李 林

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

落石運動研究現(xiàn)狀的分析

李 林

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

落石是指在重力或者外力的條件下，經(jīng)過一系列復雜的運動，最后在某處停下來的過程。主要介紹了目前國內(nèi)外落石運動的研究，包括恢復系數(shù)和運動軌跡。并在此基礎(chǔ)上，介紹落石災害的防護措施和方法。

落石；落石災害；防護

引言

落石是指在重力或者外力的條件下，經(jīng)過一系列復雜的運動，最后在某處停下來的過程[1]。落石運動比較復雜，具有很強的隨機性，同時是一種三維運動。

在過去的很長的一段時間，落石災害沒有受到大家充分的重視，然而隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及國家對西部經(jīng)濟的逐漸重視，國家不斷投入大量資金進行基礎(chǔ)建設(shè)，包括大量的公路和鐵路工程建設(shè)。然而西部山區(qū)較多，例如像重慶、云南、貴州等地區(qū)，施工條件惡劣，無論是施工期間還是運營階段，地質(zhì)災害事故包括落石災害和其他災害總是不斷發(fā)生，給人民和國家都帶來了巨大損失。

2002年5月，四川綿竹發(fā)生一起嚴重的落石事件。一塊落石砸中一車輛導致總共18人死亡，14人受傷[2]。

在2015年3月19日，桂林發(fā)生一起嚴重的落石事件，總共導致7人死亡，25人不同程度受傷。諸如此類的落石災害案例在我國能經(jīng)?？吹?，網(wǎng)絡(luò)上這類報道也是很多。盡管如此，隨著我國不斷加強基礎(chǔ)建設(shè)，我們?nèi)匀粫媾R更多的落石災害的挑戰(zhàn)。因此相關(guān)落石運動的科研活動逐漸增多，對落石的研究也是從單個方面逐漸擴展到落石的方方面面，從落石的來源到落石災害的防治與方法等[1]。

落石運動具有突發(fā)性、隨機性的特點，和平時大家認為的滑坡、泥石流等地質(zhì)災害有著明顯的區(qū)別，落石在失穩(wěn)后經(jīng)過大量復雜的運動，靜止在坡腳。與滑坡相比，落石運動的運動速度更快速猛烈，沒有固定的方向和沿面，是隨機的三維運動，且原來的整體性被完全破壞[3]。

一、研究方法

對落石的研究就目前而言有三種方法，且都各自有自己的優(yōu)缺點。①現(xiàn)場試驗，其最大的優(yōu)點是實驗結(jié)果可信度高，但準備周期長，而且費用昂貴，并且受現(xiàn)場環(huán)境影響大；②模型試驗，模型試驗費用低廉，且不受現(xiàn)場環(huán)境的限制，針對性強結(jié)果直觀，但是試驗周期也較長；③數(shù)值模擬，其優(yōu)點是簡單方便，易于科研人員掌握且費用低廉，結(jié)果也更加直觀有效，因此現(xiàn)如今數(shù)值模擬更受科研人員的歡迎。

目前科研人員對落石運動的研究主要在以下兩個方面：①落石運動軌跡方程的推導計算，②落石災害的防護措施和方法。其中，落石的運動軌跡是研究的重中之重，決定著防護措施位置的選擇以及高度的選擇。

二、落石運動軌跡的研究

(一)恢復系數(shù)

落石運動包含著有下落、回彈、跳躍、滾動等幾個階段，對于回彈階段而言，落石反彈的恢復系數(shù)研究甚多，國內(nèi)外專家學者都對其有所研究。

國外專家VincentLabiouse[12]發(fā)現(xiàn)，在落石運動軌跡建模中，當落石影響坡面時，跳躍現(xiàn)象是最難預測的，因為其復雜性和現(xiàn)如今非常有限的理解。而且到目前為止，在粗糙地面進行反彈是獲取恢復系數(shù)的最好方法。為了更好的獲得關(guān)于彈跳現(xiàn)象的相關(guān)知識，探討各種相關(guān)系數(shù)的敏感因素，為此特地做了試驗，同時介紹了試驗測試設(shè)備和數(shù)據(jù)處理，并對各種因子做出分析。最后得出結(jié)論，反彈的恢復系數(shù)不僅僅取決于斜坡材料的特性，還與運動學(坡度和沖擊速度)和塊石(重量，大小，形狀)有關(guān)。同時指出，很多將恢復系數(shù)看做常數(shù)的模型，其運動軌跡是需要討論的，需要試驗現(xiàn)場進行更多的觀察和檢查。

與此同時，F(xiàn)ranckBourrier[13]對落石運動中的彈跳做了一定的研究。恢復系數(shù)很大程度上影響著運動軌跡，在相關(guān)研究中是非常重要的。他認為恢復系數(shù)的取值很多時候都是主觀的，這是不科學的，正確的做法是現(xiàn)場進行校準。為了更好的研究反彈和恢復系數(shù)，建立了一個落石的三維仿真模型。并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗進行了比較，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果令人滿意。因此建議，在恢復系數(shù)進行取值時，不妨嘗試精確建模，這樣得到的結(jié)果更為客觀，對比主觀的取值，顯然更具有說服力。

國內(nèi)學者也就恢復系數(shù)做了相關(guān)研究，試驗表明，法向恢復系數(shù)與坡面材質(zhì)和坡度相關(guān)，坡面越硬，法向恢復系數(shù)越大；坡度越大，法向恢復系數(shù)也越大[10]。除此之外，他們通過落石下落高度的不同，來表明落石與地面接觸時的不同速度。最后發(fā)現(xiàn)，法向恢復系數(shù)與沖擊速度關(guān)系不大。同時得到了塊石本身物理性質(zhì)(形狀、大小等)也和法向恢復系數(shù)沒關(guān)系。通過一系列的試驗發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存法向恢復系數(shù)取值偏大，是保守的，并給出了自己總結(jié)的取值，當然主要是范圍取值。

可以看出，對于落石恢復系數(shù)的取值和及其影響因子，中外學者得出的結(jié)論是不一致的，這值得我們的進一步關(guān)注該問題。也說明落石災害的問題還需進一步研究。

(二)落石運動軌跡

在落石研究中，落石運動軌跡的研究占著重要的一部分。但因為落石運動復雜，邊界條件和初始條件也復雜，而且其影響因素多類，所以得出的軌跡方程多種多樣。

國內(nèi)學者胡厚天通過研究羅依尼什維里教授的研究成果，并在其基礎(chǔ)上，推導出落石崩落距離的計算公式。同時找到了計算運動軌跡和彈跳高度的計算方法[5]。

唐紅梅和易朋瑩從危巖的發(fā)育機理入手，將落石的運動分為初始位移階段、碰撞階段、滑動階段、滾動階段四個階段。分別研究這四個階段，并推導出相應階段的軌跡方程[6]。在得到相關(guān)理論知識后，將其應用于計算實例，得出了可靠結(jié)論。

俸錦福，張俊紅等人將落石運動全過程分為三個階段。分別是滾動運動階段、拋物運動階段和坡面碰撞階段。并采用了分段循環(huán)算法分別得到了三個運動階段的運動速度計算公式[7]。同時將該方法運用于實際算例某巖質(zhì)邊坡，預測該邊坡的落石運動軌跡，最終結(jié)果證明，該理論公式是合理的。最后還總結(jié)出來分段循環(huán)算法的三大優(yōu)點：①計算原理簡單，②考慮了運動軌跡的連續(xù)性，③便于科研人員使用。

楊海清，周小平將落石近似看成橢圓形，根據(jù)落石的五種形式，即自由落體運動、斜拋運動、碰撞、滑動和滾動，推導出每種運動形式的運動過程。因為想到落石與地面接觸時會發(fā)生彈塑性變形，還推導出計算恢復系數(shù)的方法[4]。

為尋找落石運動與哪些要素相關(guān)，尋求落石運動特征、規(guī)律和相關(guān)參數(shù)，科研人員做了大量的相關(guān)試驗。黃潤秋按照正交設(shè)計現(xiàn)場滾石試驗[8]。并由最后的試驗結(jié)果得到了重要結(jié)論：斜坡坡度是落石運動的最關(guān)鍵因素。

除此之外，葉四橋等人對落石的運動模式進行現(xiàn)場試驗。發(fā)現(xiàn)不管是什么形狀，落石在經(jīng)過大量復雜運動后，并沒有大家所認為的滑動階段[9]。從這一點來看，認為許多引入了滑動模式的計算模型是有待討論的。

三、落石災害的防護措施和方法

落石災害是我國山地地區(qū)頻繁發(fā)生的眾多地質(zhì)災害之一，不僅給人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大威脅，還給國家?guī)砹藝乐氐膿p失，即使是小規(guī)模的落石，也會造成嚴重后果。因此很有必要，或者說是必須對其進行防治，以免出現(xiàn)造成更大的威脅。就目前而言，防治落石災害的方法主要分為主動防護和被動防護措施兩種，這兩種是分別從不同角度出發(fā)的。主動技術(shù)從崩塌源角度出發(fā)進行防護，簡單說就是避免落石的崩塌，例如錨固。而被動防護措施則是在發(fā)生落石后，怎么將落石攔截，以免造成更大的傷害，例如攔石墻[11]。

主動防護措施雖然可以從根源上避免落石災害的發(fā)生，但即使被廣泛采用的治理措施，比如說噴錨掛網(wǎng)、裂縫灌漿等，施工也較難，造價高，同時在人口密集情況受條件限制較大。然而像明洞、棚洞這些被動防護技術(shù)施工較為復雜，受現(xiàn)場施工環(huán)境限制大，因此攔擋結(jié)構(gòu)如攔石墻更適用。剛性擋墻在我國很長一段時間都被采用，然而此項技術(shù)容易導致材料浪費，更甚者可能導致防護設(shè)施失效。目前我國普遍采用的是SNS柔性防護網(wǎng)，與傳統(tǒng)典型的圬工建筑物相比，具有以下優(yōu)點：①柔性大強度高，②對現(xiàn)場環(huán)境有著較高的適應能力不受其限制，③系統(tǒng)設(shè)計原理可靠易標準化，④作業(yè)施工簡單快速強度小且不干擾正常運營，⑤維護工作量小簡單，⑥系統(tǒng)壽命較長可達50年。

(References)

[1]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(03)：225-231.

[2]陳曙光，蔡青，謝先國.巨石砸中客車，十八死十四傷.北京青年報，2002.

[3]梁璋彬.崩塌落石的運動特征研究[D].成都理工大學，2008.

[4]楊海清，周小平.邊坡落石運動軌跡計算新方法[J].巖土力學，2010，30(11)：3411-3416.

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

[6]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)：17-23.

[7]俸錦福，張俊紅，朱彬，等.邊坡滾石運動軌跡分段循環(huán)算法[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2012，22(4)：96-101.

[8]黃潤秋，劉衛(wèi)華.基于正交設(shè)計的滾石運動特征現(xiàn)場試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(05)：882-891.

[9]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)：18-23.

[10]葉四橋，鞏尚卿.落石碰撞法向恢復系數(shù)的模型試驗研究[J].中國鐵道科學，2015，36(04)：13-19.

[11]葉四橋.隧道洞口段落石災害研究與防治[D].西南交通大學，2008.

[12]Labiouse V,Heidenreich B.Half-scale experimental study of rockfall impacts on sandy slopes[J].Natural Hazards & Earth System Sciences & Discussions,2009,9(6):1981-1993.

[13]Bourrier F,Dorren L,Nicot F,et al.Toward objective rockfall trajectory simulation using a stochastic impact model[J].Geomorphology,2009,110(s 3-4):68-79.