岩石边坡工程课程---岩石崩落分析(Rockfall Analysis) (C10)

1 引言

岩石边坡主要有四种破坏模式：平面破坏，楔形破坏，倾倒破坏和圆形破坏。此外，还有一种特殊的边坡破坏模式---岩石崩落(rockfall)。岩崩(rockfall)是露天采矿工程和土木工程岩石边坡中经常遇到的问题。岩崩是指体积较小的分离块或系列块的自然向下运动，整个过程包括自由落体、弹跳、滚动和滑动。岩石崩落的形成受许多因素影响，例如岩体的不连续性，岩体的风化程度，地下水和地表水，冻融，外部爆破载荷和地震载荷等。其中，地下水和地表水对岩石崩落的产生影响巨大，在一些山地区域，当雨季来临时，伴随着泥石流往往也会出现大量的岩石崩落，岩石崩落轻者阻塞交通，重者造成了人员伤亡和设备毁坏。地震也是引起岩石崩落的一个主要诱因，例如2008年汶川地震后周围发生了大量的岩石崩落。

这节课讨论岩石崩落最基本的分析过程和防护措施以及一些常用的分析工具。岩石崩落分析首推的参考资料是Dr. Hoek《Practical Rock Engineering》---“Analysis of rockfall hazards ”。

2 岩崩过程描述

一个典型的岩崩过程包括自由落体(Free fall)、弹跳(Bouncing)、滚动(Rolling)和滑动(Sliding)，如下图所示。

2.1 自由落体(Free Fall)

自由落体在很多情况下是岩崩的第一个动作，因为岩石经常从陡峭的斜坡上脱离，然后只受到重力的影响，根据Bozzolo等人(1986年)的研究，空气阻力可以被忽略，因为它仅相当于落石总重量的2%。在高而陡的斜坡坡面上，崩落的岩石不受斜坡坡度和地形影响而自由下落，崩落的岩石在没有外力的阻挡下，发生自由下落的运动，崩落岩石在任意下落高度H时的速度V可以表示为:

2.2 弹跳(Bouncing)

如果速度足够高的话，弹跳最常见于自由落体之后，岩石撞到一个表面(岩石、沙子、树木)并弹起，继续沿着斜坡发生更多的弹跳，直到块体的速度太低。在岩崩运动过程中弹跳是一种比较复杂和不容易确定运动轨迹的运动模式。这一部分是最不容易理解的，也是下落阶段中最难预测的部分。在建立岩崩模型时，通常用恢复系数来判断崩落岩石在运动过程中造成的能量损失，把崩落岩石的撞击问题看成是刚体之间的相互撞击，避免了直接讨论崩落岩石在碰撞过程中的非线性变形和摩擦问题. (Azzoni, 1995; Bozzolo, 1989)。崩落岩石在运动过程中发生碰撞反弹时，呈抛物线运动。根据运动的独立性原理，可以抛物线运动视为水平方向上均匀线性运动和垂直向上投掷运动的组合形式。

法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt是准确计算崩落岩石运动轨迹的两个主要参数。实验表明，斜坡坡面的岩石性质越趋向坚硬，岩石与坡面发生的碰撞之间就会产生越大的弹性，并且相应的法向恢复系数Rn和切向恢复系数Rt就会变得越大. 根据现有的经验，崩落岩石发生碰撞的法向恢复系数Rn在0.25-0.6 之间，切向恢复系数Rt在0.45-0.8之间。

2.3 滚动(Rolling)

当崩落岩石体在斜坡坡面上运动，其本身自重滑动分量大于摩擦力时，就会沿着斜坡坡面发生滚动，为了避免复杂的分析过程并且使它更接近于实际工程，可以简化为圆形刚体在斜坡坡面上的摩擦滚动。此时，对于任意位置的s，崩落岩石的速度v可以表示为:

当岩石在接近坡底时开始失去动能，就会发生滚动。滚动现象不是一种理想的滚动运动，只有圆柱形、球形和盘状的块体才能发生理论上的滚动运动。形状不规则的块体在滚动阶段会在岩石的边缘产生小的反弹(Azzoni, 1995; Bozzolo, 1989)。

2.4 滑动(Sliding)

岩崩过程的最后一个阶段是滑动. 当崩落的岩石在斜坡坡面上，其岩石本身的自重下滑分量大于摩擦力，从而发生岩石沿斜坡坡面向下滑动时，则在任意垂直位移H处，崩落岩石的速度V可以表示为:

在这个运动过程中, 岩石不发生滚动, 岩石与坡面完全接触. 运动产生的力可以用下式来表示:

尽管这种运动形式主要发生在岩崩的最后阶段, 但也有可能发生在自由落体之前(Bozzolo, 1986, Dorren, 2003)。 

3 岩崩分析工具

3.1 CRSP

CRSP(Colorado Rockfall Simulation Program) 是最早系统研究岩石崩落的分析程序【Pfeiffer T.J. and Bowen T.D. (1989) Computer simulation of rockfalls. Bull. Ass. Eng. Geol. XXVI: 135-146】。后来FHWA在此基础上又发展了CRSP-3D, 使用了离散元的基本原理来分析。CRSP目前仍然是学术研究和工程咨询的主要分析工具，特别在美国与FHWA相关的工程项目中，CRSP是指定的分析程序。 

3.2 RocFall

RocFall(Version 8.016 - August 13, 2021)是Rocscience开发的一个功能非常强大的岩石崩落分析工具 。RocFall是一个二维统计分析程序，旨在协助评估有岩崩风险的边坡。该程序能够确定整个边坡的能量、速度和 "反弹高度 "包络线以及岩石终点的位置。RocFall还可以帮助确定治理措施：可以改变每个斜坡段的材料特性，以便对结果进行比较。防护栏上的动能和撞击位置的信息可以帮助确定防护栏的能力、尺寸和位置。用户可以自定义防护栏或选择一个预定义的防护栏。防护栏敏感性分析允许用户自动改变防护栏的位置、高度、角度或能力。

3.3 RocPro3D

与CRSP和RocFall的功能类似，RocRro3D(Version 5.7.8, March 11, 2021)是一个三维分析工具，用于岩石崩落的轨迹建模以及协助防护设计。RocPro3D采用了概率方法，既反映了块体形状的变化，也反映了岩土特性和地形的不规则性。

3.4 其它分析工具

也有一些其它的岩石崩落分析工具可以参考，例如STONE ( Guzzetti et al., STONE: a computer program for the three-dimensional simulation of rock-falls 2002)以及GeoStru开发的Georock.2D和Georock.3D。

3.5 基于离散元的岩石崩落分析

显而易见，UDEC，3DEC和PFC是岩石崩落分析可能的分析工具。下图所示的是使用PFC3D和UDEC进行的岩石崩落分析。

4 防止岩石崩落的措施

在岩石崩落的运动轨迹确定后，需要提出相应的防护措施。从风险管理的角度来看，有主动防护和被动防护两种方式。被动防护一般在沉降区或径流区采用，如使用垂直网、集水围栏、导流坝等, 目的是最大程度地控制降水诱发的岩石崩落。与此相反，主动防护可以使用岩石锚杆、边坡阻挡系统、喷射混凝土等措施。其他的主动措施可能包括改变边坡的几何形状，使边坡脱水以及重新植被等。