浅析不同边坡下滚石的运动轨迹

2019-06-06

福建质量管理 2019年10期

(湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭 411201)

滚石是常见的一种地质灾害现象，特别是经过山区的公路深受其边坡滚石的危害。影响因素主要包括滚石的性质、边坡的性质、人为因素、自然因素。其中滚石的性质主要包括滚石的岩性、大小、形状、质量等；边坡的性质主要包括边坡坡度、边坡岩性、地质构造作用和边坡结构情况等；诱发滚石自然因素主要有降水、风化、震动、植被等；人为因素主要包括工程施工干扰等。滚石灾害的发生可能是单一因素作用的结果，也可能是多种因素综合作用的结果。比如，在突发性暴雨或者持续强降雨时，发生滚石的概率就比较大；在人类活动较强的地区，危岩受到振动、冻融、工程活动等影响，滚石现象就更易于见到；在坡度较大的边坡，易于发生滚石；在泥石流、滑坡等地质灾害发生时，时常引发现场或者临近现场的滚石发生。

一、滚石的物源

当斜坡上的危岩体出现失稳时，危岩体在外力和自身重力作用下，会沿着斜坡向下运动，引发边坡滚石灾害。因此滚石的来源并不仅限于岩质边坡，其也可能来自于土质边坡中因失稳而脱落的卵石、砾石等，也可以来自岩土体混合类边坡，因此，滚石的物源主要可以从下面几个方面来分析[1]：(1)失稳后运动方式以垂直位移为主的危岩体；(2)岩质边坡上的岩体、土质边坡上的土体以及岩土体边坡上的混合体等因崩塌而分离出来的个别块体；(3)边坡发生滑坡后，从滑坡体中分离出的个别块体；(4)陡崖表面风化而剥落的块石，例如花岗岩球状风化产生的滚石；(5)因人为因素造成边坡或陡崖上的块石滑落。

二、坡度对滚石灾害的影响

坡度是滚石灾害的发生的重要因素之一。坡度越高，滚石越容易从边坡上滚下，形成滚石灾害。一般来说，坡角<25°时为平缓斜坡；坡角在25°～45°之间时，为中斜坡；坡角在45°～80°之间为急斜坡；坡角>80°时为高陡边坡。

崩塌滚石灾害大都发生在坡角>45°的急斜坡上。但当滚石及边坡条件合适时，边坡坡角在<45°，滚石也可能发生沿着边坡滚落的情况。最容易发生滚石灾害的坡角在55°～70°之间，坡角>70°时，则容易发生是滚石坠落的情况。

三、滚石的运动方式

根据边坡坡度的不同，滚石的运动方式大致可以分为4类：①滚石的滑动；②滚石的滚动；③滚石的碰撞弹跳；④滚石的自由飞落。但在实际情况下，滚石从边坡上滚下可能是这四种方式的合成[2]。

(一)滚石的滑动

滚石的滑动主要发生在滚石动能较小的时候，一般以滚石运动刚发生的阶段和快结束的阶段为主。滚石的滑动要求条件比较苛刻，一般只有边坡坡度较缓或者坡面摩擦力较小以及滚石的形状为块体结构才有可能会发生滚石的滑动。

(二)滚石的滚动

当斜坡坡度增加，滚石的形状以圆球形为主的时候，滚石在斜坡上往往会因为相应的摩擦力使滚石产生一定的转速，发生滚石的滚动。在重力作用下，滚石的转速和动能越来越高，往往会造成滚石灾害的发生。

(三)滚石的自由飞落

当斜坡的坡度≥70°时，发生运动的滚石由于具有一定的初速度和角速度，在重力作用下，由于边坡坡度过大，滚石没有边坡的阻挡，而一直以重力加速度向下运动，最终砸下路面。此过程滚石的运动轨迹是抛物线。

(四)滚石的碰撞弹跳

当滚石在滚动或自由飞落的过程中，如果遇到边坡坡度变缓以及其他的影响滚石运动的因素后，滚石往往因为动态势能过大，在与接触面接触后，动态势能转化为弹性势能，造成滚石的弹跳碰撞。此过程会严重影响边坡的稳定性。

四、不同坡度条件下滚石的运动轨迹模拟

本文对滚石运动进行模拟分析所使用的软件是Rocfall。Rocfall可以对边坡滚石的运动轨迹进行模拟。除了运动轨迹的模拟外，它还可以分析出滚石与边坡接触面的动能、速度和弹跳高度等[3]。

(一)参数设置

模拟边坡由两个相结合的凹型边坡组成，根据坡角的大小将边坡分为4个，坡角分别为45°、75°；模拟边坡高度60m，相对应的边坡宽度分别为60m、15m；模拟滚石个数为1000个，滚石质量为60kg；边坡从上到下分为2部分，第1部分为岩屑面，第2部分为路面，材料为沥青，宽度为40m；滚石初速度为3m/s，角速度为3°/s。