蔡向陽(yáng)， 鐵永波

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京　100083； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)研究院，北京　100037；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都　610081)

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崩塌落石運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型綜述

蔡向陽(yáng)1,2,3， 鐵永波3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京100083； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)研究院，北京100037；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)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(zhì)條件與地理環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性使得對(duì)其進(jìn)行較為全面的研究治理頗為困難。雖然近年來(lái)對(duì)崩塌落石的研究有了較多的成果，但目前對(duì)其運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型還存在問(wèn)題，在很大程度上制約了防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)的進(jìn)展。為了深入探討崩塌落石的運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型，本文回顧了國(guó)內(nèi)學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域的研究，系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有計(jì)算模型的研究現(xiàn)狀，且對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了討論和總結(jié)。

崩塌落石；運(yùn)動(dòng)特征；計(jì)算模型；研究現(xiàn)狀

1　引言

崩塌落石是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，是山區(qū)三大地質(zhì)災(zāi)害(崩塌、滑坡、泥石流)之一[1]。邊坡落石經(jīng)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(jī)性強(qiáng)，所以常對(duì)災(zāi)害區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物帶來(lái)危害，甚至危及災(zāi)害區(qū)內(nèi)人們的生命與財(cái)產(chǎn)。而我國(guó)的崩塌落石災(zāi)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(zāi)害類型多、規(guī)模大、發(fā)生頻繁、分布廣泛、危害嚴(yán)重[2]。特別是汶川地震誘發(fā)了大規(guī)模的崩塌滾石災(zāi)害，如2009年7月25日都汶公路徹底關(guān)大橋橋墩被滾石砸斷[3]，致6人死亡并導(dǎo)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(zāi)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(duì)崩塌落石的形成機(jī)制、運(yùn)動(dòng)特性、碰撞時(shí)的沖擊力并進(jìn)行有效地判斷，進(jìn)而采取合理有效的工程防護(hù)措施，是山區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題之一。本文主要介紹崩塌落石的運(yùn)動(dòng)特性研究。

2　崩塌落石的分類與成因機(jī)制研究

胡厚田[1]收集并分析了我國(guó)鐵路沿線的崩塌落石，總結(jié)了崩塌落石的形成條件和產(chǎn)生機(jī)理。孫云志等[5]研究奉節(jié)李子埡危巖體的形成機(jī)制和穩(wěn)定性，分析了危巖底部大規(guī)模采空區(qū)對(duì)危巖的影響。劉凱棟[6]在研究貴州崩塌災(zāi)害及其影響因素時(shí)總結(jié)了該地區(qū)落石災(zāi)害的分布特征，提出了相應(yīng)的防治措施。陳洪凱等[7]認(rèn)為危巖落石形成包括內(nèi)因和外因兩方面，其中內(nèi)因有軟硬相間的地層組合、陡峻的地形及強(qiáng)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(rèn)為，滑坡、崩塌、坍塌、溜滑、剝落，差異風(fēng)化、凍融循環(huán)、根劈作用、降水、地震、氣溫變化、人類活動(dòng)等因素都能夠直接或間接地導(dǎo)致塊石在重力作用下沿斜坡運(yùn)動(dòng)。曠鎮(zhèn)國(guó)[9]將崩塌分為古崩塌和現(xiàn)代崩塌，認(rèn)為現(xiàn)代崩塌與落石的發(fā)生關(guān)系密切。陳洪凱等[7,10]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)危巖形成的內(nèi)外因素進(jìn)行分析，總結(jié)了危巖發(fā)育鏈?zhǔn)綑C(jī)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(jù)潛在崩塌體的形成機(jī)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(cuò)斷式崩塌。孫云志等[11]通過(guò)對(duì)奉節(jié)李子埡危巖體的研究，從邊坡結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面、臨空卸荷、水的作用和爆破振動(dòng)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(kù)區(qū)危巖發(fā)育鏈?zhǔn)綑C(jī)理[12]，其后進(jìn)一步研究，將危巖發(fā)育過(guò)程分為5個(gè)階段，并提出了三峽庫(kù)區(qū)危巖鏈?zhǔn)窖莼?guī)律[13]。黃潤(rùn)秋等[14]從控制條件和失穩(wěn)機(jī)理角度，將危巖體分為7個(gè)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(jī)理出發(fā)，將三峽庫(kù)區(qū)緩傾層狀高邊坡破壞模式概化為4種：風(fēng)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(duì)三峽庫(kù)區(qū) 114 個(gè)高陡危巖及崩滑體調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)3種主要的破壞模式(滑動(dòng)、傾倒、彎曲)都對(duì)應(yīng)一定的巖體結(jié)構(gòu)；巖體結(jié)構(gòu)變化時(shí)，失穩(wěn)模式發(fā)生變化或者復(fù)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(cuò)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(kāi)裂-崩塌、傾斜-滑移-隱裂縫開(kāi)裂-崩塌。陳明東等[18]根據(jù)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(rèn)為：所謂落石是指陡峻斜坡上的個(gè)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(shè)計(jì)院[19,20]在《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》中將崩塌分為：崩塌、墜石、剝落，并從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)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(zhì)現(xiàn)象一樣，是在重力作用下內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。內(nèi)部因素主要包括：巖土體結(jié)構(gòu)、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)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(dòng)以及人類工程活動(dòng)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(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象有著明顯的不同，是另一種類型的地質(zhì)災(zāi)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(jìn)而給崩塌落石的計(jì)算帶來(lái)了諸多麻煩。通過(guò)表1來(lái)說(shuō)明崩塌落石形成的影響因素。

2.3發(fā)育過(guò)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(shí)上崩塌落石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是很快的，但它有著長(zhǎng)期的地質(zhì)發(fā)展過(guò)程。胡厚田[1]認(rèn)為崩塌落石的發(fā)育過(guò)程可以劃分為3個(gè)階段：潛在崩塌體的形成階段、潛在崩塌體的蠕動(dòng)位移階段、突然崩落階段。而陳洪凱等[7]針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)危巖的研究提出了危巖發(fā)育鏈?zhǔn)綑C(jī)理，將危巖發(fā)育過(guò)程分為初始階段、河谷下切階段、差異風(fēng)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(gè)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(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法，所得到的崩塌落石演化過(guò)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(yùn)動(dòng)過(guò)程與力學(xué)機(jī)制

3.1崩塌落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響因素

落石運(yùn)動(dòng)軌跡的研究是落石運(yùn)動(dòng)特性的主要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用了物理力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算等手段對(duì)崩塌落石的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了一定的探究。影響危巖落石運(yùn)動(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)，分析了落石運(yùn)動(dòng)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(zhì)力學(xué)模擬方法，結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)猴子嶺崩塌落石的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究。陳宇龍[23]通過(guò)理論比對(duì)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(zhuǎn)的角速度和滾落狀態(tài)對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。黃潤(rùn)秋等[24]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和正交試驗(yàn)理論，對(duì)滾石質(zhì)量、滾石形狀和坡面狀況(坡度及坡度相關(guān)的坡表覆蓋層)進(jìn)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(xué)性質(zhì))、滾石特性(幾何性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì))和滾石與邊坡的相互作用3方面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)分析。黃潤(rùn)秋等[26]在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了極差、方差和回歸分析等方法，分析了滾石啟動(dòng)方式、斜坡覆蓋層和植被特征、斜坡坡度、坡面長(zhǎng)度、滾石形狀和滾石質(zhì)量等6個(gè)可能影響滾石運(yùn)動(dòng)特征的因素。

3.2崩塌落石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

陳洪凱等[7,10]將落石的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)歸納為錯(cuò)落式、墜落式和傾倒式，并推導(dǎo)了不同的啟動(dòng)方式下落石的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。唐紅梅等[27]等將危巖的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為初始運(yùn)動(dòng)過(guò)程、碰撞過(guò)程、滑動(dòng)過(guò)程和滾動(dòng)過(guò)程，并給出了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。趙旭等[28]基于運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，給出了不同坡面條件下落石速度、動(dòng)能和彈跳高度的計(jì)算公式。楊海清等[29]基于接觸力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，將落石假設(shè)為橢圓形，從而把落石運(yùn)動(dòng)分為5種模式：自由落體運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)、碰撞、滑動(dòng)和滾動(dòng)，分別得到了各種運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式。呂慶等[30]根據(jù)控制滾石運(yùn)動(dòng)的主要影響因素,從工程的角度將崩塌落石的運(yùn)動(dòng)分為滑動(dòng)、自由飛落、碰撞彈跳、滾動(dòng)4個(gè)階段，并建立了一套計(jì)算邊坡滾石運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算公式。程強(qiáng)等[31]在野外工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析滾石的運(yùn)動(dòng)特征和危害參數(shù)范圍，認(rèn)為落石坡面運(yùn)動(dòng)可分為啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和堆積3個(gè)階段。崔圣華等[32]通過(guò)正交試驗(yàn)，選擇不同的坡表覆蓋層，對(duì)不同形狀、質(zhì)量的滾石為變量，研究了斜坡滾石滾動(dòng)狀態(tài)下速度特征。葉四橋等[33]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不管何種形狀落石，運(yùn)動(dòng)模式均為滾動(dòng)和彈跳，無(wú)明顯滑動(dòng)段。由于地質(zhì)背景和地形地貌的不同，落石的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程是幾種運(yùn)動(dòng)模式的組合與疊加，也可能僅是一種運(yùn)動(dòng)形式。因此確定落石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的恢復(fù)系數(shù)就變得異常重要。

3.3崩塌落石運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)

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

4　崩塌落石的力學(xué)計(jì)算模型

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

表2　國(guó)內(nèi)落石沖擊力計(jì)算方法比較

5　結(jié)論

由于落石的研究不過(guò)半個(gè)世紀(jì)而已，無(wú)論是從研究方法還是歷史數(shù)據(jù)積累而言都不是很完善。落石的運(yùn)動(dòng)和沖擊屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究問(wèn)題，但國(guó)內(nèi)對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑和沖擊力的計(jì)算多采用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，不能較好的符合實(shí)際情況。目前對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)軌跡研究較多，但大都只是針對(duì)單一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，而其在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通常是幾種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的組合與疊加。從目前的研究來(lái)看大都沒(méi)有考慮到落石在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生相互碰撞這一情況，勢(shì)必會(huì)給落石的運(yùn)動(dòng)軌跡研究帶來(lái)困難。從崩塌落石的形成機(jī)理和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性可以看出，應(yīng)當(dāng)進(jìn)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(jī)制；對(duì)已經(jīng)發(fā)生的落石事件的反演和沖擊效應(yīng)的研究。因此要對(duì)其進(jìn)行深入研究尚需多學(xué)科理論和方法的融合與應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)為落石防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的依據(jù)。

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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(guó)地質(zhì)調(diào)查局公益性地調(diào)項(xiàng)目“烏蒙山區(qū)北部城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”(DD20160275);科技部基礎(chǔ)工作專項(xiàng)(2011FY110100-5)

P642.21;TU458

A

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