公路边坡落石运动特征的研究

程培峰，闫姝音，曹立智

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150040)

落石是山区三大地质灾害之一[1-3]，主要受地形地貌、地层岩性、地质构造作用，还有风化作用以及其他外界因素的影响1。在人工开挖的路堑边坡或天然斜坡中，经常发生落石灾害。目前人们为了减少或降低落石对公路交通造成的危害，主要是设置防护设施，拦截沿山坡滚落下来的石块，由于对落石的运动路径和运动特征掌握不足，致使有的设施结构强度过高，或有的设施被落石撞坏失去作用，出现落石破坏和伤亡事故，因此研究落石下落的运动形式、运动的路径以及速度的大小是进行落石防护设施合理设计的当务之急[4]。

1 试验场地及方案

试验斜坡为折线形，斜坡为陡坡、缓坡相结合组成，图1、图2为现场试验斜坡的纵断面形式和现场试验斜坡。A-B段为5.4 m竖直岩壁；B-C段约为38°有少量枯草的土质边坡，坡面较平整，坡长为16 m；C-D段，大部分坡面基岩外露、少量植物覆盖，约为45°，但斜坡表面凹凸起伏，有少量枯草，坡长为30 m。在斜坡横断面方向上，自C点向下每隔2 m固定一定长度的红布条，有利于清晰记录落石弹跳碰撞后的落点位置。

试验选取40 kg和80 kg两种重量的石块，选择两个下落点，斜坡顶部A点和斜坡中部E点，同一下落位置分别选择8块质量近似相等，形状为球状、方块状的不同坚硬岩块进行试验，共计32块。

图1 试验斜坡的纵断面图(距离单位：m)

图2 落石试验现场斜坡图

2 试验结果与分析

人工搬运岩块下落时，A点、E点(见图1)为标记的红布条中间位置的纵向连线与指定高度斜坡横断面方向的交点，有利于记录落石下落后的左右偏移量，初始速度记录为0.5 m/s，落石下落过程中，利用摄影记录石块的运动方式、下落时间、轨迹转换点、碰撞点,对每块落石做好记录，直至全部完成。

2.1 落石的下落过程

岩块在A点下落时，以起始速度0做自由落体运动，速度大小不断增加，与B-C段斜坡碰撞，落石初次碰撞后弹跳，继续以滚动方式向下运动。B-C段到C-D段为缓坡到陡坡，斜坡坡度变陡，有坚硬基岩外露，落石碰撞后以跳跃模式向下运动，弹跳距离随着速度不断增大而增加。在石块与坡面碰撞过程中，落石反射方向各有不同，产生的碰撞点也不同，停落位置分散，在C-D段碰撞的次数主要是2次、3次。

E点在B-C段中部，落石以初速度0下落，岩块运动初期以滚滑的形式向下运动，运动速度不断增加。到达C-D段，斜坡坡度变陡，基岩外露，与斜坡碰撞，但下落到C点时的速度小，落石碰撞后弹跳距离短，并伴有快速的滚动，因而在CD段落石以碰撞弹跳与滚动的运动形式下落，碰撞次数以3、4次为主。

2.2 落石运动速度的分析

在A点、E点将质量相等8块不同的80 kg、40 kg的石块分别从斜坡上下落，下落过程中经历了自由落体、滚动、碰撞弹跳到达D点。由于坡度陡、坡面凹凸明显，没有明显的滑动段，根据记录的碰撞点、碰撞次数和下落的时间，表1、表2为下落时间、速度的范围、平均值的统计。

表1 A点下落各项统计指标

表2 E点下落各项统计指标

现场落石试验时，试验坡面不是均质的岩体，性状不完全相同，落石下落过程具有随机性。落石在相同高度下落时，速度大小各异，但都是在某一数值附近上下波动，而碰撞损失能量，碰撞次数多的落石速度值较小。从A点下落的落石与斜坡的碰撞次数比从E点的少，落石在A点下落到发生碰撞弹跳的斜坡CD段时水平分向速度大，因此跳跃的水平距离远，与坡面碰撞次数少。

3 Rockfall模拟落石下落

Rockfall是评估斜坡上落石风险的统计分析程序，在程序中斜坡决定了落石的能量、速度和弹跳高度和落点位置，可以改变斜坡段的材料性能重新分析计算进行结果比较，考虑了边坡的尺寸、边坡的法向恢复系数、切向恢复系数、坡面的粗糙度、摩擦系数以及落石发生的位置、质量、初速度等，模拟得到运动速度、弹跳高度、运动轨迹以及它们的统计结果，落石的能量、跳跃位置能够帮助确定防护措施设置的能级和高度[5]。

对现场落石试验进行数值模拟分析，首先根据试验边坡确定边坡的轮廓线，试验边坡凸凹变化比较大，可以看作小幅度的坡度变化，但其长度短，这里将其看作相同坡度。其次是根据边坡的性质确定边坡的法向恢复系数、切向恢复系数、坡面的粗糙度和摩擦系数。最后，确定落石的下落位置以及落石的初速度，落石起始的初速度较小，所取数值为0.5 m/s。

模拟20个质量为40 kg的落石在A点下落，如图3所示为落石下落的轨迹，落石到达坡脚D点的速度分布如图4所示。

图3 落石下落轨迹图

从图3中可以看出，在A点下落的40 kg的落石运动轨迹各不相同，从90°的岩壁下落时以坠落的方式下落，到达B点后与坡面碰撞，小幅度跳跃后以滚动的方式继续运动，到达CD段后，坡度变陡，落石以跃跳的方式下落，与坡面碰撞次数都是以2、3次为主。从图4可以看出，落石下落速度各不相同，速度大小从6.6 m/s到20.8 m/s，充分反映了落石下落的随机性。

利用Rockfall数值模拟落石运动时，落石在不同坡段的运动方式与现场试验相同，特点相似，落石试验得出的速度范围与数值模拟得出的结果相近，因而利用Rockfall模拟落石下落能够反映落石的真实下落情况。现场落石试验时，由于条件限制，现场试验次数有限，而Rockfall可以进行多次模拟，使结果更全面和准确，能够充分考虑落石下落过程中可能出现的各种情况[6-11]。

图4 落石到达D点时速度分布图

4 结 论

(1)落石下落过程中，落石的下落方式为自由落体、滑动、滚动、跳跃，在坡面性质和落石本身的影响下，以不同的下落方式向下运动。

(2)落石下落过程具有随机性，相同高度、质量和相同高度、不同质量的落石运动轨迹各不相同，速度值的大小也各不相等。因此，在进行落石防护时，根据落石的速度设置防护能级时，要具有一定的安全系数，有效防止落石灾害的发生。

(3)利用Rockfall模拟数值能够反映现场落石的真实情况，在不同坡段上的运动方式相同，特点相似，得出的速度范围结果相近，因而，通过现场试验与数值模拟相结合，为研究落石特征的研究提供更加可靠的依据。

【参 考 文 献】

[1]黄润秋，刘卫华.滚石在平台上的运动特征分析[J].地球科学进展,2008，23(5)：517-523.

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[3]唐红梅，易朋莹.危岩落石运动路径研究[[J].重庆建筑大学学报,2003，25(1)：2-5.

[4]叶四桥，陈洪凯，许 江.落石运动模式与运动特征现场试验研究[J].土木建筑与环境工程,2011，33(2)，2-6.

[5]杨仲元.道路边坡危岩落石运动路径研究[J].公路交通科技,2010，27(1)，1-4.

[6]张路青，杨志法，许 兵.滚石与滚石灾害[J].工程地质学报,2004，12(3)，1-5.

[7]朱 彬.岩质边坡滚石运动特性及防护研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[8]单 炜，王福亮.公路植物护坡水文与力学效应的理论研究[J].森林工程，2007，23(6)：43-46.

[9]杨和平.极限平衡法与有限元强度折减法对某公路边坡挡土墙稳定性分析[J].公路工程，2012(3)：180-183.

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