边坡滚石灾害作用机理与治理方法研究读书报告.doc

边坡滚石灾害作用机理与治理方法研究读书报告边坡滚石是一种常见的工程地质灾害，所谓滚石，是指这样一个过程：岩块(包括砾石)从坡体(或陡崖)表面分离出来后在空中移动，经过一定运动方式(比如自由落体、弹跳、沿坡面的滚动和滑动)向下快速运动，最后在坡脚附近停下来。当在滚石运动范围内有人类活动或人类构筑的设施时，就可构成滚石灾害。一次滚石事件可能仅涉及到一个块体，也可能涉及到多个块体。在山区修建的运输通道往往会面临严重的滚石灾害。在实行组合台阶和陡帮开采的矿区中，受降雨、岩体结构、爆破震动等因素的影响 ,边坡面上的危石、浮石渣块大量存在 ,经常向下滚落 ,对采掘作业的人员和设备构成很大威胁。一、 边坡滚石的危害及研究治理的重要性中国是个多山的国家, 特别在西南地区，分布各种山地地貌，这些山区也是中国主要的地质灾害高发区，滑坡、崩塌、泥石流三大地质灾害已经引起人们高度重视。随着露天矿的开采，山区公路及运输通道的修建等相关项目的开展 , 不断发生在山区的滚石灾害正逐渐引起人们的重视。当在滚石运动范围内有人类活动或人类构筑的设施时，就可构成滚石灾害。一次滚石事件可能仅涉及到一个块体，也可能涉及到多个块体。在山区修建的运输通道往往会面临严重的滚石灾害。在实行组合台阶和陡帮开采的矿区中，受降雨、岩体结构、爆破震动等因素的影响 ,边坡面上的危石、浮石渣块大量存在 ,经常向下滚落 ,对采掘作业的人员和设备构成很大威胁，大规模的滚石灾害甚至会造成矿区运输通道的阻塞。滚石灾害有多种表现方式：(1)滚石以直接冲击的方式损坏运输线路并且对附近活动的人员、车辆、生活设施及建筑物的安全构成威胁;(2)滚石以在路面上停留或堆积的方式影响来往车辆的安全运行或阻碍交通;(3)山区城市的滚石活动将威胁到人们的生产、生活及相应的设施;(4)露天矿山、水电站建设、采石场等的开挖活动可形成人工高边坡，而这些边坡上自然发生或人为扰动而滚落的块石将严重影响施工人员和有关设施的安全;(5)人工爆破引起的飞石可使周围的人类活动或设施受到危害;(7)在山区地表附近布置的重要管线、 油罐、 有害物质隔离层等有可能受到滚石冲击的影响。滚石运动具有多发性、 突发性、 随机性 ,决定了滚石运动影响因素的相关研究变得复杂. 边坡上的块石可能因各种风化作用而产生 , 同时在风力水力或生物活动干扰下 , 块石会离开坡体表面而产生运动 , 滚石起滚后将在重力和坡面的共同作用下向下运动 , 经过斜抛、碰撞和滑动等多种方式向下运动。这个过程是个复杂的运动过程 , 其运动过程和结果均具有不确定性 , 即使对于同样的两次现场试验也得不到同样的结果。总之 ,对滚石灾害发生的机理和有效防治进行系统而深入的研究 ,藉此制定出有效的防灾、 减灾措施 ,不仅具有很大的理论意义 ,同时也具有巨大的经济价值。图1：川藏公路坡面碎屑流段路面上的滚石图2：川藏公路迫龙天险段典型的崩塌体边坡滚石区图3：川藏公路陡崖岩崩的一瞬间及落于路面上的滚石二、滚石的运动形式及影响因素1、滚石发生机制滚石的形成和发育是外因与内因耦合破坏作用的结果，而内因以及外因是如何影响滚石发育以及两者之间是如何耦合等有待进一步的研究。一般滚石事件发生的充分条件是当边坡上具有松动的岩块，受到外界因素触发后，岩块所在的地形坡度大于原来的安息角时，便失去平衡而朝下坡处运动.诱发滚石的因素分为内部因素和外部因素，内部因素主要有岩(土)体结构、物理力学性质、风化程度、地应力环境、 地下水环境等;外部因素主要有自然变化(降水、气温、冻融作用、植物的根劈作用、地震活动等)、人类活动以及其他生物的扰动.这些因素中有些是恒定的，有些则随时间空间的变化而变化。不断变化的因素使得滚石发生具有随机性，难于预测，因此也难于控制。据国外有关统计表明，滚石事件的发生数量及规模与温度和降水量的关系比较敏感.降水量的增加和气温较低时，悬崖边坡容易发生滚石事件，尤其是在暴雨或严重霜冻后滚石事件会显著增加。由于滑坡、崩塌、坍塌、溜滑、剥落、差异风化、水流冲刷、冻融循环、根劈作用、降水、地震、气温变化、人类活动等都可直接或间接地引起一个或多个块石在重力作用下沿斜坡向下运动，致使滚石的发生一般都受到多种影响因素的制约。2、滚石运动形式由于地形、地貌条件的不同，滚石在运动过程中可能只具有一种运动方式,也可能涉及到了多种运动方式，总体而言，运动模式主要包括滑动、滚动、自由飞落以及弹跳。图4：滚石的运动形式在边坡较缓、摩擦较小的坡段容易发生滚石的滑动，由于与坡面摩擦作用，滚石在运动过程中会消耗很多能量，速度减小。滚动主要发生在边坡上，与滚石的质量、滚石的几何形状、滚石的运动速度、滚石与坡面的摩擦力大小有关；在坡度变化或者发生碰撞时很容易产生自由飞落，飞落过程中由于重力的作用会使得滚石的动量不断增加，速度增大；弹跳则主要发生在运动的滚石撞击坡面等阻碍物时，撞击时与坡面的角度、撞击时的速度、滚石撞击时的质量等均会影响弹跳过程。3、滚石运动的影响因素对滚石的运动机制及形式的分析可知，影响滚石运动的因素有主要有滚石的形状、大小、坡度、坡高、坡形、粗糙度、恢复系数等。总体而言，滚石运动的影响因素主要有边坡条件、 块体条件、滚石与坡面的相互作用。3.1 边坡条件边坡是滚石运动的主要场所，所以边坡的状况直接影响滚石的运动，边坡状况对滚石运动的影响因素可以分为边坡形状、坡面状况和边坡岩土材料的物理力学特性 3 个方面。3.1.1 边坡几何形状边坡的形状对滚石的影响主要反映在坡度与坡高对滚石运动因素的影响。若边坡其他条件相同，坡度越陡，运动速度越大，动和跳动的距离就越小；并且随着坡度的不断增大，滚石的运动形态会逐步发生变化，比如随着坡度的增大，滚石可能由滑动变为滚动，或者由原来的滚动变为自由飞落状态等。一般而言，当坡度小于 30时，滚石是滑动状态;当坡度在 3045之间时 ,滚石是滚动状态；当坡度在4570之间时 ,滚石是弹跳状态；当坡度在 7090时 ,滚石是自由落体状态。图5：不同坡度下滚石的运动形式3.1.2 坡面粗糙程度滚石运动是滚石与坡面接触的相互作用过程，因此坡面状况对滚石运动影响至关重要。坡面状况主要包括坡面粗糙程度和坡面的凹凸性。滚石的运动速度与运动位移与坡面的粗糙度成负相关，即边坡粗糙度越小越利于滚石运动，其运动的速度和距离就越大；相反表面粗糙度越大速度和运动的位移越小。常见影响坡面粗糙度的因素有坡面植被覆盖程度、坡面基岩裸露情况、坡面覆盖土的松软程度等。3.1.3 坡面的物理力学性质坡面的组成及力学性质对滚石运动的影响甚大。对于岩石边坡，坡体的地质结构包括层面、断层、节理、裂隙、软弱带等结构面及其组合而成的岩体结构，它们决定着滚石与坡面之间的摩擦系数的大小。坡面的物理力学性质主要是从以下几方面影响滚石的运动状况:摩擦系数(滑动摩擦和滚动摩擦)、 回弹系数及冲击是否引起滚石崩解等。3.2 滚石特性滚石的自身特性包括滚石的几何性质(形状、大小)和滚石的物理力学性质(组成、 密度、强度、稳定性)。3.2.1 滚石的几何性质滚石自身的几何特征很大程度上影响滚石的运动状态。大量研究表明，石的尺寸、形状对滚石的运动位移、速度、加速度等有很大影响，它反映了滚石形状与其位移之间有近似的线性关系。 图6：滚石水平位移与短轴的关系3.2.2 滚石的物理力学性质滚石的物理性质对滚石运动的影响主要表现在滚石质量与密度对其运动的影响。滚石的力学性质(强度、刚度、稳定性)严重影响着滚石的运动情况。滚石在坡面上与坡面接触时的摩擦系数、回弹系数等会影响其速度、位移，以及在相互冲击过程中是否会解体。滚石在解体时会消耗大量的能量，得总的机械能减小。度越大、刚性越大、稳定性越好的滚石在运动过程中能量损失相对较少。3.3 滚石与坡面的相互作用滚石与岩坡碰撞接触特性的主要参数有碰撞的恢复系数、接触劲度、摩擦角及凝聚力等。而在边坡与岩块的接触特性中，恢复系数、接触劲度会影响着岩块回弹后的运动行为，坡面的摩擦角和凝聚力也会影响滚石的滚动和滑动模式的运动速率，另外滚石与坡面的接触劲度将影响碰撞时间，进而影响滚石与坡面的接触运动。由于滚石块体碰撞为非完全弹性碰撞，会引起能量的损耗，导致速度的减小。滚石与边坡相互作用的影响因素中，恢复系数的影响占主要地位。恢复系数一般定义为碰撞后反弹回来的滚石速度与碰撞前的滚石速度之比。恢复系数主要受滚石的大小及形状、滚石和坡面材质、坡角、坡面起伏、入射角、入射能量等的影响。滚石与滚石间的相互作用通常会使滚石的总能量损失一部分，从而使滚石的速度减小，这对工程防护是很有利的。但也有少数例外，如使滚石的运动速度增大，从而使的滚石运动的距离更远，产生的灾害更严重。三、边坡滚石运动的计算模型对于边坡滚石运动问题的研究分析方法可以归纳为两类, 即以试验研究为主的经验的方法和以理论推导为主的方法。前者主要包括现场试验研究以及室内比尺模型试验研究。试验研究的数据具有准确、客观、综合的特点。试验研究的方法也是确定基本物理力学参数，深入理解边坡滚石问题的重要方法。毫无疑问，一定数量的试验数据是研究滚石问题不可或缺的，也是正确理解滚石问题的基础。但是试验研究的数据缺乏系统性，并且具有区域局限性强的特点，这使得试验方法的结果不具备广泛的工程意义。理论推导的方法，主要是以运动学和动力学理论为基础 , 建立合理的数学计算模型。随着计算机技术的发展，在滚石研究方面计算机辅助分析方法有了很大的发展 , 国外在上世纪 80 年代已开始这方面的研究，目前仍在深入。用计算机辅助分析滚石的运动轨迹，首先要建立合理的计算模型。而计算模型的正确与否必须通过试验数据来评判和调整 ,所以要正确估算出滚石的运动轨迹 ,必须要坚持实践到理论再到实践的辩证方法。目前对这一问题的研究可分为两类，一类是通过研究边坡滚石运动规律，以运动学理论为基础推导抛掷距离的运动学公式; 另一类是在运动学的理论基础上，针对某特殊条件通过现场试验总结经验公式，或总结其分布范围，以指导生产实践。现在公认的影响边坡滚石运动轨迹的主要因素本身就具有很大的不确定性，这就使得滚石的运动轨迹计算变得非常复杂。国外有文献用概率的方法来描述模型输入参数，对于滚石的大小、初始速度矢量这样的参数不是采用确定的值，而是给出一个概率分布的函数，用这样的手段来反映这种不确定性。本文没有讨论这方面的问题 ,而仍然把这些输入参数当作确定值。这是出于数学上简化的考虑。为此，这里对于边坡滚石问题，作以下的简化假设：(1)简化滚石运动为二维运动问题，忽略滚石之间的相互影响。(2)假设边坡坡面形状已知，坡面方程为 f ( x , y) = 0 ；滚石运动的初始条件由现场调查确定，在推导中作为已知条件。(3)只考虑滚石为球体的情况，球体在二维坐标下退化为圆。并且假设滚石的质量均匀分布，滚石绕其圆心转动。从工程防护的角度看，这是一种偏于保守的假定。(4)滚石的运动分为几个主要的运动形式，每一种运动形式都有其相应的特点和假设。边坡滚石运动的形式主要有4种: (1)滚石的滑动; (2)滚石的自由飞落; (3)滚石的碰撞弹跳; (4)滚石的滚动。对于某一具体的边坡滚石，可能并不是每一种形式都存在，这取决于边坡的形状、边坡坡面的地质力学特点以及滚石的力学性质等因素。1、滚石的滑动滚石自由飞落的初始速度V 0。假设滚石在重力作用下由静止开始滑动，则滑动结束时的速度为：V = 2 g s ( sin a - cos a)，式中，g 为重力加速度，可取 9. 8m/ s2；为滑动摩擦系数，可以由现场的摩擦试验或经验取值; a 为边坡滑动段的坡度;s 为滑动距离; a 和s 可根据边坡的具体形状确定。这里将边坡简化为一个坡度为 a 的斜面。对于滚石运动结束阶段的滑动，设计所关心的是最终的滑动距离s，并以此来评估滚石灾害的影响范围。假设滑动前滚石的初速度为 V 0，那么至滚石停止滑动，总的滑动距离 s 可由下式估算：2、滚石的自由飞落图7：滚石的自由飞落模型碰撞点c处滚石的入射速度 V i ：式中： h 为滚石在防护结构设置处的撞击高度；V 为滚石在防护结构设置处的撞击速度。一旦碰撞点的位置和碰撞的入射速度确定后，就可以进一步分析滚石的碰撞及后续的运动轨迹了。3、滚石的碰撞弹跳图8：滚石的碰撞弹跳模型分别定义法向恢复系数 Rn 和切向恢复系数 Rt。Rn = v 2n / v 1n Rt= v 2 t/ v 1 t式中v 1n、v 1 t：碰撞前滚石沿法向和切向方向的速度分量 (m / s) ; v 2n、v 2 t ：碰撞后滚石沿法向和切向方向的速度分量 (m / s)。下表为为铁道部运输局推荐的法向和切向恢复系数的取值。四、滚石灾害防护方法1、两种防护理念滚石运动多种多样，滚石的防护必须采取刚柔结合的办法，这也是滚石防护的两种理念。目前常用的柔性防护系统包括柔性金属拦截网和柔性被覆系统，前者主要利用拦截网本身高柔性、高强度特征来进行滚石的能量消耗与拦截。后者实际上是一种主动的拦截系统，通过拦截固坡网与锚杆系统的结合，对边坡上可能松动的块体提前施加预应力作用，同时在固坡网上种植植被以达到良好治理的目的，兼顾生态景观。工程中常用的刚性支护系统主要是挡石墙和挡石墩，在一些柔性防护施工较为困难的情况下，同时为了给公路界定行车范围，也常常采取刚性支护办法，相对柔性支护而言，刚性支护施工难度不大，但施工量和投入均较大。2、三种防护手段滚石运动多种多样，滚石的防护必须采取刚柔结合的办法，这也是滚石防护的两种理念。目前常用的柔性防护系统包括柔性金属拦截网和柔性被覆系统，前者主要利用拦截网