基于能量跟踪法研究岩石破碎对滚石运动轨迹的影响

首次采用能量跟踪法(energy tracking method, ETM)研究岩石破碎对边坡滚石运动轨迹的影响。能量跟踪法是在冲量法的基础上发展多点能量守恒算法,提高了计算精度。相比于传统罚函数法,冲量法的优点在于:无需试算确定罚参数取值,减少了模拟计算量;能量跟踪法是解析解和数值解耦合算法,极大提高了计算速度。与传统的序列冲量法和同步冲量法相比,由于能量跟踪法能够模拟碰撞过程中多接触点之间的能量传递,可有效地和准确地模拟数千个碰撞体之间的高频碰撞。运用Weibull分布的破裂模式识别仿真法模拟滚石在下落过程中的破裂过程,并用于预测滚石运动轨迹。结果表明,(1)ETM能够合理地模拟三维边坡滚石运动轨迹;(2)当考虑岩石破碎效应时滚石碎块运动轨迹较之未考虑破碎时发生明显改变,水平侧向位移显著增加,需扩大边坡设计防护范围。研究成果验证了ETM和破裂模式识别仿真法在模拟滚石运动过程中的有效性,为研究滚石灾害的影响范围提供了有效的模拟工具。     

边坡滚石运动轨迹分段循环算法

边坡滚石是在基本建设中常遇到的一种工程灾害。其防护结构的设计依据主要是边坡滚石的运动轨迹,因而要对这种灾害进行防治,首先要确定滚石的运动轨迹。根据落石运动全过程的三个阶段,即滚动(滑动)运动阶段、抛物运动阶段和与坡面碰撞阶段,利用分段循环算法分别得到了三个运动阶段的运动速度计算公式。以某岩质边坡构建相似模型,将该理论公式应用于落石运动轨迹预测,验证了公式的可行性和有效性。与现有方法相比,分段循环算法具有计算原理简单明确、易于使用等优点。该方法可用于斜坡区滚石运动特征的预测,并可作为斜坡区滚石灾害防治的依据。     

边坡滚石灾害的作用机理与防治对策

针对山区高速公路边坡滚石灾害频发现象,探求滚石与边坡作用机理和运动特征,以仙居白鹤隧道出口端右侧边坡为背景,从现场试验出发,对不同形态的滚石进行了多组试验,并引入块体短长轴比的概念,分析建立了滚石水平运动距离与短长轴比的关系,结合滚石防护的成功例子总结了滚石防治的两种理念和三种防护手段:采取刚性和柔性防护相结合的方法,分别从滚石源头、途径和终点进行拦截.     

尼泊尔某项目滚石灾害的工程地质调查与评价

滚石灾害是山区常见的地质灾害类型,研究滚石的运动特征对地质灾害调查及危险性评估有着重要意义。通过对尼泊尔某项目滚石灾害后现场进行工程地质调查,分析其灾害成因机制,查明事故原因。调查结果表明:9 ·15灾害非人类活动的影响,属自然地质灾害,造成事故的主要原因为超高位岩体崩塌,而滚石的范围又超过前期预测的危险区。通过现场痕迹分析,推测出滚石的运动路径。根据调查出的撞击点位置、物质组成及几何特征,作者提出运用运动学原理还原滚石运动轨迹,并利用rocfall软件对超高位危岩体崩落后的运动轨迹进行随机模拟分析,推算出超高位危岩体崩落后能量大小的变化,为防护措施方案提供可靠的依据。张口式帘式网韧性强,防护能级高,对高陡边坡滚石灾害能起到很好的效果。本文可为类似高陡边坡的危岩治理防护提供参考。     

汶川地震崩塌滚石坡面运动特征

滚石坡面运动影响因素众多,分析预测困难,确定崩塌滚石危害范围,对崩塌灾害防治具有重要意义。在实测汶川地震399条崩塌滚石剖面基础上,通过统计分析研究了滚石运动特征和危害范围参数,得出如下结论：(1) 滚石坡面运动可划分为启动阶段、运动阶段和堆积阶段;56º为启动区滚石自由坠落模式和滑动、滚动模式界限,堆积区最大角度为39.6º,26º以下区域为减速带。(2) 滚石运动距离与高度的比值,随着地震烈度以及边坡岩石强度的增高而增大,并给出了统计公式。(3) 滚石最大运动距离与坡高之间以及陡坡段坡度与滚石运动扩散角之间有较好的线性关系,根据堆积区在边坡高度上所占比例,划分了两种坡面形态,给出了两种坡面形态边坡陡坡段坡度与滚石运动扩散角之间的统计关系图,可作为崩塌滚石危害范围判定的参考。     

基于三维非连续变形分析的巨石崩塌运动研究

巨石作为一种大体积、大质量的滚石,其崩塌失稳及高速、高能远程运动往往导致沿途建筑物和交通线路的毁灭性灾难。以西藏自治区G318国道K4580典型滑坡为工程背景,基于三维非连续变形分析（three-dimensional discontinuous deformation analysis,简称3D-DDA）方法研究巨石崩塌失稳及运动全过程的特征与现象。分别建立该边坡未滑坡、浅层滑坡后和深层滑坡后3种坡形的巨石崩塌3D-DDA数值模型。采用滚石运动横向偏移经验模型,验证3D-DDA巨石运动模拟的准确性。在此基础上,分析巨石崩塌失稳机制及破坏后沿3种不同坡形边坡的运动轨迹和动能演进等运动特征。结果表明,3D-DDA能够有效模拟巨石崩塌失稳、运动发展、剧烈冲击碰撞直至最终静止等整个动力学过程。巨石崩塌表现为滑动→倾倒?滑动→倾倒→翻转?下落的失稳模式转换;巨石运动表现为碰撞、弹跳、飞跃、滚动、滑动等多种运动形式以及横向偏移、侧向偏转等三维空间运动特征,经过道路并与高架桥发生碰撞,引发巨石灾害。不同坡面几何特征下的巨石运动偏移量、弹跳高度、运动至坡底碰撞时间、最终稳定时间等均随着未滑坡、浅层滑坡后、深层滑坡后3种坡形变化而减小。通过3D-DDA巨石崩塌运动分析,预测巨石运动全过程、影响范围、冲击能量、停积位置等,可为巨石防灾减灾对策或措施制定提供依据。     

滚石冲击荷载下棚洞结构动力响应

钢筋混凝土棚洞结构是西部滚石灾害多发区最为有效的滚石防护结构,一般通过在棚洞顶部铺设一定厚度的砂砾石垫层来达到缓冲吸能的目的。在棚洞结构设计中,确定滚石冲击力大小是关键,而目前国内外尚无合理的计算公式,严重地影响了滚石棚洞结构工程应用。由于滚石冲击能量大,冲击时间短暂,涉及到结构大变形和复杂的能量转换关系,因而滚石冲击荷载下棚洞结构的动力响应研究难度较大。以实际滚石棚洞结构为原型,采用动力有限元对滚石冲击过程进行了数值仿真,研究滚石在不同冲击角度下棚洞结构的动力力学响应,为滚石防护工程设计提供理论基础。     

强震触发崩塌滚石运动特征研究

高强度、长持时汶川地震诱发大量边坡滚石,滚石源于岩体结构面切割而成的块体或岩土质边坡中尺寸较大的孤石。以汶川地震未扰动现场滚石痕迹的判识、测量取样及分析,得出强震作用下块体(石)是以一定初始速度抛射而出的; 其坡面运动表现为滑动、滚动、跳跃与3种方式的组合。选取2个典型强震崩塌点为例进行研究,基本结论:(1)与重力作用下崩塌滚石运动特征是有显著区别的,地震触发滚石具有一定的平抛速度,初始速度除与地震烈度有关外,还与地形地貌有关,其中变坡点、凸起点、端部速度较大; (2)滚石三边(长、宽、高)比例越接近,其运距越远; 坡面相对1/2高度以上,运动方式表现为跳跃-滚动、跳跃-滑动为主,其下滚石则以滑动、滚动运动为主; (3)规模(质量)大的滚石多停留于第一着地点附近或边坡坡脚宽缓地带,滚石运动消能方式为摩擦或碰撞解体; 滚石平台阻滞率为54％,树(灌)木拦阻率为12％。通过反演,计算了非弹性碰撞法向恢复系数Rn与切向恢复系数Rt,其中裸露基岩Rn=0.2,Rt=0.6,一般覆盖层Rn=0.3,Rt=0.8。滚石在运动过程中的弹跳理论高度在0.2~1.3m之间,坡面相对高差与最远滚动距离之比约为1/2。     

滚石灾害防治方法浅析

随着人类活动的广度和力度不断加大,多山地带的滚石问题越来越突出,致使有关滚石灾害及其防治方法的研究也逐步得到重视。总体而言,滚石灾害的防治方法可分为主动防护和被动防护两大类,可应用于不同的滚石灾害环境。对各类滚石灾害防治方法进行简单介绍之后,作者分析了各方法的应用范围和适用条件。     

山区输变电工程崩塌(滚石)灾害识别与预测方法

山区输变电工程崩塌随着国家“一带一路”和“全球能源互联网”战略的构建和实施,山区复杂地质环境条件下的输变电工程建设越来越多。然而,现阶段对于输变电工程崩塌（滚石）灾害识别、预测和评价方法等方面的研究相对较少,难以有效解决山区崩塌（滚石）灾害频发与输变电工程安全建设、运营之间不断增长的矛盾。鉴于此,作者借助航空遥感、无人机航测、岩体结构分析工具、崩塌（滚石）运动数值模拟软件等新技术方法等,对山区输变电工程中崩塌（滚石）灾害识别与预测方法等开展了相关研究。提出:（1）基于区域工程地质分区-区段遥感分析-山体无人机航拍-岩体结构特征分析的思路,实现对长距离、大区域山区输变电工程的崩塌（滚石）危岩体快速识别和分析;（2）利用三维崩塌（运动）模拟方法快速识别崩塌（滚石）在杆塔（变电站）范围的到达情况,然后再利用多种方法对比确定能到达杆塔（变电站）范围内崩塌（滚石）的冲击特征;（3）山区输变电工程崩塌（滚石）灾害风险计算方法。     

落石轨迹模拟分析在废弃矿山生态治理中的应用

目前,废弃露天矿山的治理不仅需要消除地质灾害隐患,同时需要进行生态环境治理。滚石灾害是高陡边坡最易发生的地质灾害类型之一。在治理过程中,必须充分考虑滚石的弹跳高度和落点分布范围,同时合理运用台阶植被绿化等生态治理措施。以温州市平阳县鳌江镇荆溪山废弃矿山高陡边坡为例,通过对落石运动轨迹模拟分析,提出综合生态治理方案,为相关边坡生态治理提供参考。     

滚石防护加筋土挡墙研究综述

滚石防护加筋土挡墙是工程上常见的落石防护工程结构, 通常用于拦截大体积或高速滚落的山坡落石。滚石防护加筋土挡墙能有效拦截具有高冲击动能的岩块滚落。但由于其结构较大, 受滚石撞击时会发生不可逆的诱发性破坏变形, 加筋土体应力-应变性状非线性, 不同加筋材料与土体界面特性及作用机制相当复杂, 目前防滚石撞击的加筋土防护挡墙的设计方法不够完善。通过总结已有文献的研究成果, 重点阐述了受滚石撞击的加筋土挡墙结构响应性状, 从落石轨迹控制和挡墙稳定性两个方面对挡墙设计方法进行了讨论。同时指出滚石旋转动能不可忽略, 已有成果在滚石冲击力计算、结构撞击响应分析方法等问题的研究仍显不足, 为今后研究提供参考。     

结构面对岩质边坡地震动影响的数值模拟研究

[摘 要] 本文采用数值模拟的方法,利用UDEC 软件,开展了结构面对岩质边坡地震动影响的数值 模拟研究,研究内容涉及结构面产状和位置变化对岩体边坡地震动放大系数空间展布的影响。根据岩 体边坡中结构面发育的一般规律,本文模型工况主要考虑与坡面相交的贯穿性结构面,模拟的主要物理 对象是层面、贯穿性长大软弱结构面等。数值模拟结果表明:结构面越靠近坡顶,边坡上部的地震动响 应越强烈;顺倾结构面会使坡肩部形成更强烈的地震动响应;边坡越陡,坡顶和坡肩部的地震动响应越 强烈。上述规律对于岩质边坡地震稳定性分析具有指导意义。     

老鹰岩危岩崩塌稳定性分析及防治措施研究

危岩崩塌是贵州省煤矿开采引发的主要地质灾害类型之一,为了正确地分析该类危岩崩塌的稳定性、科学合理地制定防护措施,以保证在保障人民生命财产安全的基础上减轻地质灾害治理成本,以某煤矿内老鹰岩危岩体为例,在分析其稳定性的基础上,采用RocFall数值模拟分析滚石的影响程度及范围,提出了“整体稳定、局部崩落”的总体结论并制定了“被动网+落石槽+监测”的被动防护措施,治理效果良好,可为类似项目提供参考。     

倾倒式岩质崩塌运动过程数值模拟分析

在延长县崩塌详细调查的基础上,采用数值模拟方法对倾倒式岩质崩塌运动过程进行了模拟,分析了其运动规律。根据崩塌的破坏形式和运动特点,将倾倒式崩塌的整个运动过程分为四个阶段：岩体原有节理的开裂变形阶段、岩体沿基座支点的倾倒运动阶段、崩塌体在一定初速度下的落体运动阶段、崩塌体的碰撞与堆积阶段。通过对倾倒式崩塌影响范围的理论计算结果、数值模拟结果和实际调查结果对比得出,数值模拟结果和实际调查结果基本一致,两者远大于理论计算结果,因此数值模拟结果可作为倾倒式崩塌的影响范围,可为崩塌灾害的防治提供科学依据。     

基于GIS泥石流二维数值模拟

为了模拟泥石流的运动规律,预测降雨诱发的泥石流到达距离和泛滥范围,减少和避免泥石流引起的灾害,给出了一个模拟泥石流运动的二维数值模型。由于GIS中的栅格网络数据可以直接作为有限差分的网格,二维数值模型可用有限差分来求解。模型应用于2003年7月20日发生在日本九州南部熊本县水俣市宝川区集村的泥石流。模拟再现了这个真实泥石流的传播和泛滥的过程,并与实际检测结果很吻合,验证了这个深度积分的二维数值模型的有效性和实用性。模型可用于预测泥石流的流动距离和泛滥范围,以及泛滥范围内的危险房屋和路段,也可以用于泥石流灾害的风险性分析。     

陡倾硬质岩边坡倾倒变形数值模拟与分析

由硬质岩组成的陡倾反向坡会产生倾倒变形,并可进一步发展为滑塌破坏。虽然这种倾倒变形发育的深度有限,但是硬质岩容易形成高陡边坡并产生危害巨大的高位危岩体问题。为此,以开挖高度约200m、总体坡度达42.4°的连云港东疏港高速公路路堑边坡为研究对象,采用地质分析、数值模拟与原型监测相结合的方法,开展倾倒变形特征和边坡加固效果的研究。结果表明,当开挖卸荷作用强烈,并在地下水压力作用下,即使是微风化和新鲜的硬质岩陡倾反向坡也会产生倾倒变形;倾倒变形始于坡脚(当边坡开挖成台阶状时,包括各级台阶的坡脚),上部岩板失去支撑,沿陡倾结构面互相错动而发生倾倒变形。锚杆增大了陡倾岩板间的错动阻力,抑制了倾倒变形的发展。     

喜马拉雅山区公路边坡崩滑灾害与防护措施破坏规律分析

喜马拉雅山区构造断裂发育,地震活动频繁,新构造运动强烈,内外动力地质作用异常活动,使该区域公路边坡扰动灾害十分严重,对区域内公路的安全运行构成了极大的威胁。本文通过实地调研和理论分析,探讨了喜马拉雅山区高速公路边坡扰动崩滑灾害发育规律、防护措施破坏特征和破坏机理。从边坡的物质成分和地层结构类型出发,对全区公路边坡类型进行了分类,并提出了边坡失稳破坏的多种模式。通过空间统计分析发现,喜马拉雅山区公路边坡崩塌灾害的发生和分布与区域断裂、地震动强度、岩土结构类型及气候环境条件等因素密切相关,并给出了量化的变化指标。在此基础上,采用地球内外动力耦合作用的理论对喜马拉雅山区地质灾害的成因和演化机制进行了分析,认为差异隆升与河流下切导致岩体结构松弛效应及山体崩塌滑坡,是内外动力耦合作用的结果。在公路工程时间尺度上,气候变化是当前该地区最为活跃的外动力地质作用。在边坡扰动灾害防护方面,边坡灾害防护措施的稳定性、安全性等不确定性较大,调查中10%的边坡崩滑防治工程出现了不同程度的破坏。通过对防护措施破坏特征的分析,阐明了边坡灾害防护效果与防护措施自身稳定性差异性的原因,提出边坡坡面防护措施的选型与优化,需要综合考虑坡面岩土体的工程地质特点、灾害体类型、运动路径、致灾模式与工程匹配性等因素,应采用多重防护措施进行优化组合,使其最大程度地减少灾害的发生和可能的风险。     

滚石冲击结构物动力响应特征数值模拟研究

在滚石冲击破坏建（构）筑物灾害中,滚石形状往往具有不确定性,建（构）筑物表面形状也不尽相同。当滚石冲击结构物时,由于滚石形状的不同导致其所表现出来的冲击动力响应特征也不同。采用ABAQUS有限元软件中的Explicit动力有限元方法,分别开展不同形状滚石冲击不同表面形状结构物的数值模拟研究,并对不同缓冲层的缓冲耗能特性进行对比分析。结果表明：在质量、初速度相同的初始条件下,形状不同的滚石冲击平面墙状的结构物时,冲击力峰值大小依次为正方体>圆柱体（底面）>圆柱体（侧面）>球体>三棱锥;当滚石冲击面形状由“尖”变“钝”时,结构物受滚石冲击处被破坏程度将变小,但其整体变形区域增大;对不同表面形状的结构物承受滚石冲击时,冲击力峰值大小依次为平面状>凸面状>凹面状>波浪面状>斜面状,相比而言,斜面状结构物具有较好的抗滚石冲击性能;对在结构物前方设置不同缓冲层时对滚石冲击的缓冲耗能特性进行对比分析,得出EPS-砂土复合垫层具有较好的缓冲耗散性能,其在实际的滚石灾害防护工程中具有广阔的应用前景。     

顺层岩质滑坡运动过程数值模拟研究

顺层岩质滑坡相对难以治理,分析其运动过程对此类滑坡的风险评价和减缓至关重要。为了研究滑坡过程的运动参数,引入滑坡运动及涌浪过程模拟的新方法——Tsunami Squares法,该方法具有计算量小,可仿真复杂地形及适用多种灾害的特点。在滑坡物理模型实验的基础上,通过该数值模拟方法对顺层岩质滑坡运动过程的实验结果进行反演,讨论了不同地质参数(滑坡坡度、地面粗糙度和滑体岩性)组合下,滑坡过程厚度、速度和动量等运动参数的基本规律。结果表明:(1)顺层岩质滑坡在地形变化部位,整体滑动结束,开始发生扩容和解体;(2)在整体滑动阶段,其运动参数主要受基底摩擦系数控制,对其他地质参数不敏感;(3)滑坡解体后,运动参数因地质参数不同而改变,其对地形最敏感,但对滑体材料强度不敏感;(4)滑动速度和距离主要受地形和滑面粗糙度的影响,考虑侧向扩容的影响范围和堆积厚度则主要受地形和滑体材料影响。