程培峰，閆姝音，曹立智

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，哈爾濱 150040)

落石是山區(qū)三大地質(zhì)災(zāi)害之一[1-3]，主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造作用，還有風(fēng)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(zāi)害。目前人們?yōu)榱藴p少或降低落石對(duì)公路交通造成的危害，主要是設(shè)置防護(hù)設(shè)施，攔截沿山坡滾落下來(lái)的石塊，由于對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)特征掌握不足，致使有的設(shè)施結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過(guò)高，或有的設(shè)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(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)的路徑以及速度的大小是進(jìn)行落石防護(hù)設(shè)施合理設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急[4]。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地及方案

試驗(yàn)斜坡為折線形，斜坡為陡坡、緩坡相結(jié)合組成，圖1、圖2為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)斜坡的縱斷面形式和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)為30 m。在斜坡橫斷面方向上，自C點(diǎn)向下每隔2 m固定一定長(zhǎng)度的紅布條，有利于清晰記錄落石彈跳碰撞后的落點(diǎn)位置。

試驗(yàn)選取40 kg和80 kg兩種重量的石塊，選擇兩個(gè)下落點(diǎn)，斜坡頂部A點(diǎn)和斜坡中部E點(diǎn)，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(jiān)硬巖塊進(jìn)行試驗(yàn)，共計(jì)32塊。

圖1 試驗(yàn)斜坡的縱斷面圖(距離單位：m)

圖2 落石試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)斜坡圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

人工搬運(yùn)巖塊下落時(shí)，A點(diǎn)、E點(diǎn)(見圖1)為標(biāo)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(diǎn)，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(guò)程中，利用攝影記錄石塊的運(yùn)動(dòng)方式、下落時(shí)間、軌跡轉(zhuǎn)換點(diǎn)、碰撞點(diǎn),對(duì)每塊落石做好記錄，直至全部完成。

2.1 落石的下落過(guò)程

巖塊在A點(diǎn)下落時(shí)，以起始速度0做自由落體運(yùn)動(dòng)，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(dòng)方式向下運(yùn)動(dòng)。B-C段到C-D段為緩坡到陡坡，斜坡坡度變陡，有堅(jiān)硬基巖外露，落石碰撞后以跳躍模式向下運(yùn)動(dòng)，彈跳距離隨著速度不斷增大而增加。在石塊與坡面碰撞過(guò)程中，落石反射方向各有不同，產(chǎn)生的碰撞點(diǎn)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(diǎn)在B-C段中部，落石以初速度0下落，巖塊運(yùn)動(dòng)初期以滾滑的形式向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度不斷增加。到達(dá)C-D段，斜坡坡度變陡，基巖外露，與斜坡碰撞，但下落到C點(diǎn)時(shí)的速度小，落石碰撞后彈跳距離短，并伴有快速的滾動(dòng)，因而在CD段落石以碰撞彈跳與滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式下落，碰撞次數(shù)以3、4次為主。

2.2 落石運(yùn)動(dòng)速度的分析

在A點(diǎn)、E點(diǎn)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(guò)程中經(jīng)歷了自由落體、滾動(dòng)、碰撞彈跳到達(dá)D點(diǎn)。由于坡度陡、坡面凹凸明顯，沒有明顯的滑動(dòng)段，根據(jù)記錄的碰撞點(diǎn)、碰撞次數(shù)和下落的時(shí)間，表1、表2為下落時(shí)間、速度的范圍、平均值的統(tǒng)計(jì)。

表1 A點(diǎn)下落各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表2 E點(diǎn)下落各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

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

3 Rockfall模擬落石下落

Rockfall是評(píng)估斜坡上落石風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)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(diǎn)位置，可以改變斜坡段的材料性能重新分析計(jì)算進(jìn)行結(jié)果比較，考慮了邊坡的尺寸、邊坡的法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)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(yùn)動(dòng)速度、彈跳高度、運(yùn)動(dòng)軌跡以及它們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，落石的能量、跳躍位置能夠幫助確定防護(hù)措施設(shè)置的能級(jí)和高度[5]。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)落石試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，首先根據(jù)試驗(yàn)邊坡確定邊坡的輪廓線，試驗(yàn)邊坡凸凹變化比較大，可以看作小幅度的坡度變化，但其長(zhǎng)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(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)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(gè)質(zhì)量為40 kg的落石在A點(diǎn)下落，如圖3所示為落石下落的軌跡，落石到達(dá)坡腳D點(diǎn)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(diǎn)下落的40 kg的落石運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同，從90°的巖壁下落時(shí)以墜落的方式下落，到達(dá)B點(diǎn)后與坡面碰撞，小幅度跳躍后以滾動(dòng)的方式繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)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(jī)性。

利用Rockfall數(shù)值模擬落石運(yùn)動(dòng)時(shí)，落石在不同坡段的運(yùn)動(dòng)方式與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同，特點(diǎn)相似，落石試驗(yàn)得出的速度范圍與數(shù)值模擬得出的結(jié)果相近，因而利用Rockfall模擬落石下落能夠反映落石的真實(shí)下落情況?，F(xiàn)場(chǎng)落石試驗(yàn)時(shí)，由于條件限制，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù)有限，而Rockfall可以進(jìn)行多次模擬，使結(jié)果更全面和準(zhǔn)確，能夠充分考慮落石下落過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種情況[6-11]。

圖4 落石到達(dá)D點(diǎn)時(shí)速度分布圖

4 結(jié) 論

(1)落石下落過(guò)程中，落石的下落方式為自由落體、滑動(dòng)、滾動(dòng)、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(yùn)動(dòng)。

(2)落石下落過(guò)程具有隨機(jī)性，相同高度、質(zhì)量和相同高度、不同質(zhì)量的落石運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同，速度值的大小也各不相等。因此，在進(jìn)行落石防護(hù)時(shí)，根據(jù)落石的速度設(shè)置防護(hù)能級(jí)時(shí)，要具有一定的安全系數(shù)，有效防止落石災(zāi)害的發(fā)生。

(3)利用Rockfall模擬數(shù)值能夠反映現(xiàn)場(chǎng)落石的真實(shí)情況，在不同坡段上的運(yùn)動(dòng)方式相同，特點(diǎn)相似，得出的速度范圍結(jié)果相近，因而，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，為研究落石特征的研究提供更加可靠的依據(jù)。

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