落石运动研究现状的分析

李 林

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

落石运动研究现状的分析

李 林

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

落石是指在重力或者外力的条件下，经过一系列复杂的运动，最后在某处停下来的过程。主要介绍了目前国内外落石运动的研究，包括恢复系数和运动轨迹。并在此基础上，介绍落石灾害的防护措施和方法。

落石；落石灾害；防护

引言

落石是指在重力或者外力的条件下，经过一系列复杂的运动，最后在某处停下来的过程[1]。落石运动比较复杂，具有很强的随机性，同时是一种三维运动。

在过去的很长的一段时间，落石灾害没有受到大家充分的重视，然而随着我国经济的快速发展以及国家对西部经济的逐渐重视，国家不断投入大量资金进行基础建设，包括大量的公路和铁路工程建设。然而西部山区较多，例如像重庆、云南、贵州等地区，施工条件恶劣，无论是施工期间还是运营阶段，地质灾害事故包括落石灾害和其他灾害总是不断发生，给人民和国家都带来了巨大损失。

2002年5月，四川绵竹发生一起严重的落石事件。一块落石砸中一车辆导致总共18人死亡，14人受伤[2]。

在2015年3月19日，桂林发生一起严重的落石事件，总共导致7人死亡，25人不同程度受伤。诸如此类的落石灾害案例在我国能经常看到，网络上这类报道也是很多。尽管如此，随着我国不断加强基础建设，我们仍然会面临更多的落石灾害的挑战。因此相关落石运动的科研活动逐渐增多，对落石的研究也是从单个方面逐渐扩展到落石的方方面面，从落石的来源到落石灾害的防治与方法等[1]。

落石运动具有突发性、随机性的特点，和平时大家认为的滑坡、泥石流等地质灾害有着明显的区别，落石在失稳后经过大量复杂的运动，静止在坡脚。与滑坡相比，落石运动的运动速度更快速猛烈，没有固定的方向和沿面，是随机的三维运动，且原来的整体性被完全破坏[3]。

一、研究方法

对落石的研究就目前而言有三种方法，且都各自有自己的优缺点。①现场试验，其最大的优点是实验结果可信度高，但准备周期长，而且费用昂贵，并且受现场环境影响大；②模型试验，模型试验费用低廉，且不受现场环境的限制，针对性强结果直观，但是试验周期也较长；③数值模拟，其优点是简单方便，易于科研人员掌握且费用低廉，结果也更加直观有效，因此现如今数值模拟更受科研人员的欢迎。

目前科研人员对落石运动的研究主要在以下两个方面：①落石运动轨迹方程的推导计算，②落石灾害的防护措施和方法。其中，落石的运动轨迹是研究的重中之重，决定着防护措施位置的选择以及高度的选择。

二、落石运动轨迹的研究

(一)恢复系数

落石运动包含着有下落、回弹、跳跃、滚动等几个阶段，对于回弹阶段而言，落石反弹的恢复系数研究甚多，国内外专家学者都对其有所研究。

国外专家VincentLabiouse[12]发现，在落石运动轨迹建模中，当落石影响坡面时，跳跃现象是最难预测的，因为其复杂性和现如今非常有限的理解。而且到目前为止，在粗糙地面进行反弹是获取恢复系数的最好方法。为了更好的获得关于弹跳现象的相关知识，探讨各种相关系数的敏感因素，为此特地做了试验，同时介绍了试验测试设备和数据处理，并对各种因子做出分析。最后得出结论，反弹的恢复系数不仅仅取决于斜坡材料的特性，还与运动学(坡度和冲击速度)和块石(重量，大小，形状)有关。同时指出，很多将恢复系数看做常数的模型，其运动轨迹是需要讨论的，需要试验现场进行更多的观察和检查。

与此同时，FranckBourrier[13]对落石运动中的弹跳做了一定的研究。恢复系数很大程度上影响着运动轨迹，在相关研究中是非常重要的。他认为恢复系数的取值很多时候都是主观的，这是不科学的，正确的做法是现场进行校准。为了更好的研究反弹和恢复系数，建立了一个落石的三维仿真模型。并将模拟结果与现场试验进行了比较，发现模拟结果令人满意。因此建议，在恢复系数进行取值时，不妨尝试精确建模，这样得到的结果更为客观，对比主观的取值，显然更具有说服力。

国内学者也就恢复系数做了相关研究，试验表明，法向恢复系数与坡面材质和坡度相关，坡面越硬，法向恢复系数越大；坡度越大，法向恢复系数也越大[10]。除此之外，他们通过落石下落高度的不同，来表明落石与地面接触时的不同速度。最后发现，法向恢复系数与冲击速度关系不大。同时得到了块石本身物理性质(形状、大小等)也和法向恢复系数没关系。通过一系列的试验发现，现存法向恢复系数取值偏大，是保守的，并给出了自己总结的取值，当然主要是范围取值。

可以看出，对于落石恢复系数的取值和及其影响因子，中外学者得出的结论是不一致的，这值得我们的进一步关注该问题。也说明落石灾害的问题还需进一步研究。

(二)落石运动轨迹

在落石研究中，落石运动轨迹的研究占着重要的一部分。但因为落石运动复杂，边界条件和初始条件也复杂，而且其影响因素多类，所以得出的轨迹方程多种多样。

国内学者胡厚天通过研究罗依尼什维里教授的研究成果，并在其基础上，推导出落石崩落距离的计算公式。同时找到了计算运动轨迹和弹跳高度的计算方法[5]。

唐红梅和易朋莹从危岩的发育机理入手，将落石的运动分为初始位移阶段、碰撞阶段、滑动阶段、滚动阶段四个阶段。分别研究这四个阶段，并推导出相应阶段的轨迹方程[6]。在得到相关理论知识后，将其应用于计算实例，得出了可靠结论。

俸锦福，张俊红等人将落石运动全过程分为三个阶段。分别是滚动运动阶段、抛物运动阶段和坡面碰撞阶段。并采用了分段循环算法分别得到了三个运动阶段的运动速度计算公式[7]。同时将该方法运用于实际算例某岩质边坡，预测该边坡的落石运动轨迹，最终结果证明，该理论公式是合理的。最后还总结出来分段循环算法的三大优点：①计算原理简单，②考虑了运动轨迹的连续性，③便于科研人员使用。

杨海清，周小平将落石近似看成椭圆形，根据落石的五种形式，即自由落体运动、斜抛运动、碰撞、滑动和滚动，推导出每种运动形式的运动过程。因为想到落石与地面接触时会发生弹塑性变形，还推导出计算恢复系数的方法[4]。

为寻找落石运动与哪些要素相关，寻求落石运动特征、规律和相关参数，科研人员做了大量的相关试验。黄润秋按照正交设计现场滚石试验[8]。并由最后的试验结果得到了重要结论：斜坡坡度是落石运动的最关键因素。

除此之外，叶四桥等人对落石的运动模式进行现场试验。发现不管是什么形状，落石在经过大量复杂运动后，并没有大家所认为的滑动阶段[9]。从这一点来看，认为许多引入了滑动模式的计算模型是有待讨论的。

三、落石灾害的防护措施和方法

落石灾害是我国山地地区频繁发生的众多地质灾害之一，不仅给人民的生命财产带来了巨大威胁，还给国家带来了严重的损失，即使是小规模的落石，也会造成严重后果。因此很有必要，或者说是必须对其进行防治，以免出现造成更大的威胁。就目前而言，防治落石灾害的方法主要分为主动防护和被动防护措施两种，这两种是分别从不同角度出发的。主动技术从崩塌源角度出发进行防护，简单说就是避免落石的崩塌，例如锚固。而被动防护措施则是在发生落石后，怎么将落石拦截，以免造成更大的伤害，例如拦石墙[11]。

主动防护措施虽然可以从根源上避免落石灾害的发生，但即使被广泛采用的治理措施，比如说喷锚挂网、裂缝灌浆等，施工也较难，造价高，同时在人口密集情况受条件限制较大。然而像明洞、棚洞这些被动防护技术施工较为复杂，受现场施工环境限制大，因此拦挡结构如拦石墙更适用。刚性挡墙在我国很长一段时间都被采用，然而此项技术容易导致材料浪费，更甚者可能导致防护设施失效。目前我国普遍采用的是SNS柔性防护网，与传统典型的圬工建筑物相比，具有以下优点：①柔性大强度高，②对现场环境有着较高的适应能力不受其限制，③系统设计原理可靠易标准化，④作业施工简单快速强度小且不干扰正常运营，⑤维护工作量小简单，⑥系统寿命较长可达50年。

(References)

[1]张路青，杨志法，许兵.滚石与滚石灾害[J].工程地质学报，2004,12(03)：225-231.

[2]陈曙光，蔡青，谢先国.巨石砸中客车，十八死十四伤.北京青年报，2002.

[3]梁璋彬.崩塌落石的运动特征研究[D].成都理工大学，2008.

[4]杨海清，周小平.边坡落石运动轨迹计算新方法[J].岩土力学，2010，30(11)：3411-3416.

[5]朱彬.岩质边坡滚石运动特性及防护研究[D].重庆大学，2010.

[6]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)：17-23.

[7]俸锦福，张俊红，朱彬，等.边坡滚石运动轨迹分段循环算法[J].中国地质灾害与防治学报，2012，22(4)：96-101.

[8]黄润秋，刘卫华.基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(05)：882-891.

[9]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)：18-23.

[10]叶四桥，巩尚卿.落石碰撞法向恢复系数的模型试验研究[J].中国铁道科学，2015，36(04)：13-19.

[11]叶四桥.隧道洞口段落石灾害研究与防治[D].西南交通大学，2008.

[12]Labiouse V,Heidenreich B.Half-scale experimental study of rockfall impacts on sandy slopes[J].Natural Hazards & Earth System Sciences & Discussions,2009,9(6):1981-1993.

[13]Bourrier F,Dorren L,Nicot F,et al.Toward objective rockfall trajectory simulation using a stochastic impact model[J].Geomorphology,2009,110(s 3-4):68-79.