蔡向阳， 铁永波

(1.中国地质大学(北京)，北京　100083； 2.中国地质科学研究院，北京　100037；3.中国地质调查局成都地质调查中心，成都　610081)



崩塌落石运动计算模型综述

蔡向阳1,2,3， 铁永波3

(1.中国地质大学(北京)，北京100083； 2.中国地质科学研究院，北京100037；3.中国地质调查局成都地质调查中心，成都610081)

由于崩塌落石的广泛分布及其发育地的地质条件与地理环境的复杂性和特殊性使得对其进行较为全面的研究治理颇为困难。虽然近年来对崩塌落石的研究有了较多的成果，但目前对其运动的计算模型还存在问题，在很大程度上制约了防灾减灾科学的进展。为了深入探讨崩塌落石的运动计算模型，本文回顾了国内学者在相关领域的研究，系统总结了现有计算模型的研究现状，且对计算模型进行了讨论和总结。

崩塌落石；运动特征；计算模型；研究现状

1　引言

崩塌落石是常见的地质灾害，是山区三大地质灾害(崩塌、滑坡、泥石流)之一[1]。边坡落石经常发生在地形陡峭的山区地带，虽然其规模较小，但由于发生频繁，且突发性高、随机性强，所以常对灾害区的基础设施和建筑物带来危害，甚至危及灾害区内人们的生命与财产。而我国的崩塌落石灾害的类型和分布有着明显的区域性，西南地区为主要的发育区域。该地区崩塌灾害类型多、规模大、发生频繁、分布广泛、危害严重[2]。特别是汶川地震诱发了大规模的崩塌滚石灾害，如2009年7月25日都汶公路彻底关大桥桥墩被滚石砸断[3]，致6人死亡并导致都汶公路中断。2012年9月7日，彝良地震诱发大量的滚石灾害[4]，在已公布的81名遇难者中，被山上飞落而下的滚石砸中的遇难者占80%。因此，如何对崩塌落石的形成机制、运动特性、碰撞时的冲击力并进行有效地判断，进而采取合理有效的工程防护措施，是山区经济建设中亟待解决的问题之一。本文主要介绍崩塌落石的运动特性研究。

2　崩塌落石的分类与成因机制研究

胡厚田[1]收集并分析了我国铁路沿线的崩塌落石，总结了崩塌落石的形成条件和产生机理。孙云志等[5]研究奉节李子垭危岩体的形成机制和稳定性，分析了危岩底部大规模采空区对危岩的影响。刘凯栋[6]在研究贵州崩塌灾害及其影响因素时总结了该地区落石灾害的分布特征，提出了相应的防治措施。陈洪凯等[7]认为危岩落石形成包括内因和外因两方面，其中内因有软硬相间的地层组合、陡峻的地形及强烈的卸荷作用，而外因则包括裂隙水压力和地震作用。张路青等[8]认为，滑坡、崩塌、坍塌、溜滑、剥落，差异风化、冻融循环、根劈作用、降水、地震、气温变化、人类活动等因素都能够直接或间接地导致块石在重力作用下沿斜坡运动。旷镇国[9]将崩塌分为古崩塌和现代崩塌，认为现代崩塌与落石的发生关系密切。陈洪凯等[7,10]对三峡库区危岩形成的内外因素进行分析，总结了危岩发育链式机理，将其分为滑塌式、坠落式和倾倒式。

2.1危岩体基本分类

胡厚田[1]根据潜在崩塌体的形成机理将崩塌分为5类：倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌和错断式崩塌。孙云志等[11]通过对奉节李子垭危岩体的研究，从边坡结构、结构面、临空卸荷、水的作用和爆破振动5方面，将危岩失稳类型分为滑移和倾倒两类。陈洪凯提出了三峡库区危岩发育链式机理[12]，其后进一步研究，将危岩发育过程分为5个阶段，并提出了三峡库区危岩链式演化规律[13]。黄润秋等[14]从控制条件和失稳机理角度，将危岩体分为7个类型：贴坡式、悬挂式、孤立式、板裂式、碎裂式、砌块式和软弱基座式。董好刚[15]从其形成机理出发，将三峡库区缓倾层状高边坡破坏模式概化为4种：风化-崩落型、压剪-滑移崩落型、拉剪-倾倒崩落型、拉裂坠落型。黄波林等[16]对三峡库区 114 个高陡危岩及崩滑体调查分析，发现3种主要的破坏模式(滑动、倾倒、弯曲)都对应一定的岩体结构；岩体结构变化时，失稳模式发生变化或者复合。张奇华[17]将危岩失稳模式分为8类，即蠕滑体滑移失稳、整体压陷倾斜崩塌、滑移-倾斜交错崩塌、裂隙段屈曲变形破坏、上下滑出破坏、倾斜-滑移破坏、倾斜-隐裂缝开裂-崩塌、倾斜-滑移-隐裂缝开裂-崩塌。陈明东等[18]根据受力模式将其分为板梁旋滑移和悬臂压杆破坏两类。

2.2崩塌落石形成条件和影响因素

胡厚田[1]认为：所谓落石是指陡峻斜坡上的个别岩石块体在重力和其他外力作用下，突然向下滚落的现象。铁道部第一设计院[19,20]在《铁路工程地质手册》中将崩塌分为：崩塌、坠石、剥落，并从地形地貌、地层岩性、地质构造和其他因素等方面阐释了崩塌的形成条件。崩塌落石和滑坡等重力地质现象一样，是在重力作用下内外因素共同作用的结果。内部因素主要包括：岩土体结构、岩土体物理力学性质、地质环境条件等；外部因素则包括水的作用、气温、冻融作用、植物的根劈作用、其他生物的扰动以及人类工程活动等。虽然落石也是斜坡或边坡重力演化的一种形式，但与滑坡、崩塌等动力地质现象有着明显的不同，是另一种类型的地质灾害[8]。由于上述因素的共同影响且存在不同程度的耦合作用，进而给崩塌落石的计算带来了诸多麻烦。通过表1来说明崩塌落石形成的影响因素。

2.3发育过程

崩塌落石作为斜坡浅表破坏方式的一种，与典型的滑坡有显著的不同之处[21]。事实上崩塌落石的运动过程是很快的，但它有着长期的地质发展过程。胡厚田[1]认为崩塌落石的发育过程可以划分为3个阶段：潜在崩塌体的形成阶段、潜在崩塌体的蠕动位移阶段、突然崩落阶段。而陈洪凯等[7]针对三峡库区危岩的研究提出了危岩发育链式机理，将危岩发育过程分为初始阶段、河谷下切阶段、差异风化阶段、临界岩腔形成阶段、初始危岩体形成阶段、危岩崩落初始阶段、危岩崩落连锁阶段、微观链完成阶段共8个阶段。由上述可知不同的研究人员基于不同的研究区，使用不同的基础数据与研究方法，所得到的崩塌落石演化过程是有一定差异的。

表1　崩塌落石的形成原因和条件

3　崩塌落石运动过程与力学机制

3.1崩塌落石运动过程的影响因素

落石运动轨迹的研究是落石运动特性的主要内容，国内学者采用了物理力学试验、数值模拟和理论计算等手段对崩塌落石的运动特性进行了一定的探究。影响危岩落石运动的因素有边坡条件、块体条件、滚石与坡面的相互作用。胡厚田[1]基于现场试验，分析了落石运动的影响因素包括落石自身特征和坡面条件。亚南、王兰生等[22]采用地质力学模拟方法，结合模型试验和数值模拟，对猴子岭崩塌落石的运动特征进行了研究。陈宇龙[23]通过理论比对分析，研究了边坡坡面还原系数、坡面摩擦角、坡面粗糙度、滚石自转的角速度和滚落状态对滚石运动状态的影响。黄润秋等[24]基于现场试验和正交试验理论，对滚石质量、滚石形状和坡面状况(坡度及坡度相关的坡表覆盖层)进行了研究。傅少君等[25]主要从边坡条件(边坡几何形状、坡面粗糙程度、边坡的物理力学性质)、滚石特性(几何性质、物理力学性质)和滚石与边坡的相互作用3方面进行了系统的试验分析。黄润秋等[26]在正交试验的基础上，采用了极差、方差和回归分析等方法，分析了滚石启动方式、斜坡覆盖层和植被特征、斜坡坡度、坡面长度、滚石形状和滚石质量等6个可能影响滚石运动特征的因素。

3.2崩塌落石的运动过程

陈洪凯等[7,10]将落石的初始运动状态归纳为错落式、坠落式和倾倒式，并推导了不同的启动方式下落石的运动轨迹方程。唐红梅等[27]等将危岩的运动过程分为初始运动过程、碰撞过程、滑动过程和滚动过程，并给出了相应的运动轨迹方程。赵旭等[28]基于运动学原理，给出了不同坡面条件下落石速度、动能和弹跳高度的计算公式。杨海清等[29]基于接触力学和运动学理论，将落石假设为椭圆形，从而把落石运动分为5种模式：自由落体运动、斜抛运动、碰撞、滑动和滚动，分别得到了各种运动形式的运动速度计算公式。吕庆等[30]根据控制滚石运动的主要影响因素,从工程的角度将崩塌落石的运动分为滑动、自由飞落、碰撞弹跳、滚动4个阶段，并建立了一套计算边坡滚石运动轨迹的计算公式。程强等[31]在野外工作的基础上，通过统计分析滚石的运动特征和危害参数范围，认为落石坡面运动可分为启动、运动和堆积3个阶段。崔圣华等[32]通过正交试验，选择不同的坡表覆盖层，对不同形状、质量的滚石为变量，研究了斜坡滚石滚动状态下速度特征。叶四桥等[33]通过实验发现：不管何种形状落石，运动模式均为滚动和弹跳，无明显滑动段。由于地质背景和地形地貌的不同，落石的实际运动过程是几种运动模式的组合与叠加，也可能仅是一种运动形式。因此确定落石运动状态的恢复系数就变得异常重要。

3.3崩塌落石运动特性参数

恢复系数是落石运动过程中关键且敏感的参数，其取值直接决定了落石的后续运动状态。研究发现恢复系数与边坡的形态，坡面材料物理力学性质，落石质量、形状，碰撞时的入射速度、入射角等都密切相关。章广成等[34]通过试验和数值模拟认为法向碰撞恢复系数不受落石边长、入射速度和入射角影响，只与坡面岩土体材料有关。叶四桥等[35]通过模型试验，得到了坡面铺装和坡度是法向恢复系数的主要影响因素，落石的形状和质量以及下落高度对法向恢复系数的影响不明显。而黄润秋等[27]在正交试验的基础上，得到了斜坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞恢复系数起控制性作用，其他因素几无影响；斜坡覆盖层与植被特征和碰撞恢复系数之间可用线性关系描述的结论。何思明等[36]在考虑材料弹塑性特性的基础上，研究了滚石法向碰撞恢复系数和切向碰撞恢复系数的计算模式，给出了具体的计算公式，并阐明了影响碰撞恢复系数的主要控制因素。黄润秋等[37]研究了落石运动的斜坡特征、落石形状等对运动过程的影响及斜坡平台对落石的停积作用。

4　崩塌落石的力学计算模型

落石与地面或建筑物碰撞时的冲击作用包括两个方面：一是落石碰撞时的冲击力的大小；二是受冲击体对冲击作用的响应。下面主要讨论崩塌落石的冲击力，具体见表2。

表2　国内落石冲击力计算方法比较

5　结论

由于落石的研究不过半个世纪而已，无论是从研究方法还是历史数据积累而言都不是很完善。落石的运动和冲击属于运动学和动力学研究问题，但国内对其运动路径和冲击力的计算多采用经验和半经验公式，不能较好的符合实际情况。目前对落石的运动轨迹研究较多，但大都只是针对单一运动状态进行分析，而其在实际运动过程中通常是几种运动状态的组合与叠加。从目前的研究来看大都没有考虑到落石在实际运动过程中会发生相互碰撞这一情况，势必会给落石的运动轨迹研究带来困难。从崩塌落石的形成机理和运动过程的复杂性可以看出，应当进一步研究落石的主要影响因素以及各因素之间相互制约的作用机制；对已经发生的落石事件的反演和冲击效应的研究。因此要对其进行深入研究尚需多学科理论和方法的融合与应用，才能实现为落石防灾减灾提供科学的依据。

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OVERVIEW OF CALULATION MODEL FOR COLLAPSE AND ROCKFALL MOVEMENT

CAI Xiang-yang1,2,3， TIE Yong-bo3

(1.China University of Geosciences，Beijing100083,China； 2.Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037,China；3.Chengdu Center of China Geological Survey，Sichuan Chengdu610081,China)

Owing to the wide distribution, place of the complexity and particularity of geological conditions and geographical environment which make the complete and systematic research on the collapse and rockfall become more difficult. In recent years the study of collapse rockfall results a lot, but there are problems in calculation model. To a large extent, it has restricted the progress of disaster prevention and mitigation. In order to deeply explore movement calculation model of rockfall and collapse, the domestic scholars in the related area of researches are reviewed, and the research status of the existing calculation model are systematic summarized. At last, the calculation models are discussed and summarized.

collapse and rockfall；movement feature；calculation Model；research status

1006-4362(2016)03-0100-05

2016-03-01改回日期：2016-05-17

中国地质调查局公益性地调项目“乌蒙山区北部城镇地质灾害调查”(DD20160275);科技部基础工作专项(2011FY110100-5)

P642.21;TU458

A

蔡向阳(1993-)，男，汉族，硕士研究生，主要从事地质灾害研究。Email:845374595@qq.com