崩塌落石运动参数的数值模拟研究

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1、万方数据第∞卷2008年第3期3月中国水运ChinaWaterTransportVoI．8MarchNo．32∞8崩塌落石运动参数的数值模拟研究韦启珍1，雷秀丽2(1湖南电力勘测设计院勘测部，湖南长沙410007；2福州市建筑设计院，福建福州350(X)1)摘要：求落石参数一般是通过经验性分析及现场试验，但两者都有不同的优缺点，在收集资料相对有限前提下，本文采用了数值模拟软件口ockfa／1软件进行，它考虑到了岩块的几何形状、大小和密度、初始运动方式、坡面几何形态、坡面粗糙度、坡面滑动和滚动摩擦系数、法向和切向阴尼系数等基本输

2、入参数及其不确定性特征，可模拟得出落石的冲击动能、弹跳高度、运动轨迹及它们的统计结果，较好地反映了荔石真实下落过程，从而能结合野外实地调查确定下落过程的运动学参数，为我们反演计算提供依据。关键词：崩塌落石；粗糙度；弹跳高度；运动轨迹中图分类号：阳42．21文献标识码：A文章编号：1006-7973(2∞8)03-0165-02一、Rockfa

3、I基本原理落石坡面情况运动复杂，运用现场抛石试验需要花费大量的时间及人力、物力，而由于资料较粗略，运用经验性分析也不能较确切地反映落石运动特征。本次所采用的由瑞士布鲁克集团公司开发的Ro

4、cMaU软件模拟落石运动。在已知边坡特征(几何形态、坡角、坡面摩擦和阻尼系数)和落石初始运动特征(运动方式、速度大小和方向)的前提下，从理论上来说，是可以完全计算出落石的整个运动轨迹及其运动过程参数的。在Rockhll软件模拟过程中，遵循如下几点规律：①当坡面由陡变缓时，滚动或滑动运动模式不变，但在过渡点会发生由运动方向改变引起的速度减小，在这里不考虑过度点的阻力作用，这种考虑从最终的防护结构设计来看是偏于保守的。②当坡面由缓变陡时，以滚动或滑动模式运动的落石将改变为弹跳运动模式。③当坡面法向阻尼系数较大而使落石不能继续弹跳进

5、时，(法向计算速度为零或负值)，以弹跳模式运动的落石将转化为滚动或滑动模式。如(图1)所示，在落石以滚动或滑动模式运动时，其运动轨迹即为坡面形状，其运动速度的变化主要受坡面摩擦作用控制，X'J平馈王坡面的运动速度可计算为：V’=【V2十幻s厂(1)口=g(sinO—pcosO)(2)l，’----V,cos(O,一口)(3)，式中，V为计算点的落石速度，y为计算段初始点的落石运动速度，⋯l为前一计算点的落石运动速度，e，为前一计算段的坡面角，g为重力加速度(9．8m／s2)，a、s、0、p分男q为计算段内落石运动加速度、运动距

6、离(坡面长度)、坡面角和坡角摩擦系数(根据滚动或滑动模式区别采用相应的滚动或滑动摩擦系数)。从计算方式可以看出，两计算点间的坡面必须具有相同的坡面倾角和摩擦系数，若有不同，则必须分段计算。按些方法从运动起点一直计算到运动停止点、运动模式改变点或坡脚止落点。计算中的摩擦系数一般宜通过简单的现场滚石试验获得。图1滚动或滑动模式计算示意图图2弹跳运动模式计算示意图如(图2)所示，在弹跳运动模式下，其运动轨迹为各触地点间落石运动抛物线段的组合，其运动速度的大小和方向均受坡面阻尼作用的影响，则触地后的落石弹起速度可计算为：1，，=Alc

7、osO-A2sin0(4)y，”=-^譬n口吐呼口2AI=R，(1，，cosO一'，，．sin目)‘bJA．=尺～sinO+v．．cos#)"nx-x，(7)未-中：o为计算点的坡面角，《、1，：、《、1，：分别为落石触地弹跳前后x和y方向(水平和铅直方向)上的速度，收稿日期：2008—02—20作者简介：韦启珍男湖南电力勘测设计院勘测部硕士(410007)万方数据166中国水运第∞卷R、R分别为计算点处坡面的切向和法向阻尼系数，以此计算速度作为落石抛物线运动轨迹的初始速度，可以计算出下一触地点前的瞬间速度大小和方向、触地点位

8、置(运动抛物线与坡面线的解析交点)，并再次重复前一计算过程，如此不断进行，直到运动模式改变、运动停止或到达坡脚落点为止。计算过程中所需要的坡面阻尼系数取决于坡面覆盖层和植被特征，其值大小可通过表1和表2进行经验性选取。表1切向阻尼系数建议值切向阻尼系数Rt坡面特征O．87～0．92o．83—0．870．82—0．850．80一O．830．78—0．82光滑坚硬的表面，如铸砌面或光滑的层状岩石表面基岩表面和无植被的崩塌堆积体有少量植被的崩塌或砾石堆积体植被覆盖的崩塌堆积体扣植被稀少的土质边坡灌木覆盖的土质边坡表2法向阻尼系数建议

9、值法向阻尼系数Rn坡面特征O．37～O．42O．33～0．370．30_0．33O．28～0．30图6当水平位置为x=25．778m时的距离坡面的弹跳高度先滑坚硬的表面，如锗砌面或光滑的层状岩石表面基岩表面和砾石边坡图7水平位置为x=50．912m时的距离坡面的弹跳高度崩塌堆