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1、崩塌滚石灾害的力学机理与防治技术何思明;王东坡;吴永;欧阳朝军【摘 要】崩塌滚石灾害是中国西部山区一种常见的地质灾害类型,具有突发性和随 机性的特点,是山区地质灾害防治的难点和薄弱环节.针对中国崩塌滚石灾害基础研 究薄弱,减灾关键技术研发能力不足的问题,开展了崩塌滚石灾害形成条件与形成力 学机理的研究,研发了系列耗能减震崩塌滚石灾害防治的新技术.结合汶川地震、芦 山地震崩塌滚石灾害防治难题,建设了崩塌滚石灾害防治新技术的试验示范区,并取 得了良好的防护效果,为地震灾后重建和崩塌滚石灾害防治新技术的推广应用发挥 了重要的示范作用.期刊名称】自然杂志年(卷),期】2014(036)005【总页数】
2、10页(P336-345) 【关键词】 崩塌滚石;灾害;形成;防护技术;试验示范【作 者】 何思明;王东坡;吴永;欧阳朝军【作者单位】 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,中国科学院水利部成都 山地灾害与环境研究所,成都 610041;中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,中国科学院水利部成都山地灾 害与环境研究所,成都 610041;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,中国科 学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都610041正文语种】中 文 崩
3、塌滚石灾害是世界范围内高山峡谷地区一种常见的地质灾害，它是在陡峻斜坡上 发生的一种突然而又剧烈的动力地质现象。斜坡上的不稳定岩土体在重力、地震、 降雨或其他外力作用下，突然向下崩落，在运动过程中翻滚、跳跃、相互撞击、崩 解，最后堆积于斜坡坡脚，并通过冲击、掩埋等方式对斜坡下方的公路、铁路、防 护建筑等构造物构成严重威胁。崩塌形成的滚石粒径大小从几厘米到几米，甚至十 几米，有的滚石质量高达几百吨，冲击速度高达几十米每秒，具有非常强大的冲击 破坏能力。崩塌滚石灾害在我国还具有分布范围极广，发生突然、频率高，防不胜 防的特点，已成为继滑坡、泥石流灾害之后的又一重大山地地质灾害1-5。近年来，我国崩塌
4、滚石灾害频发，造成重大人员伤亡和财产损失，已逐渐引起人们 的高度重视。2007年5月25日，一辆中型客车从石棉县开往汉源县的途中，在 国道108线石棉段被山上的滚石击中车体，随后滑下近10 m高的斜坡，造成9 人死亡、14人受伤的重大安全事故。2007年11月20日，宜万铁路高阳寨隧道 发生岩崩，巨大的滚石将一辆从上海返回湖北利川的客车填埋，造成31人死亡的 特大事故。特别是2008年“512”汶川特大地震诱发大规模的崩塌滚石灾害，造 成重大人员伤亡和基础设施破坏（图14）。比如：位于地震极重灾区的北川中学 由于后山发生大规模崩塌灾害，造成近1500师生死亡的教训（图4）；2009年7 月25
5、日都汶公路彻底关大桥桥墩被滚石砸断6 ，致6人死亡并造成都汶公路中 断（图5）。 2012年9月7日，彝良地震诱发大量的滚石灾害7 ，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%。2013年4月20日， 芦山地震中的崩塌滚石灾害也是地震诱发的主要次生山地灾害类型8（图6）。 国内外对于崩塌滚石灾害的防治方法可分为两大类9-10：主动防护和被动防护。主动防护可分为加固法、清除法和绕避法。其中加固法包括危岩锚固、坡面固网、 锚喷、支撑、嵌补、排水等；清除法包括清除个别危岩、削坡等；绕避法线路改道 修建隧道、搬迁建筑等。被动防护可分为拦截法、疏导法、警示与监测法。拦截法 包括
6、落石平台、落石槽、拦石网、挡石墙、拦石堤、拦石栅栏、明洞或防滚石棚等； 疏导法包括疏导沟、疏导槽等；警示与监测法包括巡视、警告牌、滚石运动监测、 电棚栏、雷达和激光监测等。近年来，瑞士布鲁克公司研发的柔性防护网为崩塌滚 石的防治提供了一种简单有效的防治方法。柔性防护网对于表面岩石破碎、坡面无 茂密的树林和灌木的边坡效果较好，它可以采用被动防护的方式拦截危岩、缓冲消 耗掉危岩向下运动产生的动能，也可以采用主动防护的方式，直接对危岩进行“捆 绑式”的约束。最为典型的是WICCO型、ROCCO型以及GBE型三种防护网技 术，这三种技术针对不同的落石灾害发挥着独有的技术优势，大大降低了各种落石 灾害造
7、成的经济财产损失。崩塌滚石灾害具有超强的动力特性，对沿程构筑物造成巨大的冲击破坏6-8,11- 12。滚石一旦启动后，其在坡面上的运动规律是减灾防治必须关注的重点。Spadar i等13(2012)在澳大利亚新南威尔士开展了滚石的原位坡面试验；何思明 等14-15研究了滚石坡面冲击回弹特性，建立了滚石法向恢复系数、切向恢复系 数的计算方法以及滚石坡面运动轨迹预测方法；此外，美国科罗拉多大学还开发了 ROCKFALL软件用于预测滚石坡面运动轨迹。研究崩塌滚石灾害与承灾体之间的 动力相互作用，揭示崩塌滚石灾害对承灾体的冲击破坏机理，是研究崩塌滚石灾害 易损性和工程结构防冲击优化设计的理论基础。由于
8、崩塌滚石灾害对承灾体的冲击 破坏涉及复杂的动力作用和能量转化，国内外对此的研究工作还比较少，而且类似 工作的重点都放在雪崩与防护结构的动力相互作用方面。例如：Teufelsbauer等 16采用室内水槽模型试验和离散元方法研究了雪崩与防护结构的动力相互作用； Thibert17 在法国阿尔卑斯山区开展了雪崩对防护结构的原型冲击试验研究。Salciarini18、Li和He19采用离散元(DEM)方法研究了土挡结构防御崩塌体的有效性，其中崩塌体采用不同粒径的圆盘组合体代替，颗粒之间的相互作用采用摩擦-接触模型模拟，揭示了崩塌体、坡面以及土挡结构的几何形态及其强度参数对崩塌体动力过程及其防治效果的
9、定量影响。Plassiard等20采用PFC方法研究了土挡的优化设计；Kishi21-23、何思明24-25、王东坡26-27、Delhomme28、Mougin29采用弹塑性接触理论、动力有限元方法和试验方法等研究了滚石对棚洞结构、桥墩、路面等结构的冲击破坏。 随着全球气候变暖，地震活动渐强，人类工程活动加剧，我国滚石灾害的活动性、 发生频率与规模都将大幅上升，未来我国滚石灾害减灾形势将异常严峻。然而，目 前我国滚石灾害研究基础还比较薄弱，减灾防灾能力还难以满足国家经济建设和公 共安全的需要。具体体现在以下几个方面：(1) 缺乏危岩失稳的宏细观判据。难以对潜在的滚石灾害做出预判，应从宏细观尺
10、 度上研究静、动荷载作用下岩体裂隙从行核扩展贯通到失稳破坏的动力演化 机理，在此基础上构建危岩失稳的宏细观准则是滚石灾害研究所急需解决的重大科 学问题。(2) 滚石灾害与承灾体的动力相互作用及其易损性评价的研究亟待突破。分布于滚 石灾害多发区的各种构筑物(房屋建筑、交通工程、水电工程、输油气管线等)与滚 石灾害防护工程常常遭受滚石的高速冲击，导致结构损伤和破坏。由于其相互作用 涉及复杂的弹塑性变形、断裂与损伤、短历时的能量转化等，现阶段相关的研究成 果还很有限，难以满足国家经济建设和防灾减灾的迫切需求。(3) 滚石灾害风险评估的可靠性需要进一步提升。风险评估是保障山区重大工程和 社会公共安全的
11、重要手段，而传统的山地灾害风险评估一般基于经验性的判断或概 率统计模型方法，可靠性较低。目前国际前沿是基于物理模型的定量风险评估研究， 开展基于滚石灾害动力过程的定量风险评估研究是滚石灾害减灾的关键性突破点。 因此，科学地认识滚石灾害的形成演化规律，发展有效的减灾关键技术，是我们面 临的一个重大课题。崩塌滚石灾害的形成要具备斜坡地形地貌、地层岩性与结构面三方面的条件，诱发 因素包括地震、降雨与人类活动等等。（1）崩塌滚石灾害形成的地形地貌特征 崩塌滚石灾害多发生在 45以上的急陡坡和陡崖上。据大范围的调查统计，崩塌滚 石发生的最佳地形坡度是55。70。，70。以上的陡崖则是滚石（坠落）发生的最
12、佳坡 形。陡坡上突出的陡崖和山脊上凸出的山咀（又称探头崖）是崩塌和滚石发生的最佳 微地貌形态。滚石则是坡面的单块近球状形态的块石沿坡面向下的滚动现象。发生的地形坡度在 40以上。当陡坡面上的孤立近球状岩块，在地震和长期降雨作用下，岩块的自重 下滑分力大于岩块与坡面岩土的摩擦力时，岩块便立即滑移启动，导致滚动。（2）崩塌滚石灾害形成的地层岩性特征 软岩类岩、土（黏性土）是滑坡形成的主要物质，而较坚硬的脆性岩是崩塌、滚石形 成的主要物质。如砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩、白云岩、白云质灰岩、板岩等 这些岩体岩性较坚硬，抗风化能力较强，易形成陡崖、山咀，但性脆，在重力和振 动作用下，陡崖边、山咀上易发
13、生沿节理裂隙的张裂和岩体卸荷碎裂。这为崩塌滚 石灾害的发生提供了条件。（3）崩塌滚石灾害形成的结构面条件控制滑坡形成边界（滑动面）的结构面（优势结构面）一般有23组，滑坡启动滑移 后在结构面上留下擦痕；而崩塌的形成不具备这个特征，崩塌滚石灾害的形成只需 两组陡倾节理，构成“X”型，再加上一组近水平的缓倾节理，即可使崩塌岩体与 母岩脱离形成崩塌滚石灾害。（4）地震对崩塌滚石灾害形成的作用 地震对崩塌滚石灾害形成的作用表现在地震上下振动时，将可能发生崩塌的岩体振 松；左右剧烈晃动时，将可能崩塌的岩体折断，并向临空方向推举、抛出。(5) 水对崩塌滚石灾害形成的作用 水对崩塌滚石灾害形成的作用主要体现
14、在地表水、河水对坡脚的冲刷作用，使坡脚 悬空产生崩塌；水渗入可能崩塌体的裂缝中，产生较大的水劈和冰劈作用(冬天裂 缝中的水产生冻结，体积增大，使岩体裂缝增大加深)。(6) 人类活动对崩塌滚石灾害形成的作用 人类工程活动也是崩塌滚石灾害形成的主要诱发因素，如工程施工扰动下，岩体中 原有的平衡状态被打破，引起岩体内的应力重分布，促使岩体内裂隙不断累积和发 展，进而产生宏观断裂，导致岩体发生破坏失稳，最终形成崩塌滚石灾害。 上节所述，强烈地震、暴雨以及人类工程开挖是诱发危岩崩塌的主要诱发因素，在 外界作用扰动下，裂隙岩体应力发生重分布，导致岩体裂隙扩展贯通进而引发 崩塌滚石灾害的发生。何思明等30(
15、2012)、吴永等31(2011)、张正波等 32(2013)从断裂力学的角度研究了不同类型扰动荷载下崩塌滚石灾害形成的机理。2.1 地震诱发岩体崩塌滚石灾害的机理 拉剪复合型破坏是地震诱发岩体裂缝扩展的主要形式，应用断裂力学理论可以确定 危岩体裂隙失稳的判据：式中：ay为导致裂缝扩展的临界地震加速度，下标“y”表示“yield”； KIC为岩 体应力强度因子；P是地震波入射方向与裂缝的夹角；m是对应裂缝段宽度的岩 体质量；申为断裂角，即裂纹扩展方向与裂缝的夹角；E为几何尺度系数。如图7 所示，震区的岩体随时程的变化而不断处于拉剪和压剪破坏之中，但总体 破坏门槛较低的拉剪破坏仍是各类岩体失稳的
16、主因之一。不同位置边坡在拉剪破坏 中裂缝的扩展方向不同，迎坡面的拉剪裂缝一般易向内部扩展，不易形成崩塌滚石， 背坡面则向外扩展有临空面存在，很容易形成崩塌滚石灾害，这也从理论上解释了 崩塌灾害发生的方向性效应。2.2 降雨诱发崩塌滚石灾害的力学机理危岩裂缝扩张到一定深度后，降雨充填到裂隙内可能导致裂缝失稳扩张（图 8），采 用断裂力学理论确定了引发危岩裂隙扩展的临界深度计算公式：式中：hy为降雨引发裂缝扩展的裂缝临界深度，下标“y”也即“yield”； KIC 为岩体应力强度因子；yw为水的重度。然而，并非所有裂隙危岩在裂缝水压作用下都会扩展，只有裂缝深度达到临界深度 时，裂缝充填的降水才能提供足够的动力促使裂缝扩展，并与下伏的软弱夹层贯通， 最终形成崩塌滚石灾害（图 9）。2.3 开挖卸荷作用下崩塌滚石灾害形成的力学机理
