邊坡滾石災害作用機理與治理方法研究讀書報告.doc

邊坡滾石災害作用機理與治理方法研究讀書報告邊坡滾石是一種常見的工程地質(zhì)災害，所謂滾石，是指這樣一個過程：巖塊(包括礫石)從坡體(或陡崖)表面分離出來后在空中移動，經(jīng)過一定運動方式(比如自由落體、彈跳、沿坡面的滾動和滑動)向下快速運動，最后在坡腳附近停下來。當在滾石運動范圍內(nèi)有人類活動或人類構(gòu)筑的設施時，就可構(gòu)成滾石災害。一次滾石事件可能僅涉及到一個塊體，也可能涉及到多個塊體。在山區(qū)修建的運輸通道往往會面臨嚴重的滾石災害。在實行組合臺階和陡幫開采的礦區(qū)中，受降雨、巖體結(jié)構(gòu)、爆破震動等因素的影響 ,邊坡面上的危石、浮石渣塊大量存在 ,經(jīng)常向下滾落 ,對采掘作業(yè)的人員和設備構(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)災害高發(fā)區(qū)，滑坡、崩塌、泥石流三大地質(zhì)災害已經(jīng)引起人們高度重視。隨著露天礦的開采，山區(qū)公路及運輸通道的修建等相關項目的開展 , 不斷發(fā)生在山區(qū)的滾石災害正逐漸引起人們的重視。當在滾石運動范圍內(nèi)有人類活動或人類構(gòu)筑的設施時，就可構(gòu)成滾石災害。一次滾石事件可能僅涉及到一個塊體，也可能涉及到多個塊體。在山區(qū)修建的運輸通道往往會面臨嚴重的滾石災害。在實行組合臺階和陡幫開采的礦區(qū)中，受降雨、巖體結(jié)構(gòu)、爆破震動等因素的影響 ,邊坡面上的危石、浮石渣塊大量存在 ,經(jīng)常向下滾落 ,對采掘作業(yè)的人員和設備構(gòu)成很大威脅，大規(guī)模的滾石災害甚至會造成礦區(qū)運輸通道的阻塞。滾石災害有多種表現(xiàn)方式：(1)滾石以直接沖擊的方式損壞運輸線路并且對附近活動的人員、車輛、生活設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行或阻礙交通;(3)山區(qū)城市的滾石活動將威脅到人們的生產(chǎn)、生活及相應的設施;(4)露天礦山、水電站建設、采石場等的開挖活動可形成人工高邊坡，而這些邊坡上自然發(fā)生或人為擾動而滾落的塊石將嚴重影響施工人員和有關設施的安全;(5)人工爆破引起的飛石可使周圍的人類活動或設施受到危害;(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。滾石運動具有多發(fā)性、 突發(fā)性、 隨機性 ,決定了滾石運動影響因素的相關研究變得復雜. 邊坡上的塊石可能因各種風化作用而產(chǎn)生 , 同時在風力水力或生物活動干擾下 , 塊石會離開坡體表面而產(chǎn)生運動 , 滾石起滾后將在重力和坡面的共同作用下向下運動 , 經(jīng)過斜拋、碰撞和滑動等多種方式向下運動。這個過程是個復雜的運動過程 , 其運動過程和結(jié)果均具有不確定性 , 即使對于同樣的兩次現(xiàn)場試驗也得不到同樣的結(jié)果?？傊?,對滾石災害發(fā)生的機理和有效防治進行系統(tǒng)而深入的研究 ,藉此制定出有效的防災、 減災措施 ,不僅具有很大的理論意義 ,同時也具有巨大的經(jīng)濟價值。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、滾石的運動形式及影響因素1、滾石發(fā)生機制滾石的形成和發(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一步的研究。一般滾石事件發(fā)生的充分條件是當邊坡上具有松動的巖塊，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，便失去平衡而朝下坡處運動.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)、物理力學性質(zhì)、風化程度、地應力環(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、地震活動等)、人類活動以及其他生物的擾動.這些因素中有些是恒定的，有些則隨時間空間的變化而變化。不斷變化的因素使得滾石發(fā)生具有隨機性，難于預測，因此也難于控制。據(jù)國外有關統(tǒng)計表明，滾石事件的發(fā)生數(shù)量及規(guī)模與溫度和降水量的關系比較敏感.降水量的增加和氣溫較低時，懸崖邊坡容易發(fā)生滾石事件，尤其是在暴雨或嚴重霜凍后滾石事件會顯著增加。由于滑坡、崩塌、坍塌、溜滑、剝落、差異風化、水流沖刷、凍融循環(huán)、根劈作用、降水、地震、氣溫變化、人類活動等都可直接或間接地引起一個或多個塊石在重力作用下沿斜坡向下運動，致使?jié)L石的發(fā)生一般都受到多種影響因素的制約。2、滾石運動形式由于地形、地貌條件的不同，滾石在運動過程中可能只具有一種運動方式,也可能涉及到了多種運動方式，總體而言，運動模式主要包括滑動、滾動、自由飛落以及彈跳。圖4：滾石的運動形式在邊坡較緩、摩擦較小的坡段容易發(fā)生滾石的滑動，由于與坡面摩擦作用，滾石在運動過程中會消耗很多能量，速度減小。滾動主要發(fā)生在邊坡上，與滾石的質(zhì)量、滾石的幾何形狀、滾石的運動速度、滾石與坡面的摩擦力大小有關；在坡度變化或者發(fā)生碰撞時很容易產(chǎn)生自由飛落，飛落過程中由于重力的作用會使得滾石的動量不斷增加，速度增大；彈跳則主要發(fā)生在運動的滾石撞擊坡面等阻礙物時，撞擊時與坡面的角度、撞擊時的速度、滾石撞擊時的質(zhì)量等均會影響彈跳過程。3、滾石運動的影響因素對滾石的運動機制及形式的分析可知，影響滾石運動的因素有主要有滾石的形狀、大小、坡度、坡高、坡形、粗糙度、恢復系數(shù)等?？傮w而言，滾石運動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動的主要場所，所以邊坡的狀況直接影響滾石的運動，邊坡狀況對滾石運動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特性 3 個方面。3.1.1 邊坡幾何形狀邊坡的形狀對滾石的影響主要反映在坡度與坡高對滾石運動因素的影響。若邊坡其他條件相同，坡度越陡，運動速度越大，動和跳動的距離就越??；并且隨著坡度的不斷增大，滾石的運動形態(tài)會逐步發(fā)生變化，比如隨著坡度的增大，滾石可能由滑動變?yōu)闈L動，或者由原來的滾動變?yōu)樽杂娠w落狀態(tài)等。一般而言，當坡度小于 30時，滾石是滑動狀態(tài);當坡度在 3045之間時 ,滾石是滾動狀態(tài)；當坡度在4570之間時 ,滾石是彈跳狀態(tài)；當坡度在 7090時 ,滾石是自由落體狀態(tài)。圖5：不同坡度下滾石的運動形式3.1.2 坡面粗糙程度滾石運動是滾石與坡面接觸的相互作用過程，因此坡面狀況對滾石運動影響至關重要。坡面狀況主要包括坡面粗糙程度和坡面的凹凸性。滾石的運動速度與運動位移與坡面的粗糙度成負相關，即邊坡粗糙度越小越利于滾石運動，其運動的速度和距離就越大；相反表面粗糙度越大速度和運動的位移越小。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 坡面的物理力學性質(zhì)坡面的組成及力學性質(zhì)對滾石運動的影響甚大。對于巖石邊坡，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。坡面的物理力學性質(zhì)主要是從以下幾方面影響滾石的運動狀況:摩擦系數(shù)(滑動摩擦和滾動摩擦)、 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)和滾石的物理力學性質(zhì)(組成、 密度、強度、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動狀態(tài)。大量研究表明，石的尺寸、形狀對滾石的運動位移、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系。 圖6：滾石水平位移與短軸的關系3.2.2 滾石的物理力學性質(zhì)滾石的物理性質(zhì)對滾石運動的影響主要表現(xiàn)在滾石質(zhì)量與密度對其運動的影響。滾石的力學性質(zhì)(強度、剛度、穩(wěn)定性)嚴重影響著滾石的運動情況。滾石在坡面上與坡面接觸時的摩擦系數(shù)、回彈系數(shù)等會影響其速度、位移，以及在相互沖擊過程中是否會解體。滾石在解體時會消耗大量的能量，得總的機械能減小。度越大、剛性越大、穩(wěn)定性越好的滾石在運動過程中能量損失相對較少。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，恢復系數(shù)、接觸勁度會影響著巖塊回彈后的運動行為，坡面的摩擦角和凝聚力也會影響滾石的滾動和滑動模式的運動速率，另外滾石與坡面的接觸勁度將影響碰撞時間，進而影響滾石與坡面的接觸運動。由于滾石塊體碰撞為非完全彈性碰撞，會引起能量的損耗，導致速度的減小。滾石與邊坡相互作用的影響因素中，恢復系數(shù)的影響占主要地位?；謴拖禂?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?；謴拖禂?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，這對工程防護是很有利的。但也有少數(shù)例外，如使?jié)L石的運動速度增大，從而使的滾石運動的距離更遠，產(chǎn)生的災害更嚴重。三、邊坡滾石運動的計算模型對于邊坡滾石運動問題的研究分析方法可以歸納為兩類, 即以試驗研究為主的經(jīng)驗的方法和以理論推導為主的方法。前者主要包括現(xiàn)場試驗研究以及室內(nèi)比尺模型試驗研究。試驗研究的數(shù)據(jù)具有準確、客觀、綜合的特點。試驗研究的方法也是確定基本物理力學參數(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。但是試驗研究的數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)性，并且具有區(qū)域局限性強的特點，這使得試驗方法的結(jié)果不具備廣泛的工程意義。理論推導的方法，主要是以運動學和動力學理論為基礎 , 建立合理的數(shù)學計算模型。隨著計算機技術的發(fā)展，在滾石研究方面計算機輔助分析方法有了很大的發(fā)展 , 國外在上世紀 80 年代已開始這方面的研究，目前仍在深入。用計算機輔助分析滾石的運動軌跡，首先要建立合理的計算模型。而計算模型的正確與否必須通過試驗數(shù)據(jù)來評判和調(diào)整 ,所以要正確估算出滾石的運動軌跡 ,必須要堅持實踐到理論再到實踐的辯證方法。目前對這一問題的研究可分為兩類，一類是通過研究邊坡滾石運動規(guī)律，以運動學理論為基礎推導拋擲距離的運動學公式; 另一類是在運動學的理論基礎上，針對某特殊條件通過現(xiàn)場試驗總結(jié)經(jīng)驗公式，或總結(jié)其分布范圍，以指導生產(chǎn)實踐。現(xiàn)在公認的影響邊坡滾石運動軌跡的主要因素本身就具有很大的不確定性，這就使得滾石的運動軌跡計算變得非常復雜。國外有文獻用概率的方法來描述模型輸入?yún)?shù)，對于滾石的大小、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)當作確定值。這是出于數(shù)學上簡化的考慮。為此，這里對于邊坡滾石問題，作以下的簡化假設：(1)簡化滾石運動為二維運動問題，忽略滾石之間的相互影響。(2)假設邊坡坡面形狀已知，坡面方程為 f ( x , y) = 0 ；滾石運動的初始條件由現(xiàn)場調(diào)查確定，在推導中作為已知條件。(3)只考慮滾石為球體的情況，球體在二維坐標下退化為圓。并且假設滾石的質(zhì)量均勻分布，滾石繞其圓心轉(zhuǎn)動。從工程防護的角度看，這是一種偏于保守的假定。(4)滾石的運動分為幾個主要的運動形式，每一種運動形式都有其相應的特點和假設。邊坡滾石運動的形式主要有4種: (1)滾石的滑動; (2)滾石的自由飛落; (3)滾石的碰撞彈跳; (4)滾石的滾動。對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)力學特點以及滾石的力學性質(zhì)等因素。1、滾石的滑動滾石自由飛落的初始速度V 0。假設滾石在重力作用下由靜止開始滑動，則滑動結(jié)束時的速度為：V = 2 g s ( sin a - cos a)，式中，g 為重力加速度，可取 9. 8m/ s2；為滑動摩擦系數(shù)，可以由現(xiàn)場的摩擦試驗或經(jīng)驗取值; a 為邊坡滑動段的坡度;s 為滑動距離; 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坡度為 a 的斜面。對于滾石運動結(jié)束階段的滑動，設計所關心的是最終的滑動距離s，并以此來評估滾石災害的影響范圍。假設滑動前滾石的初速度為 V 0，那么至滾石停止滑動，總的滑動距離 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c處滾石的入射速度 V i ：式中： h 為滾石在防護結(jié)構(gòu)設置處的撞擊高度；V 為滾石在防護結(jié)構(gòu)設置處的撞擊速度。一旦碰撞點的位置和碰撞的入射速度確定后，就可以進一步分析滾石的碰撞及后續(xù)的運動軌跡了。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系數(shù) Rn 和切向恢復系數(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)。下表為為鐵道部運輸局推薦的法向和切向恢復系數(shù)的取值。四、滾石災害防護方法1、兩種防護理念滾石運動多種多樣，滾石的防護必須采取剛?cè)峤Y(jié)合的辦法，這也是滾石防護的兩種理念。目前常用的柔性防護系統(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、高強度特征來進行滾石的能量消耗與攔截。后者實際上是一種主動的攔截系統(tǒng)，通過攔截固坡網(wǎng)與錨桿系統(tǒng)的結(jié)合，對邊坡上可能松動的塊體提前施加預應力作用，同時在固坡網(wǎng)上種植植被以達到良好治理的目的，兼顧生態(tài)景觀。工程中常用的剛性支護系統(tǒng)主要是擋石墻和擋石墩，在一些柔性防護施工較為困難的情況下，同時為了給公路界定行車范圍，也常常采取剛性支護辦法，相對柔性支護而言，剛性支護施工難度不大，但施工量和投入均較大。2、三種防護手段滾石運動多種多樣，滾石的防護必須采取剛?cè)峤Y(jié)合的辦法，這也是滾石防護的兩種理念。目前常用的柔性防護系統(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)