shì)將異常嚴(yán)峻。然而，目前我國(guó)滾石災(zāi)害研究基礎(chǔ)還比較薄弱，減災(zāi)防災(zāi)能力還難以滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和公共安全的需要。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)缺乏危巖失穩(wěn)的宏細(xì)觀判據(jù)。難以對(duì)潛在的滾石災(zāi)害做出預(yù)判，應(yīng)從宏細(xì)觀尺度上研究靜、動(dòng)荷載作用下巖體裂隙從行核—擴(kuò)展—貫通到失穩(wěn)破壞的動(dòng)力演化機(jī)理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建危巖失穩(wěn)的宏細(xì)觀準(zhǔn)則是滾石災(zāi)害研究所急需解決的重大科學(xué)問題。

(2)滾石災(zāi)害與承災(zāi)體的動(dòng)力相互作用及其易損性評(píng)價(jià)的研究亟待突破。分布于滾石災(zāi)害多發(fā)區(qū)的各種構(gòu)筑物(房屋建筑、交通工程、水電工程、輸油氣管線等)與滾石災(zāi)害防護(hù)工程常常遭受滾石的高速?zèng)_擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷和破壞。由于其相互作用涉及復(fù)雜的彈塑性變形、斷裂與損傷、短歷時(shí)的能量轉(zhuǎn)化等，現(xiàn)階段相關(guān)的研究成果還很有限，難以滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求。

(3)滾石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可靠性需要進(jìn)一步提升。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是保障山區(qū)重大工程和社會(huì)公共安全的重要手段，而傳統(tǒng)的山地災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一般基于經(jīng)驗(yàn)性的判斷或概率統(tǒng)計(jì)模型方法，可靠性較低。目前國(guó)際前沿是基于物理模型的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，開展基于滾石災(zāi)害動(dòng)力過程的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究是滾石災(zāi)害減災(zāi)的關(guān)鍵性突破點(diǎn)。

因此，科學(xué)地認(rèn)識(shí)滾石災(zāi)害的形成演化規(guī)律，發(fā)展有效的減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)，是我們面臨的一個(gè)重大課題。

1 崩塌滾石災(zāi)害的形成條件

崩塌滾石災(zāi)害的形成要具備斜坡地形地貌、地層巖性與結(jié)構(gòu)面三方面的條件，誘發(fā)因素包括地震、降雨與人類活動(dòng)等等。

(1)崩塌滾石災(zāi)害形成的地形地貌特征

崩塌滾石災(zāi)害多發(fā)生在45°以上的急陡坡和陡崖上。據(jù)大范圍的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，崩塌滾石發(fā)生的最佳地形坡度是55°～70°，70°以上的陡崖則是滾石(墜落)發(fā)生的最佳坡形。陡坡上突出的陡崖和山脊上凸出的山咀(又稱探頭崖)是崩塌和滾石發(fā)生的最佳微地貌形態(tài)。

滾石則是坡面的單塊近球狀形態(tài)的塊石沿坡面向下的滾動(dòng)現(xiàn)象。發(fā)生的地形坡度在40°以上。當(dāng)陡坡面上的孤立近球狀巖塊，在地震和長(zhǎng)期降雨作用下，巖塊的自重下滑分力大于巖塊與坡面巖土的摩擦力時(shí)，巖塊便立即滑移啟動(dòng)，導(dǎo)致滾動(dòng)。

(2)崩塌滾石災(zāi)害形成的地層巖性特征

軟巖類巖、土(黏性土)是滑坡形成的主要物質(zhì)，而較堅(jiān)硬的脆性巖是崩塌、滾石形成的主要物質(zhì)。如砂巖、石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、板巖等。這些巖體巖性較堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，易形成陡崖、山咀，但性脆，在重力和振動(dòng)作用下，陡崖邊、山咀上易發(fā)生沿節(jié)理裂隙的張裂和巖體卸荷碎裂。這為崩塌滾石災(zāi)害的發(fā)生提供了條件。

(3)崩塌滾石災(zāi)害形成的結(jié)構(gòu)面條件

控制滑坡形成邊界(滑動(dòng)面)的結(jié)構(gòu)面(優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面)一般有2～3組，滑坡啟動(dòng)滑移后在結(jié)構(gòu)面上留下擦痕；而崩塌的形成不具備這個(gè)特征，崩塌滾石災(zāi)害的形成只需兩組陡傾節(jié)理，構(gòu)成“X”型，再加上一組近水平的緩傾節(jié)理，即可使崩塌巖體與母巖脫離形成崩塌滾石災(zāi)害。

(4)地震對(duì)崩塌滾石災(zāi)害形成的作用

地震對(duì)崩塌滾石災(zāi)害形成的作用表現(xiàn)在地震上下振動(dòng)時(shí)，將可能發(fā)生崩塌的巖體振松；左右劇烈晃動(dòng)時(shí)，將可能崩塌的巖體折斷，并向臨空方向推舉、拋出。

(5)水對(duì)崩塌滾石災(zāi)害形成的作用

水對(duì)崩塌滾石災(zāi)害形成的作用主要體現(xiàn)在地表水、河水對(duì)坡腳的沖刷作用，使坡腳懸空產(chǎn)生崩塌；水滲入可能崩塌體的裂縫中，產(chǎn)生較大的水劈和冰劈作用(冬天裂縫中的水產(chǎn)生凍結(jié)，體積增大，使巖體裂縫增大加深)。

(6)人類活動(dòng)對(duì)崩塌滾石災(zāi)害形成的作用

人類工程活動(dòng)也是崩塌滾石災(zāi)害形成的主要誘發(fā)因素，如工程施工擾動(dòng)下，巖體中原有的平衡狀態(tài)被打破，引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布，促使巖體內(nèi)裂隙不斷累積和發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生宏觀斷裂，導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞失穩(wěn)，最終形成崩塌滾石災(zāi)害。

2 崩塌滾石災(zāi)害形成的力學(xué)機(jī)理

上節(jié)所述，強(qiáng)烈地震、暴雨以及人類工程開挖是誘發(fā)危巖崩塌的主要誘發(fā)因素，在外界作用擾動(dòng)下，裂隙巖體應(yīng)力發(fā)生重分布，導(dǎo)致巖體裂隙擴(kuò)展—貫通進(jìn)而引發(fā)崩塌滾石災(zāi)害的發(fā)生。何思明等[30](2012)、吳永等[31](2011)、張正波等[32](2013)從斷裂力學(xué)的角度研究了不同類型擾動(dòng)荷載下崩塌滾石災(zāi)害形成的機(jī)理。

2.1 地震誘發(fā)巖體崩塌滾石災(zāi)害的機(jī)理

拉剪復(fù)合型破壞是地震誘發(fā)巖體裂縫擴(kuò)展的主要形式，應(yīng)用斷裂力學(xué)理論可以確定危巖體裂隙失穩(wěn)的判據(jù)：

式中：ay為導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展的臨界地震加速度，下標(biāo)“y”表示“yield”；KIC為巖體應(yīng)力強(qiáng)度因子；β是地震波入射方向與裂縫的夾角；m是對(duì)應(yīng)裂縫段寬度的巖體質(zhì)量；φ為斷裂角，即裂紋擴(kuò)展方向與裂縫的夾角；ξ為幾何尺度系數(shù)。

圖7 地震荷載下不同坡向危巖體的穩(wěn)定性分析

如圖7所示，震區(qū)的巖體隨時(shí)程的變化而不斷處于拉剪和壓剪破壞之中，但總體破壞門檻較低的拉剪破壞仍是各類巖體失穩(wěn)的主因之一。不同位置邊坡在拉剪破壞中裂縫的擴(kuò)展方向不同，迎坡面的拉剪裂縫一般易向內(nèi)部擴(kuò)展，不易形成崩塌滾石，背坡面則向外擴(kuò)展有臨空面存在，很容易形成崩塌滾石災(zāi)害，這也從理論上解釋了崩塌災(zāi)害發(fā)生的方向性效應(yīng)。

2.2 降雨誘發(fā)崩塌滾石災(zāi)害的力學(xué)機(jī)理

危巖裂縫擴(kuò)張到一定深度后，降雨充填到裂隙內(nèi)可能導(dǎo)致裂縫失穩(wěn)擴(kuò)張(圖8)，采用斷裂力學(xué)理論確定了引發(fā)危巖裂隙擴(kuò)展的臨界深度計(jì)算公式：

式中：hy為降雨引發(fā)裂縫擴(kuò)展的裂縫臨界深度，下標(biāo)“y”也即“yield”；KIC為巖體應(yīng)力強(qiáng)度因子；γw為水的重度。

圖8 危巖裂隙水壓致裂的機(jī)理

然而，并非所有裂隙危巖在裂縫水壓作用下都會(huì)擴(kuò)展，只有裂縫深度達(dá)到臨界深度時(shí)，裂縫充填的降水才能提供足夠的動(dòng)力促使裂縫擴(kuò)展，并與下伏的軟弱夾層貫通，最終形成崩塌滾石災(zāi)害(圖9)。

圖9 降雨引發(fā)危巖崩塌滾石災(zāi)害的模型

2.3 開挖卸荷作用下崩塌滾石災(zāi)害形成的力學(xué)機(jī)理

圖10 開挖卸荷引發(fā)巖體擴(kuò)展的計(jì)算模型

圖11 壓-剪荷載下裂紋擴(kuò)展方向

巖體開挖卸荷作用導(dǎo)致巖體應(yīng)力重分布(圖10)，使得處于壓剪狀態(tài)的巖體內(nèi)部原生裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生卸荷損傷(圖11)。以巖體斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，考慮巖體開挖卸荷作用的三種模式：①圍壓卸荷作用；②大主應(yīng)力與圍壓同時(shí)卸荷作用；③主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)卸荷作用。采用巖體壓–剪斷裂理論研究這三種卸荷模式下巖體裂隙擴(kuò)展的條件，得出巖體裂隙開挖卸荷擴(kuò)展的機(jī)理。研究結(jié)果表明：處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖體裂隙，在開挖卸荷作用下，可能導(dǎo)致裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展，進(jìn)而引發(fā)巖體開挖卸荷損傷。開挖卸荷作用引發(fā)巖體裂隙的擴(kuò)展、融合是導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵。

3 崩塌滾石災(zāi)害防治的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于金屬耗能器的新型棚洞技術(shù)

棚洞結(jié)構(gòu)是最為有效的滾石災(zāi)害防護(hù)工程措施之一。傳統(tǒng)棚洞在棚洞頂板覆蓋一定厚度的砂礫石墊層來有效吸收滾石的沖擊能量，減輕滾石沖擊荷載對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊。然而，墊層過厚使得棚洞結(jié)構(gòu)自重大，導(dǎo)致建設(shè)成本過高，從而制約其推廣應(yīng)用。為此，提出一種基于耗能減震技術(shù)的新型滾石棚洞結(jié)構(gòu)，通過在棚洞支座處增設(shè)耗能減震器(SDR)替代砂石墊層吸收滾石的沖擊能量，改變棚洞結(jié)構(gòu)體系的剛度，以便最大限度地達(dá)到耗能減震、降低結(jié)構(gòu)自重的目的。同時(shí)，構(gòu)建非線性質(zhì)量彈簧體系模型來模擬滾石沖擊荷載下棚洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，利用能量法分析了新型耗能減震棚洞的防滾石抗沖擊機(jī)理，為新型耗能減震滾石棚洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)(圖12和圖13)。

圖12 耗能減震滾石棚洞的結(jié)構(gòu)模型

3.2 滾石防護(hù)棚洞EPS復(fù)合耗能墊層結(jié)構(gòu)技術(shù)

圖13 耗能減震滾石棚洞的質(zhì)量彈簧體系模型

棚洞墊層可起到有效耗能緩沖作用。通過在棚洞頂板上鋪設(shè)EPS+土層復(fù)合墊層結(jié)構(gòu)，從而更大程度上耗散滾石沖擊的能量。進(jìn)一步研究其耗能減震機(jī)理可引入靜力壓痕試驗(yàn)，得到接觸力與壓痕在加載與卸載時(shí)的真實(shí)關(guān)系曲線；通過對(duì)真實(shí)曲線進(jìn)行數(shù)值擬合，反演接觸力與壓痕所滿足的關(guān)系式；將關(guān)系式帶入到Olsson動(dòng)力沖擊控制方程中，通過數(shù)值軟件Matlab對(duì)微分方程進(jìn)行求解，最終得到棚洞頂板受到滾石沖擊時(shí)的EPS墊層材料厚度、密度在滾石沖擊過程中動(dòng)力響應(yīng)的理論解(圖14)。

同時(shí)，研發(fā)了土工格柵+EPS復(fù)合耗能墊層結(jié)構(gòu)(圖15)。與傳統(tǒng)墊層相比，新型墊層結(jié)構(gòu)可降低50%以上的滾石沖擊力，并通過土工格柵的墊層效應(yīng)降低施加在棚洞板上的集中荷載，從而降低棚洞板的厚度和配筋率，減小工程投資。

4 崩塌滾石災(zāi)害防治工程的實(shí)例與示范

近年來，我們?cè)诒浪鷿L石災(zāi)害研究方面取得的系列成果，引起了公路、鐵路、水電、國(guó)土等部門的廣泛興趣，并已成功應(yīng)用于汶川地震、蘆山地震的災(zāi)后重建工程中，發(fā)揮了獨(dú)特的作用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.1 柔性輕鋼棚洞滾石防護(hù)示范工程

圖14 EPS復(fù)合耗能墊層結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理

圖15 土工格柵+EPS復(fù)合緩沖墊層結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理

針對(duì)隧道進(jìn)出口、橋隧結(jié)合處等崩塌滾石災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，研發(fā)了一種新型柔性輕鋼結(jié)構(gòu)棚洞，并成功應(yīng)用于都汶(都江堰—汶川)高速公路桃關(guān)隧道出口和都汶高速公路沙坪大橋橋面滾石防護(hù)工程。相對(duì)混凝土棚洞而言，柔性鋼結(jié)構(gòu)棚洞以鋼結(jié)構(gòu)鋼架作為結(jié)構(gòu)主體，鋪設(shè)柔性防護(hù)網(wǎng)作為滾石防護(hù)層，其充分利用了柔性防護(hù)網(wǎng)“以柔克剛”的特點(diǎn)，增加了棚洞的采光度，減小運(yùn)營(yíng)時(shí)采光以及通風(fēng)的成本，具有結(jié)構(gòu)輕巧可靠、外形美觀、施工便捷、應(yīng)急能力強(qiáng)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工期間不妨礙交通正常運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過近三年的工程實(shí)踐表明，柔性輕鋼棚洞取得了良好的滾石防護(hù)效果[33](圖16)。

4.2 都汶公路徹底關(guān)大橋橋墩抗?jié)L石沖擊防護(hù)示范工程

都汶公路是進(jìn)出“5·12”汶川地震極重災(zāi)區(qū)的生命通道，橫跨岷江兩岸的徹底關(guān)大橋橋墩在“5·12”汶川地震中被左岸崩落的滾石擊中而倒塌，經(jīng)過恢復(fù)重建，新建的徹底關(guān)大橋于2009年5月12日建成通車。2009年7月25日凌晨4：40左右，岷江右岸高位危巖發(fā)生大面積崩塌，巨石再次將徹底關(guān)大橋砸毀。經(jīng)調(diào)查，岷江兩岸山體存在多處危巖，極有可能再次發(fā)生滾石砸毀大橋的災(zāi)難性事件。為防止岷江右岸的潛在崩塌體形成的滾石災(zāi)害再次對(duì)徹底關(guān)大橋造成破壞，必須對(duì)可能遭受滾石沖擊的徹底關(guān)大橋橋墩采取工程措施進(jìn)行抗沖擊被動(dòng)防護(hù)。為此，一種新型橋墩滾石防護(hù)結(jié)構(gòu)被提出，并對(duì)其在滾石沖擊下的動(dòng)力過程進(jìn)行了模擬研究，分析過程中不僅考慮混凝土內(nèi)部的橫向和縱向鋼筋，同時(shí)考慮了重力載荷下橋墩的應(yīng)力應(yīng)變分布。通過采用Winfrinth混凝土材料本構(gòu)模型，并考慮混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)及開裂破壞對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，計(jì)算結(jié)果表明：橋墩在承受滾石沖擊荷載下，橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)降低沖擊力30%，橋墩防撞能力顯著提高。據(jù)此設(shè)計(jì)的橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)已付諸實(shí)施，效果顯著。經(jīng)過了5個(gè)雨季的考驗(yàn)，徹底關(guān)大橋目前運(yùn)行良好[6]，如圖17所示。

圖16 都汶高速公路桃關(guān)隧道出口的柔性輕鋼棚洞示范工程

圖17 國(guó)道213線都汶公路徹底關(guān)大橋橋墩的滾石防護(hù)示范工程

4.3 蘆山地震災(zāi)區(qū)S210線的輕鋼結(jié)構(gòu)滾石防護(hù)示范工程

2013年4月20日8：02在我國(guó)四川省雅安市蘆山縣爆發(fā)了里氏7.0 級(jí)地震。由于地震災(zāi)區(qū)位于我國(guó)西部山區(qū)，山高谷深，地質(zhì)環(huán)境脆弱，地震災(zāi)害誘發(fā)大量次生山地災(zāi)害，以崩塌滾石災(zāi)害為主要災(zāi)害類型。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自“5·12”汶川特大地震以來，震后重建的S210線一年內(nèi)因山體崩塌滾石造成交通中斷超過了10次以上。“4·20”蘆山地震誘發(fā)的崩塌滾石災(zāi)害將進(jìn)出地震災(zāi)區(qū)的重要生命線工程S210線多處堵斷，并造成多人傷亡，嚴(yán)重威脅行車安全，制約抗震救災(zāi)和災(zāi)后恢復(fù)重建。

S210線依山傍河而建，是蘆山縣至寶興縣的唯一公路通道。公路沿線山脈縱橫，地表崎嶇，崩塌滾石災(zāi)害極其發(fā)育。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，蘆山縣思延鄉(xiāng)到寶興縣穆坪鎮(zhèn)的S210線上沿途共分布對(duì)省道直接構(gòu)成威脅的崩塌滾石災(zāi)害34處，規(guī)模多為中小型崩塌滾石災(zāi)害，主要分布于公路轉(zhuǎn)彎、斜坡陡坎等地段。

為此，研發(fā)了一種新型輕鋼結(jié)構(gòu)棚洞，該輕鋼結(jié)構(gòu)棚洞具有抗?jié)L石沖擊能力強(qiáng)、投資低，工廠加工現(xiàn)場(chǎng)組裝，施工周期短，不影響正常交通，是一種理想的應(yīng)急保通措施。通過動(dòng)力有限元數(shù)值分析，揭示其作用機(jī)理并開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前新型輕鋼結(jié)構(gòu)棚洞已在S210線實(shí)施，效果顯著，如圖18所示[8]。

4.4 映秀—臥龍公路橋墩的抗撞擊磨蝕防護(hù)工程示范

省道S303線映秀至臥龍公路是四川九環(huán)線的重要路段，是通往臥龍大熊貓自然保護(hù)區(qū)及四姑娘山的唯一道路，也是川西北小金、丹巴等縣與省會(huì)成都最便捷的通道。汶川“5·12”地震中，省道S303線映秀至臥龍段遭到嚴(yán)重破壞，大量堰塞湖、泥石流、崩滑體等次生地質(zhì)災(zāi)害掩埋、摧毀公路，映秀至耿達(dá)段幾乎被徹底毀壞。災(zāi)后重建的映臥公路橋墩又受洪水?dāng)y帶的巨石撞擊和沖擊磨蝕損傷非常嚴(yán)重，直接威脅橋梁的整體安全(圖19)。為此，研發(fā)了新型泡沫鋁多層耗能減震結(jié)構(gòu)用于橋墩的防護(hù)，確保橋墩在泥石流沖擊荷載下的安全，并對(duì)S303映臥公路銀廠溝2號(hào)橋及青崗坪漁子溪橋5根橋墩實(shí)施了泥石流沖擊防護(hù)(圖19)，效果十分顯著。

圖18 蘆山地震災(zāi)區(qū)S210線的輕鋼結(jié)構(gòu)棚洞應(yīng)急防護(hù)示范工程

圖19 S303映秀－臥龍公路銀廠溝2號(hào)橋的泥石流橋墩防護(hù)示范工程

5 結(jié)語

崩塌滾石災(zāi)害是我國(guó)山區(qū)最為常見的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，給山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也給山區(qū)人民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生極大的影響，因此，科學(xué)地認(rèn)識(shí)滾石災(zāi)害的形成演化規(guī)律，發(fā)展有效的減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)，是我們面臨的一個(gè)重大課題。近年來，我們致力于崩塌滾石災(zāi)害的形成演化機(jī)理與減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)的研究，在崩塌滾石災(zāi)害的形成條件、形成的力學(xué)機(jī)理、工程防治關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，以及防治試驗(yàn)示范建設(shè)等方面取得了顯著的進(jìn)展，為汶川地震災(zāi)后重建中崩塌滾石災(zāi)害的防治發(fā)揮了重要作用。

(2014年8月1日收稿)■

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Formation mechanism and key prevention technology of rockfalls

HE Si-ming①, WANG Dong-po②, WU Yong③, OUYANG Chao-jun④
①Professor, Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process, Chinese Academy of Sciences, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041,China; CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Beijing 100101, China; ②Ph. D., State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; ③Assistant Researcher, ④Associate Professor, Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process, Chinese Academy of Sciences, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China

Rockfalls featured by burstiness and uncertainty are one of the most prevailing natural hazards in the mountainous regions of China. Research of the rockfalls disaster is relatively backward in China at present, and the key technology is insufficient in the field. In this paper, the formation dynamic evolution mechanisms of rockfalls were revealed based on the geological mechanical model, and the dynamic responses of rockfalls impact protective structure were studied. Furthermore, series energy consumption structures and materials were developed. These achievements were applied widely in various fields. Combining the demonstration projects, the technical system of rockfall preventions was established.

collapse rockfall, disaster, formation, prevention technology, experiment and demonstration

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.004