基于地震岩崩边坡滚石运动特征研究

围绕"5.12"汶川地震诱发大量崩塌滚石这一事件，利用震后形成的1:1天然滚石实验场，通过不同阶段分层次的野外地质调查与滚石在坡表运动遗留痕迹的判识，借助三维岩体激光测量，掌握典型滚石运动轨迹；在查明滚石形状与尺寸及其在坡面总体分布特征的基础上，结合坡角、坡面覆盖层性质，选取正交分析因素，确定因素水平，采用极差分析与多元回归法推导滚石运动方程，建立滚石运动特征概率分析方法；测试滚石碰撞点岩土体物理力学性质、设计非弹性碰撞恢复系数模拟试验,并结合现场典型滚石运动轨迹，计算滚石碰撞点入射及反弹速度，反演恢复系数、阻力系数与冲击强度；在考虑坡面阻滞、平台停积、树木拦挡等消能方式的前提下，提出滚石被动防护工程适宜性或合理避让范围。项目研究成果对非地震力作用失稳危岩的滚石运动也是适用的，因而具推广应用价值。

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。课题研究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、跳跃与三种方式的组合。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。. 斜坡滚石运动特征与坡表覆盖层特征、滚石形状、坡面角度、滚石质量等主要因素有关，选择不同坡表覆盖层对不同形状、质量的滚石，采用不同坡面角度设计正交试验（L27（3^4）），得到滚石斜坡运动影响因子排序：坡表特性X1、滚石形状X2、坡角X3、滚石质量X4。回归分析得出斜坡滚石运动估算速度公式：Vc=-7.85X1^0.50+0.47X2^3.22+2.97X3^0.24，与试验实测值进行对比，得出相对误差为8.2%，相关系数为 r=0.92。利用回归方程分析单因素的影响趋势，结果表明：坡表特征与速度有明显线性负相关关系、滚石形状与速度呈上凹型曲线、坡角与速度呈下凹型曲线的数学关系，与经验公式分析结果一致。通过现场试验，实测得到斜坡滚石速度计算简化修正公式 V=Vo+L/2.45*Vc ，对比验证与实测结果吻合较好，证明了本文计算公式的适用性和有效性。所得成果通过对前述三个影响因子进行测量与分析，可估算斜坡滚石的速度与冲击能量，对滚石的防治措施选择有参考价值。