防灾减灾科学与工程 课件 第4章-崩塌落石灾害

第4章崩塌落石灾害第4章崩塌落石灾害知识目标（1） 掌握崩塌落石形成的内在与外在因素（2） 熟悉常用危岩体稳定性分析方法（3） 掌握危岩体稳定性定量计算方法（4） 熟悉常见崩塌落石运动轨迹分析方法（5） 了解崩塌落石防治设计的主要方法能力目标（1） 能结合实际工程地质条件，分析崩塌落石成因（2） 掌握崩塌落石运动特征，确定危害范围（3） 能根据危岩体类型，采用合适的稳定性定量分析方法，进行稳定性计算【本章学习目标】目录4.1崩塌落石成因4.2危岩体稳定性分析4.3崩塌落石运动学分析4.4崩塌落石灾害防治目录4.1崩塌落石成因4.2

危岩体稳定性分析4.3

崩塌落石运动学分析4.4

崩塌落石灾害防治定义：崩塌是陡坡上的巨大岩体或土体，在重力和其他外力作用下，突然向下崩落，顺坡猛烈地翻滚、跳跃、碰撞等，最终堆积于坡脚的地质现象

落石一般指陡坡上的单个块石或局部岩体，在地质作用及外界作用的综合影响下，失稳脱离边坡，以自由落体、滚动、滑动、碰撞等运动方式快速向下运动危害：灾害规模一般较小，但由于其发生频率高，突发性强，常给周边公路交通、铁路交通、桥梁、房屋建筑等基础设施带来极大的破坏第4章崩塌落石灾害（b）典型落石灾害（2017年，云南鲁甸红石岩震损边坡）4.1崩塌落石成因（a）典型崩塌灾害（2013年，贵州凯里）内部因素地形地貌、地层岩性、岩体结构、地质构造、岩石物理力学性质……第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因崩塌落石诱发因素外部因素降雨、气温、植物作用、地震、卸荷作用、人类活动……崩塌落石的形成必须具备两个方面的条件，第一是要有崩塌落石的来源：边坡上接近失稳的危岩体；第二是具备促使危岩体发生突然失稳的外部因素。地形地貌条件崩塌落石实际上是危岩体失稳后，在重力的作用下岩土体沿着边坡的几何边界先加速后减速，最后停留堆积在低洼处的过程。地形条件是崩塌落石形成的基本条件，崩塌落石形成需边坡具有足够坡度和坡高第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：岩体自身因素不同坡度崩塌落石的运动方式边坡的坡度越大，边坡上岩土体的重力沿边坡切向的分量越大，法向分量越小，

，崩塌落石越容易发生。较陡边坡的落石运动形式通常包含滑动、滚动、跳跃、自由落体等多种形式<30°：危岩体稳定性高，难形成落石；30°–60°：岩土体加速运动，运动速度高；60°：自由落体或斜抛运动，碰撞破碎明显滑动倾向增强支撑力减弱地形地貌条件崩塌落石绝大多数发生在高度大于20m以上的边坡上坡高越高，边坡的竖向自重应力越大，坡表向临空面的水平变形越大，加剧坡表压致拉裂纹的形成和扩展，使得岩体结构更加破碎，提高了崩塌落石灾害的发生概率。随着坡高的增加，崩塌后的岩土体加速运动阶段延长、岩土体的运动速度增高，使得碰撞破碎与边坡冲蚀加剧，会持续引发运动路径上其他危岩体的失稳，最终导致更大规模的碎屑流灾害第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：岩体自身因素坡形：凹坡

→

自由落体；凸坡

→

滑塌型；台阶坡

→

倾倒式和跳跃式地层岩性边坡的地层岩性对落石的形成有直接影响；从边坡的岩土构成角度而言，可能发生崩塌落石的边坡包括两类，受节理裂隙切割的岩质边坡和堆积物边坡，高陡岩质边坡存在较高的崩塌落石灾害风险第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：岩体自身因素

(1)岩质边坡倾倒式崩塌：当坚硬岩层下覆有软弱的岩层时，软弱岩层风化速度快，上部与上部岩层的差异性风化极易形成空腔，从而促使悬空的坚硬岩石产生张拉裂隙，节理裂隙相互切割贯通，为崩塌落石的形成提供了可能压碎式崩塌：当下部岩层强度降低到不能承担上部岩层的压应力，下部岩层压碎剪断使上部岩体崩塌倾倒压碎式崩塌地层岩性第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：岩体自身因素

(2)堆积物边坡堆积物边坡常含有大小不等的孤石，直径能够达到数10米。这些大孤石镶嵌在土体中，暂时处于稳定状态；在强降雨作用下，孤石周围土体易被冲刷带走，镶嵌结构易被破坏，使得孤石稳定性逐渐降低，存在崩塌落石灾害风险堆积物边坡落石灾害示意图地质构造地质构造运动常导致不同规模的断层、褶皱、节理、劈理等。当这些构造地质现象表现在某一边坡上，往往是控制边坡稳定性及变形破坏特征的关键第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：岩体自身因素

(1)断层断层是地质灾害的直接源头：断层破坏了岩层的连续性和完整性，形成的破碎带和陡峭地貌为崩塌落石灾害提供物质来源和成灾条件地下水加剧了灾害风险：作为地下水通道，地下水侵蚀会进一步劣化岩体结构，产生的静、动水压力更是危岩体失稳的关键诱因按断层两盘相对运动划分的断层地质构造第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：岩体自身因素

(2)褶皱褶皱是岩石或岩层受力发生的弯曲变形，是地壳中一种常见的构造形式褶皱的核部因岩层弯曲剧烈，导致岩层破碎、裂隙发育，是崩塌落石灾害易发区域在褶皱的形成过程中两翼岩层发生剪切位移，存在大量的软弱夹层和层面。当岩层走向与临空坡面一致时，高陡的一翼极易发生顺层滑动或倾覆失稳褶皱的不同形态地质构造第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素1：岩体自身因素

(3)节理节理是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造，它是地壳上部岩石中发育最广泛的一种构造各种大量发育的节理将边坡切割成块状结构或碎裂状结构，为崩塌落石提供了直接、大量的物质来源倾倒式崩塌坠落式崩塌岩体结构岩体结构是指岩体中结构面和结构体的排列组合特征，直接决定了岩体的稳定性和成灾模式层状结构岩体（如沉积岩）强度低、易劣化，成害模式受层面与坡面空间关系的控制，可出现顺层滑移、差异风化脱落、弯曲倾倒等多种崩塌类型，是典型的灾害易发结构沉积岩中不同岩层力学性质差异较大，容易形成非常不利于坡面稳定的地形地貌，使得崩塌落石常发生在节理和层面交叉切割的岩体结构中第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素1：岩体自身因素层状岩体滑塌式崩塌整体状：稳定性好，少发生崩塌落石块状：稳定性仍好，但极端条件下存在局部滑移可能层状：结构面强度低、易劣化，易滑塌、坠落碎裂状：结构面发育，地震降雨下易失稳散体状：极易崩塌落石，稳定性极差崩塌发生可能性增加地震地震对危岩体稳定性的不利影响体现在地震加速度带来的附加惯性力水平地震作用会使得危岩体具有指向坡外的惯性力，使得危岩体的动态稳定性显著降低地震作用会进一步劣化岩体结构、降低结构面强度，削弱危岩体的长期稳定性，诱发大规模的崩塌落石灾害第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：外部动力因素卸荷作用卸荷作用是岩体在形成临空面后，因内部应力释放而发生回弹松弛的过程，是斜坡岩体浅表改造的一种重要外生应力当卸荷回弹形成的卸荷裂隙中有水存在时，所产生的静水压力会形成倾覆力矩，一旦超过岩体内部抗力矩，便会引发岩体弯折破坏，最终触发落石灾害人类活动农业灌溉、人工开挖、坡面上的人工活动：开挖后的岩体往往处于欠稳定状态，在其他因素的诱发作用下，很容易沿着坡面向下运动，形成落石灾害人工爆破、重型设备或车辆等产生的震动：显著影响边坡危岩体的动态稳定性，人类工程活动诱发的震动不仅导致岩体产生新的裂隙，还可直接削弱岩土体的强度或直接导致危岩体松动第4章崩塌落石灾害4.1崩塌落石成因诱发因素：外部动力因素坡脚开挖人工爆破农业灌溉目录4.1

崩塌落石成因4.2危岩体稳定性分析4.3

崩塌落石运动学分析4.4

崩塌落石灾害防治风险评估手段：危岩体稳定性分析方法可分为定性分析、半定量分析以及定量分析小型、中型危岩体：定性评价为主大型危岩体：一般采用半定量评价方法特大型危岩体：一般采用定性与定量相结合的方式开展全面深入地分析和评价第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析危岩体是什么？——尚未完全脱离母岩，但处于欠稳定状态的岩体，具有潜在的危险性定性分析危岩体稳定性定性分析方法主要包括自然历史分析方法、工程地质类比法、赤平投影法等第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价稳定性评价地形坡度结构面特征岩体结构备注稳定性极差地形陡，坡度一般大于45°结构面普遍张开，部分充填岩屑及次生泥，岩体松动，结构面不利组合完备块裂或碎裂结构结构面不利组合完备指存在顺坡结构面或两组结构面交线顺坡、倾角小于坡角且大于结构面摩擦角，可采用赤平投影定性分析及根据蒋爵光赤平投影法算得其稳定系数中值小于1；较完备指存在顺坡结构面或两组结构面交线顺坡、倾角小于坡角，主控结构面非连续，可根据蒋爵光赤平投影法算或数值解法得其稳定系数1≤K≤11.10。凡结构面不利组合完备均为稳定性极差。斜坡上孤石及破碎岩体则以地形坡度及植被发育为主要判别条件稳定性差地形坡度一般37°~45°结构面张开，无充填或部分充填，不利组合较完备块裂或次块状结构稳定性较差地形坡度般30°~37°结构面部分张开或闭合无充填，不利组合较完备或不完备镶嵌或次块状结构中小型危岩体稳定性可根据表进行定性分析中小型危岩体稳定性定性分析表定性分析第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价赤平投影法主要是根据地形坡度、结构面性状及其组合关系、岩体结构特征等定性分析危岩体可能的失稳破坏模式，适用于中小型危岩体稳定性的统计分析，也可作为特大型危岩体稳定性分析的参考。常用的赤平投影法主要包括大圆分析法和极点分析法

(1)大圆分析法大圆分析法将各组结构面的产状以大圆形式表示，通过比较结构面投影大圆或两组结构面交线与坡面投影大圆及摩擦圆之间的相对位置关系，对边坡稳定性进行判别当代表性结构面或两组结构面交线的倾角小于坡面倾角，且均位于摩擦圆以内时，危岩体处于潜在不稳定状态大圆分析法不稳定定性分析第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价

(2)极点分析法极点分析法将各结构面产状以极点表示。首先，在赤平投影平面上绘出可能发生滑动和倾倒的破坏区；然后，根据结构面及其交线的极点是否落入这些区域，判断危岩体稳定性当某结构面或交线的极点落入滑动区或倾倒区时，说明结构面或危岩体存在潜在滑动或倾倒破坏的风险极点分析法半定量评价方法第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价采用专家打分法，综合考虑地形地貌、地层岩性、结构面特性、结构面组合等关键影响因素，确定各因素的危岩体稳定性评分，然后综合计算得到危岩体稳定性评分0~25分，稳定性极差；25~45分，稳定性差；45~65分，稳定性较差定量分析第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价依据边坡与工程关系、组成物质、坡体结构、存在时间、边坡坡度、边坡坡高等特征进行分类依据边坡岩土体结构特征，分析影响边坡稳定性的环境和工程因素，确定边坡可能的变形破坏模式和边界条件，选取岩土体物理力学性质参数，分析计算中的各种荷载组合、确定合适的计算方法，进行边坡稳定计算与综合评价定量分析第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价作用在危岩体上的荷载包括危岩体自重、裂隙水压力（天然状态、暴雨状态）和地震力，按照出现频率拟定三种荷载组合（工况）：组合一：自重+裂隙水压力（天然状态）（倾倒式危岩可不考虑）组合二：自重+裂隙水压力（暴雨状态）（坠落式危岩可不考虑）组合三：自重+裂隙水压力（天然状态）+地震力三种荷载组合中，计算所得危岩稳定系数最小者为设计荷载，而对于处于特大型水利工程区（如三峡库区）或高频率强烈地震区（如横断山区）的一级防治工程设计荷载组合调整为“自重十裂隙水压力（暴雨状态）十地震力”定量分析第4章崩塌落石灾害4.2危岩体稳定性分析定性与评价在进行危岩稳定系数计算时，可将危岩体视为完全刚性块体，采用极限平衡理论推导不同类型危岩在不同荷载组合下的稳定系数计算方法圆弧形滑动分析法适用于碎裂型危岩体平面滑动分析法、楔形体滑动分析法和折线型滑面滑动分析法适用于滑塌式危岩体倾倒破坏分析法和坠落式分析方法适用倾倒式危岩体目录4.1

崩塌落石成因4.2

危岩体稳定性分析4.3崩塌落石运动学分析4.4

崩塌落石灾害防治运动特征分析：是评价特定区域崩塌落石危害性的关键基础，崩塌落石的运动速度、弹跳高度和空间分布是防护措施设计的关键指标集中质量点法将落石简化为具有质量无尺寸概念的点刚体运动法将落石视为刚体，可以是球体、立方体、圆柱体、椭球体或者任意不规则的块体，刚体运动法能够充分考虑落石外形对运动特征的影响第4章崩塌落石灾害4.3崩塌落石运动学分析落石运动示意图混合法是将集中质量点法和刚体运动法相结合，在模拟自由落体运动时，采用集中质量点法，在模拟碰撞、滚动和回弹时，采用刚体运动法落石运动轨迹计算大都将落石与地面的碰撞简化为点-面碰撞滑动运动第4章崩塌落石灾害4.3崩塌落石运动学分析运动形式在落石运动的开始和结束阶段，尤其是在边坡坡度较缓且坡面光滑的坡段上，可能会发生落石的滑动。但滑动距离不大，一般仅有几厘米到几米不等。由于滑动摩擦力能够快速耗能落石的运动动能，滑动阶段落石的速度往往很低。对于落石运动的初始启滑阶段，假设落石在重力作用下由静止开始滑动，根据牛顿运动定律，计算得到的滑动速度如式

式中:g

为重力加速度，μ

为滑动摩擦系数，α

为滑动段边坡的坡度，s

为滑动距离。自由落体运动第4章崩塌落石灾害4.3崩塌落石运动学分析运动形式落石能否发生自由落体运动与边坡剖面的形状、落石的初始运动形式等有关。在边坡坡角突变的位置，以及碰撞回弹后，落石往往以自由落体运动为主在重力作用下，落石的重力势能转换为动能，忽略落石飞行时空气阻力的影响，落石的自由落体可以描述为一种简单的抛体运动，运动轨迹为一系列碰撞点之间的抛物线采用牛顿运动定律结合剖面的几何数据计算得到自由落体运动轨迹滚动运动采用圆形刚体运动法分析落石运动轨迹时，常引入滚动摩擦系数和抗转动阻尼系数来构建滚动的动力方程

滚动运动第4章崩塌落石灾害4.3崩塌落石运动学分析运动形式

式中，I

为转动惯量，M

为落石质量，R

为落石半径，θ为转角，k为抗转动阻尼系数，α为坡脚，Δ为重力垂直于边坡的分量与边坡对落石法向支持力间的距离，Δ/R即为滚动摩擦系数圆形刚体滚动分析示意图目录4.1

崩塌落石成因4.2

危岩体稳定性分析4.3

崩塌落石运动学分析4.4崩塌落石灾害防治地质灾害防治：地质灾害防治工作，应当坚持以预防为主，避让与治理相结合和全面规划、突出重点的原则第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护技术的防治理念在于增强危岩体的稳定性，阻止其发生崩落，适用于危岩体个数、分布和范围均已确定的情形，以及大型危岩、崩塌体的治理主动防护设计支撑通过人工支撑体增强危岩体稳定性，适用于位置明确且支撑条件良好的危岩体支撑体材质可选石砌、水泥混凝土或钢筋混凝土，形式可为墙式、柱式或拱式，设计时需兼顾经济性、技术可行性及地质条件。第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护设计锚固锚固技术是利用锚索、锚杆对有失稳可能的危岩体进行锚固，通过锚固力提供抵抗危岩体下滑力或倾覆力矩，从而保证危岩体的稳定重点关注：（1）陡崖上施作锚固工程的适宜性问题

（2）锚固工程对原岩的扰动问题（3）锚固体的防腐问题边坡喷锚支护结构示意图混凝土面板对锚固力的传压过程基于传力原理的简化结构受力第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护设计填充、勾缝填充、勾缝严格上讲是一种辅助技术类型，通过对陡崖顶部或岩体表面裂隙的填充和勾缝处理，达到阻止水体入渗、增强危岩体稳定性的目的插别插别技术是铁路系统较早采用的一种主动防治技术原理是在危岩体底部设置钢轨、钢筋混凝土等悬挑梁式构件，从而为危岩体提供支撑，通常在支撑高度太大、锚固技术经济不合理时采用，一般用于小型危岩体的治理第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护设计嵌补、封填岩腔岩腔的形成和扩展是危岩体稳定性劣化的重要影响因素，常见于软硬相间的地层岩腔的嵌补和封填是一种简单有效的防治措施，通常以圬工砌体对岩腔进行嵌补、封填处理，阻止岩腔的扩展，并对岩腔顶部岩体提供支撑通常在岩腔较小时采用，岩腔较大时出于经济性的考虑可采用支撑技术，并以水泥砂浆、水泥混凝土等封闭支撑体间的软弱岩层，阻止风化作用下的岩腔扩展嵌补防治技术第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护设计主动防护网主动防护网是近年来兴起的柔性防护技术，通过钢丝网、锚固系统对不稳定危岩块体提供支持力主动防护网施工快捷、构件标准化、经济性较好、环境影响小，主要施工特点类似于锚固技术，适用于小型、浅表层危岩体的防治第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护设计注浆与排水注浆与排水是辅助性的防治技术，难以量化对稳定性的直接作用，但其经济有效性突出，是危岩防治工程中必须采用的防治技术注浆：在陡崖顶部钻孔，钻孔深度要求穿透裂隙密集的卸荷带，注入水泥浆、水泥砂浆或化学浆液，封闭裂隙、增强岩体完整性和抗剪强度，提高稳定性排水：分为危岩体外围截排水和内部疏排。外部设置截排水沟，以阻止地表水体入渗；内部通过仰斜钻孔排水。对于有内部泉流的情形必须设置排水孔第4章崩塌落石灾害4.4崩塌落石灾害防治主动防护设计清除危岩体清除传统且经济的防治方法，简单、经济，通常适用于单个、外悬的危岩体按清除方式不同可分为人工、爆破和药剂清除（1）人工采用简单机械、手工清除危岩体，对原岩扰动较小，但效率较低（2）爆破清除适用于大体积危岩体整体清除，对安全性要求较高，但易引起陡崖岩体松动，产生后续隐患（3）药剂清除也称静态爆破，向岩体裂隙内注入膨胀剂使危岩体崩落清除仅去除表层不稳定块体，