典型危岩崩塌落石运动计算分析方法

综述CONSTRUCTION1　引言根据岩块从陡坡上崩落到斜坡或平台停止运动的过程记录，可以把落石运动轨迹方式分为坠落、跳动、滑动、滚动。实际勘查工程，危岩崩落后运动多以坠落+跳动+滑动或滚动为主的组合方式，作为典型的危岩勘察工作，落石运动计算主要为后期设计提供被动支护依据，其计算过程可以进行一定的明确和简化。常见的被动支护结构有拦石网、拦石墙、落石平台或落石槽、拦石堤等，而勘察工作中与之有关的参数为落石的距离，可以通过实地调查危岩带与地面的岩体与的距离确定，一般以调查为主、计算为辅，设计工作与之有关的参数为危岩的弹跳高度、冲击的能量，这些是确定落石槽宽度、缓冲垫层厚度、拦截结构高度的重要依据，一般以计算为主，调查为辅。综上所述，治理设计需进行危岩落石的速度计算、腾跃计算、撞击能量计算、滚落距离计算。2　速度计算危岩崩塌落石下落的最终速度不仅与开始崩落的高度有关，而且与崩塌体的体积、重量有关，另外非直落式落石的运动还与山坡的坡度以及坡面上的被都有密切关系。对于典型崩塌落石的速度计算，采用苏联尼.米.罗依尼什维里教授提出的落石运动速度的计算方法，按折线形山坡计算。此计算适用于折线形山坡，各坡段的坡度角α为30°～60°，各段的长度超过10m，相邻的坡度α相差5°以上。其中最高一个坡段的速度按下式计算：2gHHν=µ=ε1cotkµ=−a2gε=µ式中：H一石块坠落高度（m），一重力加速度（m/s2），a一山坡坡度角（°），K—石块沿山坡运动所受一切有关因素综合影响的阻力特性系数，可采用表1所列公式计算。表1　阻力特性系数K值计算公式表顺序山坡坡度角K值计算公式10°~30°0.410.0043K=+a230°~60°20.5430.00480.000162K=−a+a360°~90°21.050.01250.0000025K=−a+a注：K值计算公式可用于下列各种山坡：①045a≥基岩外露的山坡；②a=35°～40°基岩外露，局部有草和稀疏灌木的山坡；③a=30°～35°有草，稀疏灌木，局部基岩外露的山坡；④a=25°～30°有草，稀疏灌木的山坡。其余坡段终端速度按以下公式计算：2220201()()2(1cot)()jiiiiiiighKiHν=ν+−a=ν+ε式中：0()iν—石块运动所考虑坡段的起点的初速度，可按不同情况考虑：；；()ia—所考虑坡段的坡度角（度）；(1)i−a—为相邻的前一段坡度角（度）；1ji−ν()—石块在前一坡段终端的运动速度（2/sm）。3　落石腾跃计算落石腾越计算主要是求算石块运动轨迹与山坡面的最大偏离，从而确定拦截建筑物的高度和建筑物与山坡坡角间的最小距离。落石的运动形式在理论上可以按照质点或球体在斜坡上的运动轨迹曲线来表示（图1），因此落石运动时距离斜坡面的最大距离可以计算。图1　运动轨迹曲线根据运动学原理，岩石在向下崩落的过程中，应该是第一次碰撞时与斜坡面的距离是最大的。其运动轨迹的方程式为：220cot2singxyxv=+ββ式中：0v一崩塌体在该斜坡面的初速度；β一岩石的反射速度方向与Y轴的夹角；g为重力加速度。典型危岩崩塌落石运动计算分析方法王登峰　蔺化栋重庆一三六地质队　重庆渝北　401144摘　要：危岩崩塌是陡坡上岩体突然急剧的向下倾倒、崩落、翻滚和跳跃等的一种动力地质现象。通常在地质勘查阶段采用调查及计算互相印证，而计算在地质勘查行业相关规范中没有明确的方法与规定，本文主要总结一种典型危岩运动计算分析方法，通过这些方法在勘察工作中为设计提供较为准确的地质依据。关键词：危岩；运动计算；参数计算中图分类号：C32 文献标识码：A第5卷　第16期2015年6月综述CONSTRUCTION据此计算出质点运动轨迹在水平方向斜坡上距离斜坡的最大距离为：220max2(tancot)2tan(1cot)vLga−β=a+βmaxmaxtanHL=a4　撞击能量计算根据动能公式计算岩体的撞击能量。5　计算落石滚落距离（1）斜坡坡度与落石运动方式的关系危岩体发生破坏，其运动方式受下部斜坡的物质组成、边坡坡度等的影响，运动距离各不相同。根据R·M·Spang（1978）的研究成果，崩落体只有坡度角小于一定临界值（约27°）时，才停积于崖脚，随坡度角增大，可分别表现为滑动、滚动、跳跃和自由崩落等方式，大部分或全部堆积于坡脚。（2）计算模型及其方法崩塌形成后，落石向下运动，当落石坠落在斜坡表面，因碰撞作用，能量发生变化，部分能量消耗在碰撞过程中，一部分能量将使落石在坡面上继续运动，根据能量的转换可计算落石的运动距离。根据本文第2节可以计算出落石第一次碰撞前夕的速度V，根据地形可以计算出碰撞时的切向速度vt与法向速度vn，以及Vt与Vn的夹角β。落石与斜坡松散岩层坡面的法向碰撞可认为是对心塑性碰撞，Vn=0，切向损失率采用10%。所以，落石第一次在斜坡上碰撞后维持其继续运动的能力为1/2m（0.9vt）2，块石在斜坡上的继续运动是以滚动和滑动为主的综合形式。为了计算方便，可简化为沿斜坡的综合摩擦运动来分析，落石的势能变化等于动能变化和克服摩擦所做的功：式中：Vi——落石在斜坡面上任意位置处所具有的速度（m/s）；αi——各直线段斜坡的平均坡度；Δhi——各直线段斜坡的垂直高度（m）；Φr——落石与坡面之间的综合摩擦角；Li——各直线段斜坡的长度（m）。当末速度Vi=0时，便可求得ΣLi，ΣLi·cosαi就是崩塌的最大水平运动距离。危岩崩塌落距计算应综合考虑现场调查现有各危岩带块体规模大小、地形条件、现有地面岩块等多方面因素，利用上述公式计算，确定危岩体崩塌落石的运动距离。6　结语实际上，危岩崩塌落石的运动受到多种因素的影响，如岩性、形状、碰撞部位、碰撞碎裂等，国内外学者多年来开展了多方向的深入研究，本文仅仅针对典型危岩崩塌落石的计算方法进行总结，可见理论计算方法是较为繁琐复杂的，而这些计算主要为危岩治理设计提供依据。实际工程中，危岩治理往往以主动防护为主，危岩的运动计算应用面相对较窄。笔者建议应建立完整的崩塌落石评价体系，对其计算分析应进行的简化，这些简化过程主要在的生产工作中逐步探索。参考文献：[1]林宗元，《岩土工程勘察设计手册》，辽宁科学技术出版社，1996[2]胡厚田，《崩塌与落石》，中国铁道出版社，1989。作者简介：1.王登峰，（1983.1.22），男，重庆市江北区，现供职重庆一三六地质队，水文地质与工程地质中级职称，土木工程学士学位，研究方向水文地质与工程地质。2.蔺化栋，（1979.12.22），男，重庆市江北区，现供职重庆一三六地质队，水文地质与工程地质中级职称，岩土工程学士学位，研究方向工程地质。第5卷　第16期2015年6月4693文章被我刊收录，以上为全文。此文章编码：2015J