论文部分内容阅读
崩塌落石是山区高陡边坡中一种常见的自然地质灾害，也是我国地质灾害的主要类型之一。崩塌落石的形成条件以及在坡面上的运动过程受到诸多复杂因素的影响，且大多具有随机性和不可控制性，从而使得崩塌落石的运动表现出极其复杂而难以预测的演化特征。正是由于崩塌落石的这种不确定性，往往导致比较严重的灾害后果。由此可见，开展崩塌落石运动危险域和强度预测方面的研究，对于崩塌落石的预警预报和防灾减灾具有重要意义。
基于以上考虑，本文以台山市下川岛1116号边坡为研究背景，以崩塌落石运动危险域和强度预测为研究目标，采用现场调查、理论分析与数值分析相结合的方法，首先对崩塌落石形成的内外条件、运动影响因素以及分类作了较为系统的总结；然后根据运动学的基本原理，对崩塌落石失稳后初始运动状态下的计算模型和坡面运动状态下的计算模型分别进行了探讨；在此基础上，运用正交试验设计方法研究了影响崩塌落石运动危险域的因素、并运用运动学计算方法和软件模拟方法分别研究了崩塌落石的危险域，并就其结果进行对比分析；其次，运用层次分析—模糊综合评判方法对崩塌落石的强度等级进行预测；最后，对崩塌落石防护措施的布置及其防治效果分析也进行了初步探讨。
本文主要研究内容及成果如下：
(1)根据崩塌落石孕育过程中所赋存的地质环境条件以及诱发崩塌落石失稳的触发因素，将崩塌落石的形成条件划分为两大类，其中必要条件(内在条件)包括斜坡地形地貌、地层岩性、地质构造以及水文地质条件等；外在条件(充分条件)包括降雨、风化作用和温差、植被、地震以及人类工程活动等。根据落石运动过程，将落石运动影响因素划分为三大类，其中坡面形态包括坡高、坡度、坡形等；坡面地质力学性质包括坡面粗糙程度、植被覆盖情况、坡面覆盖岩屑或土质的物理性质、出露基岩的硬度等；落石自身特征包括落石形状、大小、坚硬程度等。在此基础上，根据落石初始状态、坡面运动形式以及造成的危害性，将崩塌落石分为三大类，其中按初始运动状态分为转动式、滑移式和坠落式；按坡面运动形式分为滑动式、坠落式、自由飞落、碰撞跳跃式和滚动式；按失稳后造成的危害性分为特大级、重大级、较大级和一般级。
(2)阐述了崩塌落石运动学特征参数的计算方法及其在工程实践中的用途，其中落石最大水平运动距离可用于评估落石可能产生灾害的范围；落石运动能量可用于度量落石可能造成的灾害程度以及防护结构所需的强度；落石弹跳高度则可用于防护结构的几何尺寸设计。
(3)在崩塌落石运动影响因素以及特征参数分析的基础上，运用正交试验设计方法对下川岛1116号边坡典型崩塌落石的运动影响因素进行了定量分析和评价。其中正交试验极差分析结果显示：坡面覆盖特征(B)、崩落点初始位置(C)对考察指标(落石水平运动距离)的影响最大，且两者具有同等影响效果，而落石质量(D)影响效果次之，落石形状(A)影响最小，落石运动距离最远的因素水平组合为A2B2C1D2或A2B2C1D3；正交试验方差分析结果显示：落点初始位置和坡面覆盖特征对落石最大水平运动距离几乎起到了决定性的作用，其影响效应比重分别占49.4％和46.8％，而落石质量以及落石形状的影响则微乎其微；正交试验拟合分析结果显示：当坡面被植被或碎石覆盖时，崩落体最大水平运动距离与崩落点初始高程大致呈二次函数关系，当坡面基岩裸露时，崩落体最大水平运动距离与崩落点初始高程大致呈线性函数关系，同一崩塌点崩落的块石，坡面质地越坚硬其最大水平运动距离越远。
(4)运用运动学理论计算方法和软件模拟方法分别对下川岛1116号边坡典型剖面上的崩塌落石运动危险域进行了研究，其中理论计算的运动危险域为距崩落点约93.19m范围内的区域，而RockFall软件模拟计算的危险域为距离崩落点约87.85m范围内的区域，理论计算结果偏大的主要原因是计算过程中未考虑空气阻力等因素的影响。
(5)根据崩塌落石强度等级以及影响因子等级划分的标准，建立了用于崩塌落石强度预测评判的评价集和因子集。同时，将层次分析法求得的因子集权重向量引入模糊综合评判系统，建立了基于层次分析—模糊综合评判的崩塌落石强度等级预测模型，并对下川岛1116号边坡所选取的10个典型危岩体发生崩落的强度等级进行了预测。预测结果显示危岩体发生Ⅰ级和Ⅳ级崩塌落石的比重各占30％，发生Ⅱ级和Ⅲ级崩塌落石的比重各占20％。在此基础上，根据不同强度等级的崩塌落石提出了相应的防护措施，其中对于Ⅰ级崩塌落石采用支顶为主的措施；对于Ⅱ级和Ⅲ级崩塌落石采用拦截为主的措施；对于Ⅳ级崩塌落石采用清除为主的措施。
(6)通过1116号边坡崩塌落石运动学特征分析，建议在边坡坡脚附近较平缓的地段设置两道被动防护网，其设计防护能级为2500KJ，防护网高度为6.0m。在此基础上，运用Rockfall软件模拟分析，对其拦截效果进行了分析评价。模拟结果显示：一级拦石网的拦截效率为44％，二级拦石网的拦截效率为56％，两级拦石网拦截效率达100％，满足了防护设计的要求。