(应用地质株式会社， 日本 埼玉 331-8688)

边坡灾害是各种自然灾害中发生频率最多，影响较为重大的灾害之一。边坡灾害有多种类型，从灾害发生规模及发生机制可分为硬岩边坡的崩塌、落石、软岩边坡的滑坡以及延河道的泥石流灾害等；从发生位置可分为高位崩塌滑坡、低位蠕动变形、表层滑坡和深层滑坡等。落石灾害因其具有的高发生频率、突发性、不可预见性及灾害性等特点，日本从20世纪中期便开始投入巨资实施落石防护。1978年由日本铁道设施协会等出版了落石对策手册[1]。1983年由日本道路协会出版了落石对策便览[2]，此后近20年，该便览便成为落石防护的唯一规范。之后，由于利用该便览而设计的防护工程多次发生事故，因而对其进行过多次修订[3]。由于便览对于落石动态的设定基于实验等的经验公式，即经验法，致使多次出现超出设计规范的落石事故。为此，从2000年左右开始重视数值模拟技术的应用，并于2002年由日本道路协会出版了落石对策便览-落石数值模拟手法的调查研究资料[4]。该资料中重点探讨了各种实用、试用以及研究阶段的数值模拟方法。

关于落石防灾存在的关键课题大概可以归纳为以下几点：

1)灾害是否发生？ ×

2)何时、何地、多大规模发生？ ×

3)危岩稳定性评价 △

4)地震时是否发生 △

5)灾害危害评估，风险评估 ○

6)灾害发生时动态评价及防护 ○

这里，在每个关键课题的后面标注了×、△、○符号。×指目前基本上还无法做到，△指一定程度上可以实现，○指基本上可以实现。

“灾害是否发生？”和“何时、何地、多大规模发生？”，基于目前的技术，几乎还无法做到灾害前的预测。在日本，许多次落石灾害的发生既无强风也无降雨，更无地震[5-6]。

因无法预测灾害的发生，危岩稳定性评价研究成为重要研究对象，近年来，电测法、电磁波法、超声波法、高频振动法以及微动测试法等多种评价方法的研究得到尝试。其中，微动测试法取得了一定进展，其适用性基本得到证实。进一步，非接触遥感激光测速仪的应用研究受到重视，但是，这些研究成果的应用只能进行定性评价，还不能定量评价危岩危险性；因此这里评价危岩稳定性及地震时是否发生为△。

既然无法预测灾害是否发生，也不能准确评价危岩的稳定性，灾害危害性评价以及灾害发生时落石的动态研究就变得极为重要。即，在落石发生的前提下，落石的到达位置以及落石落下时的跳跃高度、落下速度将直接左右落石灾害所造成的危害范围及大小。近年来，针对该课题有大量的室内实验、现场试验研究以及大量的数值模拟研究，取得了丰富的研究成果，并应用于落石防护的工程实际。其中有的已经达到定量评价水平。

下面主要针对落石稳定性评级以及危害评价的研究及应用进行概述。

1 落石发生机制

落石一般受到内因和外因的相互作用而发生，如图1所示。内因一般指地形、地质以及背景因素等。关于地形，落石形式一般分为孤石型和浮石型，孤石指以往落石或滑坡曾经移动过，停留在边坡的块石；浮石指还未移动过但因风化侵蚀等不稳的块石。两者在落石调查时有不同的形态。

从图1可以看到，降雨被视为落石灾害的第一外因。落石发生件数与降雨的关系如图2所示。在寒冷地区，落石发生件数与降雨几乎没有太大的相关关系，而在温暖多雨地区，相关性比较高。

落石外因非常复杂，由多种因素相互作用而发生。虽然根据这些因素无法准确判定落石是否发生，但是，综合分析这些因素可帮助我们有效判定危岩的存在，有助于进一步判断危岩的危害性。

图1 落石发生的内因和外因

图2 落石发生次数与降雨量的关系[7]

2 落石稳定性评价

边坡崩塌及落石与其他滑坡形式相比，崩塌或落石一旦发生，落石将急速落下，基本上没有避难的可能。为此，危岩稳定性的评价就变得更为重要。

由于构成岩体的不连续面的分布及强度极不确定，岩体稳定性评价极为困难。近年来的研究表明，利用岩体的固有频率来判定其发生风险基本形成定论，即，落石危险度振动调查法。落石危险度振动调查法的模式图及振动计的设置情况如图3所示。在浮石部及基岩(基盘)部分别设置振动计，测试记录其振动波，震源为周边振动或微震。由测试的振动波整理RMS速度振幅比，根据所得卓越频率(周波数)和RMS速度振幅比判定浮石是否安定。

图3 落石危险度振动调查法[8]

根据模型试验及现场试验得到的卓越频率和RMS速度振幅比的关系如图4所示。RMS速度振幅比按照式(1)整理。

(1)

式中：R为RMS速度振幅比；x为基岩的振幅；y为浮石的振幅。

图4 落石危险度判定[8]

落石危险度振动调查法已广泛应用于现场勘查，特别适用于比较容易设置振动计的现场以及应用于检测判定危岩固定防护法效果。但是，对于陡峭边坡的情况，设置振动计需要攀岩等，费事费力并需要较高的成本，限制了该方法的推广应用。近年来，非接触遥感激光测速仪广泛应用于危岩稳定性评价的研究。图5为激光测速仪应用于危岩稳定性评价的模式图。在公路的路肩或平坦部设置激光测速仪，利用多普勒效应记录浮石的振动速度波形，整理浮石的卓越频率，以此判定危岩的稳定性。

图5 激光测速仪应用于危岩稳定性评价的模式图[9-10]

为探讨激光测速仪的适用性，我们设计了模型试验，在人造边坡上放置混凝土块。根据混凝土的大小，采用竖放、横放等放置模式等组成多种实验条件，激光测速仪和振动计测试同时进行，同时测试了不同激光测速仪与模型间距离(图6)。

注：上图为模型试验模式图；下图为模型试验的仪器设置情况。

图7为模型试验得到的振动波形。如图7所示，激光测速仪得到的振动速度波形与振动计的结果基本一致，由此验证了激光测速仪应用于危岩稳定性评价的适用性。另外，不同实验条件下的实验结果发现，混凝土块的卓越频率与其倾倒安全系数有良好的相关性，混凝土块的倾倒安全系数较小时，卓越频率也变小[9-10]。由此验证了振动测试法有望实现危岩稳定性的定量评价。

3 落石监测

由于落石的突发性，与其他边坡灾害相比，落石监测的应用比较少。

1996年2月10日，日本北海道地区发生了重大边坡崩塌事故——丰滨隧道边坡崩塌事故。边坡及隧道同时崩塌，崩塌岩体直接撞击正好经过的大巴，导致死亡20人轻伤1人。崩塌岩体约1.1万m3。崩塌原因为周围地下水的涌出及每年严冬期的反复冻结使岩体裂隙扩展，导致边坡稳定性下降[11]。基于该事故的发生，日本积极开展了硬岩边坡的监测方法研究，对日本的13个实验现场实施监测实验。其中和歌山县的天鸟桥边坡监测，成功监测到边坡的倾倒崩塌[12-13]，但其他12个现场均未得到比较理想的结果。

图8为日本北部某国道边坡的断面图及落石发生位置图。该边坡长大概2 km，几乎每年都有落石发生，严重危害交通及当地居民安全。经精密勘查，决定采取主动防护消除隐患,但由于预期工期较长，需要在施工期间对落石进行监测。监测系统包括前兆监测、落石落下监测、预警以及交通管制。

注：多普勒激光测速仪至模型距离为150 m，测试对象混凝土块上安装的地震仪为固有频率28 Hz速度型地震计。

图8 日本北部某边坡断面图及落石发生位置图[14]

图9为边坡落石监测系统, 系统包括：

1)落石前兆监测；

2)到达路旁设置的防护网的落石检测；

3)达到一定危险水平时，电话通报；

4)落石危害性较高时，自动启动路卡，禁止通行；

5)录像监视路况；

6)通过Web及时通报更多的相关人员；

7)与道路管理者共享监测数据。

图9 北日本某国道边坡落石监测系统[14]

监测方法为面监测与个别危岩监测相结合，前兆监测与落石落下监测相结合。

4 落石防护

在日本，落石防护一般依照落石对策便览，或基于该便览结合铁路、民居等特点而编制的相关规范进行设计。落石防护一般分为落石发生源固定、搬出等主动防护和边坡下部的防护网、防护栅等被动防护。被动防护时，需要精确预测落石动态，即落石的跳跃高度、运动速度以及动能、冲击力等。预测落石动态是一关键技术课题，直接关系到防护的有效性。长期以来，各国曾开发多种多样的数值模拟技术，关于数值模拟技术将于后面章节论述。这里首先介绍在日本，一般依照的便览的经验法。

落石对策便览给出了最为简单的经验公式。

(2)

残存系数根据以往现场试验所得落石速度分布确定，如图10所示。并规定，当落石落下高度超过40 m时，落石速度将收缩为一定值，即终端速度。

图10 落石速度分布[15]

如图10所示，当落石落下高度超过40 m时，落石速度并未完全收缩，仍有超出终端速度的实验结果。另外，应该注意到，无论在边坡下部存在怎样的平坦区域或缓坡，落石将不会停止下来。这些是便览经验公式所示落石速度所存极大隐患，现实工程中因此出现过不少误差导致重大伤亡事故。

落石跳跃高度是落石防护的另一重要参数，便览给出了实验依据。如图11所示，这是以往现场落石实验得到的实验结果。随着落石的落下，落石跳跃高度在不断增加，最大可达6 m。据统计，有近80%的落石跳跃高度在2 m以内。据此，便览规定了落石防护中，被动防护的高度为2 m。非常明显，从跳跃高度的角度，依照便览设计仍存重大隐患，事实上，因防护高度不足而发生的落石事故也时有发生。

在被动防护设计引用便览时，便览明确指出应在考虑便览所示现场落石实验条件的前提下引用，即当现场情况超出便览所示实验条件时，应结合引用数值模拟方法。

注：落下高度为公路与危岩间的高程差。

图12是日本中部某高速公路边坡危岩落差与危岩落石质量的关系。如图所示，危岩的最大质量达100 t，落差达120 m，远远超出了便览的适用范围。对于该边坡的落石防护，我们采用了落石动态数值模拟方法。

图12 日本中部某高速公路边坡危岩落差与落石质量的关系[4]

虽然，日本的便览存在诸多隐患，但由于条件明确简单，在以往实际工程中得到了广泛应用。虽然出现过设计不足，但因为多年来落石防护的积极推进，总体上落石防护起到了非常良好的防灾减灾成效。

5 落石的动态数值模拟

落石的动态数值模拟大致可分为质点系法和非质点系法。质点系法有以下几个特点：

1)假设落石为圆柱状或球状的刚体；

2)一般不考虑落石的旋转运动；

3)对于不同的运动形态，由一定的运动方程式求解；

4)利用指定条件判定运动形态的转换；

5)使用参数，如反弹系数、摩擦因数等一般根据落石实验决定。

质点系法的落石轨迹、速度及跳跃高度由运动方程式求解，与非质点系方法相比计算所需时间短，并容易实现三维数值模拟。但由于不能考虑落石形状以及落石的旋转运动，对于超出决定参数时的落石实验条件的现场，适用性比较差。对于落石直径1 m以上，落差100 m的现场，一般不宜采用。下面重点介绍非质点系方法。

非质点系方法一般是指离散元法(distinct element method，DEM)和不连续解析法(discontinuous deformation analysis，DDA)。两者均可考虑落石形状及落石旋转运动，避免了质点系的不足。但由于两者有着截然不同的发展历程，也就出现了许多差异。DEM由于没有公开源程序，现场技术人员一般使用市场购买的程序。技术人员若想进行针对性改善就比较困难，也有一些为了研究而自己开发的程序，但大多没有到达实际现场应用的程度。与此相比，DDA的发展比较自由。源程序的开发者石根华博士在初期就公开了源程序，这样用户可以针对所面对的课题自由追加改善程序功能；因此当应用于实际工程时，也能比较切实地反映和解决工程问题。另一方面，DDA的使用者一般均对其进行了改善；因此，利用DDA解决工程问题时，所使用程序一般因人而异，也就不能够统一评价应用情况。下面主要介绍一下DDA的开发及应用情况。

首先，为了开发利用DDA的数值模拟方法以及开挖边坡的落石防灾设计方法，在实际开挖边坡进行了现场落石试验(见图13)。

图13 落石实验简要[11-12]

实验在3段开挖边坡进行，每段高度为10 m，落石总落下高度为30 m。实验使用了5种大小形状不同的自然岩石和2种大小不同的混凝土块，共7种落石。每种落石分别在3个断面投下3～4次。同一种落石投下后重新搬运至落石投下平台，进行重复性实验。实验场地的侧面及正面分别设置CCD摄像机，拍摄落石的断面轨迹和平面轨迹。

如图14所示，同样的落石同样的断面，由于微小的投下时间的差异而导致很大的轨迹偏差。同样，实验得到的落石速度中，自然岩石有9%～27%，混凝土块有4%～16%的偏差，落石跳跃高度中，自然岩石有52%～79%的偏差，混凝土块有18%～51%的偏差。

图14 落石轨迹 [16-17]

在石博士公开的源程序的基础上，我们开发了利用DDA的落石动态数值模拟程序。该程序将落石落下过程中的能耗分为摩擦能耗、撞击能耗以及树木抵抗3种成分，分别使用摩擦因数、撞击衰减系数以及树木抵抗系数3种独立参数表达。利用落石实验确定了摩擦因数以及撞击衰减系数的取值范围。

利用DDA得到的落石轨迹和落石速度分布情况如图15所示。由图15可知，随着撞击衰减系数的增大，落石跳跃高度减小，落石速度降低。由此验证了上述关于落石能耗所导入参数的有效性。

导入概率法的DDA得到的落石轨迹和落石速度分布情况见图16。这里，考虑摩擦能耗以及撞击能耗的不确定性，将摩擦因数设置为正态分布概率参数，将撞击衰减系数设置为均匀分布概率参数。数值模拟结果与实验结果所得最大值相比较，得到落石速度-4.7%～6.2%、落石跳跃高度1.8%～2.1%的良好再现精度。由此，确定撞击衰减系数的取值范围为0.14～0.70。

δ ：撞击衰减参数

图16 导入概率法的DDA得到的落石轨迹及速度分布[18]

6 结束语

本文以落石防灾为例综述了边坡防灾的几个关键技术课题。落石灾害其灾害特点与其他种类的边坡灾害有不同之处，但防灾总体思想及所存在的关键课题基本一致。

当一个危岩摆在我们面前时，无论使用什么勘查手段，还没有一人一技可以预测灾害是否发生、何时发生。因此，利用各种方法判定其危险性及风险性，判定是否需要防护以及如何防护则变得非常重要。判定是不是危岩，一般仍然凭借经验手段。落石监测预警系统对于一些特殊情况是一可行方案。判定危岩的风险及危害，目前还不能做到绝对判断，例如还不能够判定一个危岩绝对稳定或绝对的不稳定。预测落石灾害发生时的危害、影响范围以及动态，目前已基本做到定量评价，但是由于落石灾害的不确定性，不可能做到绝对的安全；因此，对于落石防护应该利用随机概率评价综合评价落石灾害防护效果。除了积极引进先进的预测技术，利用有限资金发挥更好的防护效果外，还应积极导入社会力量，促进硬防护与软防护的有机结合。

防灾是一个系统化工程，不是一人一技所能完成的。现场勘查人员应该考虑到如何评价和如何防护；同样搞评价的技术人员既要考虑到如何勘查也要考虑如何防护；最后搞防护(设计)的技术人员更应考虑到勘查及评价的结论。勘查、评价、设计3个阶段应相互渗透相互结合，三者不能分离。

本文仅对落石防灾的几个关键技术的现状进行了综述，希望对边坡防灾技术工作者及研究人员有所帮助。还有许多没有涉及的问题，例如危岩检测检出、防护设计、现场勘查及现场评价等。其中不乏关键技术课题，例如危岩检出，在日本的一些地区就有近半数落石发生在未指定区域，说明不少的危岩被漏掉。近年来，卫星监测检测技术以及UAV技术的应用逐步受到重视，期待得到很好的应用。