邊坡滾石災(zāi)害作用機(jī)理與治理方法研究讀書報(bào)告.doc

邊坡滾石災(zāi)害作用機(jī)理與治理方法研究讀書報(bào)告邊坡滾石是一種常見的工程地質(zhì)災(zāi)害，所謂滾石，是指這樣一個(gè)過程：巖塊(包括礫石)從坡體(或陡崖)表面分離出來后在空中移動(dòng)，經(jīng)過一定運(yùn)動(dòng)方式(比如自由落體、彈跳、沿坡面的滾動(dòng)和滑動(dòng))向下快速運(yùn)動(dòng)，最后在坡腳附近停下來。當(dāng)在滾石運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)有人類活動(dòng)或人類構(gòu)筑的設(shè)施時(shí)，就可構(gòu)成滾石災(zāi)害。一次滾石事件可能僅涉及到一個(gè)塊體，也可能涉及到多個(gè)塊體。在山區(qū)修建的運(yùn)輸通道往往會(huì)面臨嚴(yán)重的滾石災(zāi)害。在實(shí)行組合臺(tái)階和陡幫開采的礦區(qū)中，受降雨、巖體結(jié)構(gòu)、爆破震動(dòng)等因素的影響 ,邊坡面上的危石、浮石渣塊大量存在 ,經(jīng)常向下滾落 ,對(duì)采掘作業(yè)的人員和設(shè)備構(gòu)成很大威脅。一、 邊坡滾石的危害及研究治理的重要性中國是個(gè)多山的國家, 特別在西南地區(qū)，分布各種山地地貌，這些山區(qū)也是中國主要的地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，滑坡、崩塌、泥石流三大地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)引起人們高度重視。隨著露天礦的開采，山區(qū)公路及運(yùn)輸通道的修建等相關(guān)項(xiàng)目的開展 , 不斷發(fā)生在山區(qū)的滾石災(zāi)害正逐漸引起人們的重視。當(dāng)在滾石運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)有人類活動(dòng)或人類構(gòu)筑的設(shè)施時(shí)，就可構(gòu)成滾石災(zāi)害。一次滾石事件可能僅涉及到一個(gè)塊體，也可能涉及到多個(gè)塊體。在山區(qū)修建的運(yùn)輸通道往往會(huì)面臨嚴(yán)重的滾石災(zāi)害。在實(shí)行組合臺(tái)階和陡幫開采的礦區(qū)中，受降雨、巖體結(jié)構(gòu)、爆破震動(dòng)等因素的影響 ,邊坡面上的危石、浮石渣塊大量存在 ,經(jīng)常向下滾落 ,對(duì)采掘作業(yè)的人員和設(shè)備構(gòu)成很大威脅，大規(guī)模的滾石災(zāi)害甚至?xí)斐傻V區(qū)運(yùn)輸通道的阻塞。滾石災(zāi)害有多種表現(xiàn)方式：(1)滾石以直接沖擊的方式損壞運(yùn)輸線路并且對(duì)附近活動(dòng)的人員、車輛、生活設(shè)施及建筑物的安全構(gòu)成威脅;(2)滾石以在路面上停留或堆積的方式影響來往車輛的安全運(yùn)行或阻礙交通;(3)山區(qū)城市的滾石活動(dòng)將威脅到人們的生產(chǎn)、生活及相應(yīng)的設(shè)施;(4)露天礦山、水電站建設(shè)、采石場等的開挖活動(dòng)可形成人工高邊坡，而這些邊坡上自然發(fā)生或人為擾動(dòng)而滾落的塊石將嚴(yán)重影響施工人員和有關(guān)設(shè)施的安全;(5)人工爆破引起的飛石可使周圍的人類活動(dòng)或設(shè)施受到危害;(7)在山區(qū)地表附近布置的重要管線、 油罐、 有害物質(zhì)隔離層等有可能受到滾石沖擊的影響。滾石運(yùn)動(dòng)具有多發(fā)性、 突發(fā)性、 隨機(jī)性 ,決定了滾石運(yùn)動(dòng)影響因素的相關(guān)研究變得復(fù)雜. 邊坡上的塊石可能因各種風(fēng)化作用而產(chǎn)生 , 同時(shí)在風(fēng)力水力或生物活動(dòng)干擾下 , 塊石會(huì)離開坡體表面而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) , 滾石起滾后將在重力和坡面的共同作用下向下運(yùn)動(dòng) , 經(jīng)過斜拋、碰撞和滑動(dòng)等多種方式向下運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程是個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程 , 其運(yùn)動(dòng)過程和結(jié)果均具有不確定性 , 即使對(duì)于同樣的兩次現(xiàn)場試驗(yàn)也得不到同樣的結(jié)果?？傊?,對(duì)滾石災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理和有效防治進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究 ,藉此制定出有效的防災(zāi)、 減災(zāi)措施 ,不僅具有很大的理論意義 ,同時(shí)也具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。圖1：川藏公路坡面碎屑流段路面上的滾石圖2：川藏公路迫龍?zhí)祀U(xiǎn)段典型的崩塌體邊坡滾石區(qū)圖3：川藏公路陡崖巖崩的一瞬間及落于路面上的滾石二、滾石的運(yùn)動(dòng)形式及影響因素1、滾石發(fā)生機(jī)制滾石的形成和發(fā)育是外因與內(nèi)因耦合破壞作用的結(jié)果，而內(nèi)因以及外因是如何影響滾石發(fā)育以及兩者之間是如何耦合等有待進(jìn)一步的研究。一般滾石事件發(fā)生的充分條件是當(dāng)邊坡上具有松動(dòng)的巖塊，受到外界因素觸發(fā)后，巖塊所在的地形坡度大于原來的安息角時(shí)，便失去平衡而朝下坡處運(yùn)動(dòng).誘發(fā)滾石的因素分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素主要有巖(土)體結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、風(fēng)化程度、地應(yīng)力環(huán)境、 地下水環(huán)境等;外部因素主要有自然變化(降水、氣溫、凍融作用、植物的根劈作用、地震活動(dòng)等)、人類活動(dòng)以及其他生物的擾動(dòng).這些因素中有些是恒定的，有些則隨時(shí)間空間的變化而變化。不斷變化的因素使得滾石發(fā)生具有隨機(jī)性，難于預(yù)測，因此也難于控制。據(jù)國外有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，滾石事件的發(fā)生數(shù)量及規(guī)模與溫度和降水量的關(guān)系比較敏感.降水量的增加和氣溫較低時(shí)，懸崖邊坡容易發(fā)生滾石事件，尤其是在暴雨或嚴(yán)重霜凍后滾石事件會(huì)顯著增加。由于滑坡、崩塌、坍塌、溜滑、剝落、差異風(fēng)化、水流沖刷、凍融循環(huán)、根劈作用、降水、地震、氣溫變化、人類活動(dòng)等都可直接或間接地引起一個(gè)或多個(gè)塊石在重力作用下沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)，致使?jié)L石的發(fā)生一般都受到多種影響因素的制約。2、滾石運(yùn)動(dòng)形式由于地形、地貌條件的不同，滾石在運(yùn)動(dòng)過程中可能只具有一種運(yùn)動(dòng)方式,也可能涉及到了多種運(yùn)動(dòng)方式，總體而言，運(yùn)動(dòng)模式主要包括滑動(dòng)、滾動(dòng)、自由飛落以及彈跳。圖4：滾石的運(yùn)動(dòng)形式在邊坡較緩、摩擦較小的坡段容易發(fā)生滾石的滑動(dòng)，由于與坡面摩擦作用，滾石在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)消耗很多能量，速度減小。滾動(dòng)主要發(fā)生在邊坡上，與滾石的質(zhì)量、滾石的幾何形狀、滾石的運(yùn)動(dòng)速度、滾石與坡面的摩擦力大小有關(guān)；在坡度變化或者發(fā)生碰撞時(shí)很容易產(chǎn)生自由飛落，飛落過程中由于重力的作用會(huì)使得滾石的動(dòng)量不斷增加，速度增大；彈跳則主要發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的滾石撞擊坡面等阻礙物時(shí)，撞擊時(shí)與坡面的角度、撞擊時(shí)的速度、滾石撞擊時(shí)的質(zhì)量等均會(huì)影響彈跳過程。3、滾石運(yùn)動(dòng)的影響因素對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)機(jī)制及形式的分析可知，影響滾石運(yùn)動(dòng)的因素有主要有滾石的形狀、大小、坡度、坡高、坡形、粗糙度、恢復(fù)系數(shù)等?？傮w而言，滾石運(yùn)動(dòng)的影響因素主要有邊坡條件、 塊體條件、滾石與坡面的相互作用。3.1 邊坡條件邊坡是滾石運(yùn)動(dòng)的主要場所，所以邊坡的狀況直接影響滾石的運(yùn)動(dòng)，邊坡狀況對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)的影響因素可以分為邊坡形狀、坡面狀況和邊坡巖土材料的物理力學(xué)特性 3 個(gè)方面。3.1.1 邊坡幾何形狀邊坡的形狀對(duì)滾石的影響主要反映在坡度與坡高對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)因素的影響。若邊坡其他條件相同，坡度越陡，運(yùn)動(dòng)速度越大，動(dòng)和跳動(dòng)的距離就越小；并且隨著坡度的不斷增大，滾石的運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)逐步發(fā)生變化，比如隨著坡度的增大，滾石可能由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，或者由原來的滾動(dòng)變?yōu)樽杂娠w落狀態(tài)等。一般而言，當(dāng)坡度小于 30時(shí)，滾石是滑動(dòng)狀態(tài);當(dāng)坡度在 3045之間時(shí) ,滾石是滾動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)坡度在4570之間時(shí) ,滾石是彈跳狀態(tài)；當(dāng)坡度在 7090時(shí) ,滾石是自由落體狀態(tài)。圖5：不同坡度下滾石的運(yùn)動(dòng)形式3.1.2 坡面粗糙程度滾石運(yùn)動(dòng)是滾石與坡面接觸的相互作用過程，因此坡面狀況對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)影響至關(guān)重要。坡面狀況主要包括坡面粗糙程度和坡面的凹凸性。滾石的運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)位移與坡面的粗糙度成負(fù)相關(guān)，即邊坡粗糙度越小越利于滾石運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的速度和距離就越大；相反表面粗糙度越大速度和運(yùn)動(dòng)的位移越小。常見影響坡面粗糙度的因素有坡面植被覆蓋程度、坡面基巖裸露情況、坡面覆蓋土的松軟程度等。3.1.3 坡面的物理力學(xué)性質(zhì)坡面的組成及力學(xué)性質(zhì)對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)的影響甚大。對(duì)于巖石邊坡，坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括層面、斷層、節(jié)理、裂隙、軟弱帶等結(jié)構(gòu)面及其組合而成的巖體結(jié)構(gòu)，它們決定著滾石與坡面之間的摩擦系數(shù)的大小。坡面的物理力學(xué)性質(zhì)主要是從以下幾方面影響滾石的運(yùn)動(dòng)狀況:摩擦系數(shù)(滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦)、 回彈系數(shù)及沖擊是否引起滾石崩解等。3.2 滾石特性滾石的自身特性包括滾石的幾何性質(zhì)(形狀、大小)和滾石的物理力學(xué)性質(zhì)(組成、 密度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性)。3.2.1 滾石的幾何性質(zhì)滾石自身的幾何特征很大程度上影響滾石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。大量研究表明，石的尺寸、形狀對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度等有很大影響，它反映了滾石形狀與其位移之間有近似的線性關(guān)系。 圖6：滾石水平位移與短軸的關(guān)系3.2.2 滾石的物理力學(xué)性質(zhì)滾石的物理性質(zhì)對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在滾石質(zhì)量與密度對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響。滾石的力學(xué)性質(zhì)(強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性)嚴(yán)重影響著滾石的運(yùn)動(dòng)情況。滾石在坡面上與坡面接觸時(shí)的摩擦系數(shù)、回彈系數(shù)等會(huì)影響其速度、位移，以及在相互沖擊過程中是否會(huì)解體。滾石在解體時(shí)會(huì)消耗大量的能量，得總的機(jī)械能減小。度越大、剛性越大、穩(wěn)定性越好的滾石在運(yùn)動(dòng)過程中能量損失相對(duì)較少。3.3 滾石與坡面的相互作用滾石與巖坡碰撞接觸特性的主要參數(shù)有碰撞的恢復(fù)系數(shù)、接觸勁度、摩擦角及凝聚力等。而在邊坡與巖塊的接觸特性中，恢復(fù)系數(shù)、接觸勁度會(huì)影響著巖塊回彈后的運(yùn)動(dòng)行為，坡面的摩擦角和凝聚力也會(huì)影響滾石的滾動(dòng)和滑動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)速率，另外滾石與坡面的接觸勁度將影響碰撞時(shí)間，進(jìn)而影響滾石與坡面的接觸運(yùn)動(dòng)。由于滾石塊體碰撞為非完全彈性碰撞，會(huì)引起能量的損耗，導(dǎo)致速度的減小。滾石與邊坡相互作用的影響因素中，恢復(fù)系數(shù)的影響占主要地位?；謴?fù)系數(shù)一般定義為碰撞后反彈回來的滾石速度與碰撞前的滾石速度之比?；謴?fù)系數(shù)主要受滾石的大小及形狀、滾石和坡面材質(zhì)、坡角、坡面起伏、入射角、入射能量等的影響。滾石與滾石間的相互作用通常會(huì)使?jié)L石的總能量損失一部分，從而使?jié)L石的速度減小，這對(duì)工程防護(hù)是很有利的。但也有少數(shù)例外，如使?jié)L石的運(yùn)動(dòng)速度增大，從而使的滾石運(yùn)動(dòng)的距離更遠(yuǎn)，產(chǎn)生的災(zāi)害更嚴(yán)重。三、邊坡滾石運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型對(duì)于邊坡滾石運(yùn)動(dòng)問題的研究分析方法可以歸納為兩類, 即以試驗(yàn)研究為主的經(jīng)驗(yàn)的方法和以理論推導(dǎo)為主的方法。前者主要包括現(xiàn)場試驗(yàn)研究以及室內(nèi)比尺模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確、客觀、綜合的特點(diǎn)。試驗(yàn)研究的方法也是確定基本物理力學(xué)參數(shù)，深入理解邊坡滾石問題的重要方法。毫無疑問，一定數(shù)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是研究滾石問題不可或缺的，也是正確理解滾石問題的基礎(chǔ)。但是試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)性，并且具有區(qū)域局限性強(qiáng)的特點(diǎn)，這使得試驗(yàn)方法的結(jié)果不具備廣泛的工程意義。理論推導(dǎo)的方法，主要是以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ) , 建立合理的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在滾石研究方面計(jì)算機(jī)輔助分析方法有了很大的發(fā)展 , 國外在上世紀(jì) 80 年代已開始這方面的研究，目前仍在深入。用計(jì)算機(jī)輔助分析滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡，首先要建立合理的計(jì)算模型。而計(jì)算模型的正確與否必須通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來評(píng)判和調(diào)整 ,所以要正確估算出滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡 ,必須要堅(jiān)持實(shí)踐到理論再到實(shí)踐的辯證方法。目前對(duì)這一問題的研究可分為兩類，一類是通過研究邊坡滾石運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以運(yùn)動(dòng)學(xué)理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)拋擲距離的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式; 另一類是在運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論基礎(chǔ)上，針對(duì)某特殊條件通過現(xiàn)場試驗(yàn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式，或總結(jié)其分布范圍，以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐?，F(xiàn)在公認(rèn)的影響邊坡滾石運(yùn)動(dòng)軌跡的主要因素本身就具有很大的不確定性，這就使得滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算變得非常復(fù)雜。國外有文獻(xiàn)用概率的方法來描述模型輸入?yún)?shù)，對(duì)于滾石的大小、初始速度矢量這樣的參數(shù)不是采用確定的值，而是給出一個(gè)概率分布的函數(shù)，用這樣的手段來反映這種不確定性。本文沒有討論這方面的問題 ,而仍然把這些輸入?yún)?shù)當(dāng)作確定值。這是出于數(shù)學(xué)上簡化的考慮。為此，這里對(duì)于邊坡滾石問題，作以下的簡化假設(shè)：(1)簡化滾石運(yùn)動(dòng)為二維運(yùn)動(dòng)問題，忽略滾石之間的相互影響。(2)假設(shè)邊坡坡面形狀已知，坡面方程為 f ( x , y) = 0 ；滾石運(yùn)動(dòng)的初始條件由現(xiàn)場調(diào)查確定，在推導(dǎo)中作為已知條件。(3)只考慮滾石為球體的情況，球體在二維坐標(biāo)下退化為圓。并且假設(shè)滾石的質(zhì)量均勻分布，滾石繞其圓心轉(zhuǎn)動(dòng)。從工程防護(hù)的角度看，這是一種偏于保守的假定。(4)滾石的運(yùn)動(dòng)分為幾個(gè)主要的運(yùn)動(dòng)形式，每一種運(yùn)動(dòng)形式都有其相應(yīng)的特點(diǎn)和假設(shè)。邊坡滾石運(yùn)動(dòng)的形式主要有4種: (1)滾石的滑動(dòng); (2)滾石的自由飛落; (3)滾石的碰撞彈跳; (4)滾石的滾動(dòng)。對(duì)于某一具體的邊坡滾石，可能并不是每一種形式都存在，這取決于邊坡的形狀、邊坡坡面的地質(zhì)力學(xué)特點(diǎn)以及滾石的力學(xué)性質(zhì)等因素。1、滾石的滑動(dòng)滾石自由飛落的初始速度V 0。假設(shè)滾石在重力作用下由靜止開始滑動(dòng)，則滑動(dòng)結(jié)束時(shí)的速度為：V = 2 g s ( sin a - cos a)，式中，g 為重力加速度，可取 9. 8m/ s2；為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，可以由現(xiàn)場的摩擦試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取值; a 為邊坡滑動(dòng)段的坡度;s 為滑動(dòng)距離; a 和s 可根據(jù)邊坡的具體形狀確定。這里將邊坡簡化為一個(gè)坡度為 a 的斜面。對(duì)于滾石運(yùn)動(dòng)結(jié)束階段的滑動(dòng)，設(shè)計(jì)所關(guān)心的是最終的滑動(dòng)距離s，并以此來評(píng)估滾石災(zāi)害的影響范圍。假設(shè)滑動(dòng)前滾石的初速度為 V 0，那么至滾石停止滑動(dòng)，總的滑動(dòng)距離 s 可由下式估算：2、滾石的自由飛落圖7：滾石的自由飛落模型碰撞點(diǎn)c處滾石的入射速度 V i ：式中： h 為滾石在防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置處的撞擊高度；V 為滾石在防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置處的撞擊速度。一旦碰撞點(diǎn)的位置和碰撞的入射速度確定后，就可以進(jìn)一步分析滾石的碰撞及后續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡了。3、滾石的碰撞彈跳圖8：滾石的碰撞彈跳模型分別定義法向恢復(fù)系數(shù) Rn 和切向恢復(fù)系數(shù) Rt。Rn = v 2n / v 1n Rt= v 2 t/ v 1 t式中v 1n、v 1 t：碰撞前滾石沿法向和切向方向的速度分量 (m / s) ; v 2n、v 2 t ：碰撞后滾石沿法向和切向方向的速度分量 (m / s)。下表為為鐵道部運(yùn)輸局推薦的法向和切向恢復(fù)系數(shù)的取值。四、滾石災(zāi)害防護(hù)方法1、兩種防護(hù)理念滾石運(yùn)動(dòng)多種多樣，滾石的防護(hù)必須采取剛?cè)峤Y(jié)合的辦法，這也是滾石防護(hù)的兩種理念。目前常用的柔性防護(hù)系統(tǒng)包括柔性金屬攔截網(wǎng)和柔性被覆系統(tǒng)，前者主要利用攔截網(wǎng)本身高柔性、高強(qiáng)度特征來進(jìn)行滾石的能量消耗與攔截。后者實(shí)際上是一種主動(dòng)的攔截系統(tǒng)，通過攔截固坡網(wǎng)與錨桿系統(tǒng)的結(jié)合，對(duì)邊坡上可能松動(dòng)的塊體提前施加預(yù)應(yīng)力作用，同時(shí)在固坡網(wǎng)上種植植被以達(dá)到良好治理的目的，兼顧生態(tài)景觀。工程中常用的剛性支護(hù)系統(tǒng)主要是擋石墻和擋石墩，在一些柔性防護(hù)施工較為困難的情況下，同時(shí)為了給公路界定行車范圍，也常常采取剛性支護(hù)辦法，相對(duì)柔性支護(hù)而言，剛性支護(hù)施工難度不大，但施工量和投入均較大。2、三種防護(hù)手段滾石運(yùn)動(dòng)多種多樣，滾石的防護(hù)必須采取剛?cè)峤Y(jié)合的辦法，這也是滾石防護(hù)的兩種理念。目前常用的柔性防護(hù)系統(tǒng)包括柔性金屬攔截網(wǎng)和柔性被覆系統(tǒng)，前者主要利用攔截網(wǎng)