滚石运动随机性的细观机理及预测方法研究

Rockfall in mountain area presents the characteristics of high incidence, burstiness and stochastics. Among which, the knowledge in rockfall stochastic feature is the relatively weak. Previous rockfall stochastic feature studies mainly focus on different rockfall results caused by changes of factors at engineering scale, but they have not study the relevant study based on mesoscopic scale, which is one of the main reasons causing the difficulty to predict the charasteristics of rockfall accurately in the engineering protection design. For this reason, this study will focus on the reasearch: Based on investigation and statistical analysis, key factors causing rockfall stochastic feature and quantitative methods in meso-scale will be determined. By a series of rockfall tests, using high-precision laser scanning and technologies such as real-time image recording, study the stochastic feature of the factors’ changes, its statistical relationship with impact characteristic parameters and kinetic parameters and reveal the meso-mechanism of rockfall stochastic feature. Develop numerical simulation software for rockfall stochastic features. Carrying out physical modelling and numerical simulation under the condiction of rockfall impacting more than once, study the accumulate amplification mechanism and propagation relationship of the stochastic feature of rockfall characteristic parameters in the process. Based on the study mentioned above, the prediction approach for rockfall stochastic feature will be proposed. Related achievements will promote new knowledge of rockfall stochastic feature, and develop the level of rockfall disaster prediction and prevention.

山区滚石具有多发性、突发性和随机性等特征。其中滚石运动随机性的研究相对薄弱。前人对其研究多限于工程尺度下运动结果的不同，还未发现基于细观尺度下的相关成果。这也是目前滚石工程防护中仍难以准确预测滚石运动特征的重要原因。为此，本项目拟开展以下研究：通过实例调查分析，筛选并确定细观尺度下滚石运动随机性的关键影响因子和表征方法；开展滚石物理和数值模拟，借助高精度细观形貌扫描和高速摄影记录等技术，研究滚石运动随机性细观因子变化与碰撞特征参量和计算参数的随机性之间的统计关系，揭示滚石运动随机性的细观机理；发展基于细观机理研究的滚石运动随机性模拟方法，开展滚石与坡面多次碰撞的数值模拟，并对比物理模拟试验结果，研究滚石运动特征参量随机性在连续碰撞过程中的累积放大机制和传递关系。综合上述研究，发展基于随机性的滚石运动特征预测方法。相关成果不仅有助于对滚石运动随机性的重新认识，还将推动滚石灾害防治水平的提高。

随机性是滚石运动的重要特征之一。针对前人在滚石运动随机性方面研究较少及其特征较为复杂的情况，申请人从细观尺度对各因素对滚石运动随机性的影响展开研究。通过现场调查、物理实验和数值模拟分析工作，筛选并确定细观尺度下滚石运动随机性的关键影响因子和表征方法；从滚石运动细观因子变化与碰撞特征参量和计算参数的随机性之间关系分析角度，初步开展了滚石运动随机性的细观机理研究；在滚石连续碰撞、运动特征参量随机性物理模拟和实例剖析的基础上，研究了滚石运动特征综合预测方法。基于上述研究，主要取得以下成果认识：.①块石大小、形状、坡度、坡形和坡面起伏度是控制滚石空间分布的重要因素。块石微形貌、碰撞部位的坡面微地形、初始运动特征微变化等是滚石运动随机性的细观因子。依托无人机航测技术和三维激光扫描技术，研究建立了获取和表征细观因子的方法、技术和流程。.②由于碰撞点的细观形貌和坡体物理力学性质的时空变异性，即便是相同大小、形状的块石在坡体上的运动具有了明显不同的运动特征，具有一定的概率学特征，并初步建立了滚石运动随机性典型运动力学模型。.③对滚石随机运动预测方法进行了归纳梳理，并对各种方法的不确定性进行了分析；提出了崩塌（滚石）灾害运动特征综合预测方法，并相应提出了山区输变电工程崩塌（滚石）灾害运动特征预测方法和防护设计。 .④基于滚石运动随机性特征、概率学理论等，延伸开展了滚石灾害的风险评价方法和防灾减灾等方面的研究，并在四川和北京等多处崩塌（滚石）灾害进行了应用分析。.本研究给出了滚石空间运动随机性的宏细观影响因素，建立了获取和表征细观因子的方法、技术和流程。该成果可为后续相关研究者提供直接的技术和方法支撑。揭示细观尺度下滚石运动随机性的内在机理，为认识滚石运动的本质提供了基础。在相关研究的基础上，提出了滚石灾害运动特征综合预测方法和滚石灾害的风险评价方法。该研究成果可为滚石（崩塌）灾害的运动预测和实际防灾减灾等提供参考。