落石運動研究現狀的分析

李 林

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

落石運動研究現狀的分析

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外落石運動的研究，包括恢復系數和運動軌跡。并在此基礎上，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，然而隨著我國經濟的快速發展以及國家對西部經濟的逐漸重視，國家不斷投入大量資金進行基礎建設，包括大量的公路和鐵路工程建設。然而西部山區較多，例如像重慶、云南、貴州等地區，施工條件惡劣，無論是施工期間還是運營階段，地質災害事故包括落石災害和其他災害總是不斷發生，給人民和國家都帶來了巨大損失。

2002年5月，四川綿竹發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常看到，網絡上這類報道也是很多。盡管如此，隨著我國不斷加強基礎建設，我們仍然會面臨更多的落石災害的挑戰。因此相關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]。

落石運動具有突發性、隨機性的特點，和平時大家認為的滑坡、泥石流等地質災害有著明顯的區別，落石在失穩后經過大量復雜的運動，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缺點。①現場試驗，其最大的優點是實驗結果可信度高，但準備周期長，而且費用昂貴，并且受現場環境影響大；②模型試驗，模型試驗費用低廉，且不受現場環境的限制，針對性強結果直觀，但是試驗周期也較長；③數值模擬，其優點是簡單方便，易于科研人員掌握且費用低廉，結果也更加直觀有效，因此現如今數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

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研究甚多，國內外專家學者都對其有所研究。

國外專家VincentLabiouse[12]發現，在落石運動軌跡建模中，當落石影響坡面時，跳躍現象是最難預測的，因為其復雜性和現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的最好方法。為了更好的獲得關于彈跳現象的相關知識，探討各種相關系數的敏感因素，為此特地做了試驗，同時介紹了試驗測試設備和數據處理，并對各種因子做出分析。最后得出結論，反彈的恢復系數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。同時指出，很多將恢復系數看做常數的模型，其運動軌跡是需要討論的，需要試驗現場進行更多的觀察和檢查。

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

國內學者也就恢復系數做了相關研究，試驗表明，法向恢復系數與坡面材質和坡度相關，坡面越硬，法向恢復系數越大；坡度越大，法向恢復系數也越大[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。最后發現，法向恢復系數與沖擊速度關系不大。同時得到了塊石本身物理性質(形狀、大小等)也和法向恢復系數沒關系。通過一系列的試驗發現，現存法向恢復系數取值偏大，是保守的，并給出了自己總結的取值，當然主要是范圍取值。

可以看出，對于落石恢復系數的取值和及其影響因子，中外學者得出的結論是不一致的，這值得我們的進一步關注該問題。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]。在得到相關理論知識后，將其應用于計算實例，得出了可靠結論。

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邊坡，預測該邊坡的落石運動軌跡，最終結果證明，該理論公式是合理的。最后還總結出來分段循環算法的三大優點：①計算原理簡單，②考慮了運動軌跡的連續性，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生彈塑性變形，還推導出計算恢復系數的方法[4]。

為尋找落石運動與哪些要素相關，尋求落石運動特征、規律和相關參數，科研人員做了大量的相關試驗。黃潤秋按照正交設計現場滾石試驗[8]。并由最后的試驗結果得到了重要結論：斜坡坡度是落石運動的最關鍵因素。

除此之外，葉四橋等人對落石的運動模式進行現場試驗。發現不管是什么形狀，落石在經過大量復雜運動后，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頻繁發生的眾多地質災害之一，不僅給人民的生命財產帶來了巨大威脅，還給國家帶來了嚴重的損失，即使是小規模的落石，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的。主動技術從崩塌源角度出發進行防護，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生，但即使被廣泛采用的治理措施，比如說噴錨掛網、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施工較為復雜，受現場施工環境限制大，因此攔擋結構如攔石墻更適用。剛性擋墻在我國很長一段時間都被采用，然而此項技術容易導致材料浪費，更甚者可能導致防護設施失效。目前我國普遍采用的是SNS柔性防護網，與傳統典型的圬工建筑物相比，具有以下優點：①柔性大強度高，②對現場環境有著較高的適應能力不受其限制，③系統設計原理可靠易標準化，④作業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算法[J].中國地質災害與防治學報，2012，22(4)：96-101.

[8]黃潤秋，劉衛華.基于正交設計的滾石運動特征現場試驗研究[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場試驗研究[J].土木建筑與環境工程，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.