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西南山区某铁路隧道口高位落石三维运动特征分析

王栋 王剑锋 李天斌 曾鹏 马俊杰 陈伟

王栋, 王剑锋, 李天斌, 等, 2021. 西南山区某铁路隧道口高位落石三维运动特征分析. 地质力学学报, 27 (1): 96-104. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.01.010
引用本文: 王栋, 王剑锋, 李天斌, 等, 2021. 西南山区某铁路隧道口高位落石三维运动特征分析. 地质力学学报, 27 (1): 96-104. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.01.010
WANG Dong, WANG Jianfeng, LI Tianbin, et al., 2021. Analysis of three-dimensional movement characteristics of rockfall: A case study at a railway tunnel entrance in the southwestern mountainous area, China. Journal of Geomechanics, 27 (1): 96-104. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.01.010
Citation: WANG Dong, WANG Jianfeng, LI Tianbin, et al., 2021. Analysis of three-dimensional movement characteristics of rockfall: A case study at a railway tunnel entrance in the southwestern mountainous area, China. Journal of Geomechanics, 27 (1): 96-104. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.01.010

西南山区某铁路隧道口高位落石三维运动特征分析

doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.01.010
基金项目: 

四川省科技厅重点研发项目 2019YFG0460

中铁二院工程集团有限公司科研项目 科2017-10

中国铁路总公司科技研究开发计划课题 2017G008-F

详细信息
    作者简介:

    王栋(1982-), 男, 高级工程师, 主要从事铁路工程地质工作。E-mail: 99927394@qq.com

    通讯作者:

    李天斌(1964-), 男, 博士, 教授, 主要从事地下工程、斜坡地质灾害领域的教学与研究工作。E-mail: ltb@cdut.cn

  • 中图分类号: P642;TU457

Analysis of three-dimensional movement characteristics of rockfall: A case study at a railway tunnel entrance in the southwestern mountainous area, China

  • 摘要: 西南山区某铁路隧道口上部广泛分布着高位危岩体,对下部隧道建(构)造物具有严重的威胁。采用Rockfall Analyst软件对该隧道上部五类不同尺寸的高位危岩体进行三维运动轨迹数值模拟,研究表明:研究区的高位危岩落石具有弹跳高度大、速度快、冲击能量高的特点;弹跳高度、运动速度与危岩落石的质量无关,冲击能量大小与落石质量成正比。分析表明:该地区高位危岩体的防护应避免单一防护措施,建议综合使用多种防护措施。

     

  • 图  1  落石自由飞落模型

    (V0xV0yV0z分别为沿xyz方向的初始运动速度)

    Figure  1.  Free falling model of rockfall

    图  2  研究点危岩体分布图

    Figure  2.  Distribution map of the unstable rock masses at the study site

    图  3  地表特征空间分布

    Figure  3.  Spatial distribution of the surface characteristics

    图  4  危岩落石三维轨迹

    红色线条代表潜在危岩源,黄色线条代表运动轨迹,蓝色线条代表典型轨迹线

    Figure  4.  Three-dimensional trajectory of the rockfalls

    图  5  危险性区划分布图

    Figure  5.  Hazard zoning map

    图  6  运动轨迹特征曲线

    Figure  6.  Trajectory characteristics of the rockfalls

    图  7  最大运动特征值图

    Figure  7.  Chart showing the maximum motion eigenvalues

    图  8  存在拦挡结构危岩落石三维轨迹

    红色线条代表潜在危岩源,黄色线条代表运动轨迹

    Figure  8.  Three-dimensional trajectory of the rockfalls with barrier

    图  9  存在拦挡结构危险性区划分布图

    Figure  9.  Hazard zoning map with barrier

    表  1  落石碰撞恢复系数及滚动摩擦系数(吕庆等,2003)

    Table  1.   Restitution coefficients and rolling friction coefficient of the rockfall collision(Lv et al., 2003)

    坡面特征 法向恢复系数eN 坡面特征 切向恢复系数eT 坡面特征 滚动摩擦系数tanβγ
    光滑而坚硬的表面和铺砌面,如人行道或光滑的基岩面 0.37~0.42 光滑而坚硬的表面和铺砌面,如人行道或光滑的基岩面 0.87~0.92 光滑岩面、混凝土表面 0.40~0.60
    多数为基岩或砾岩区的斜面 0.33~0.37 多数为基岩和无植被覆盖的斜坡 0.83~0.87 块石堆积坡面 0.55~0.70
    多数为有少量植被的斜坡 0.82~0.85
    硬土边坡 0.30~0.33 植被覆盖的斜坡或有稀少植被覆盖的土质边坡 0.80~0.83 密实碎石堆积坡面、硬土坡面 0.55~0.85
    软土边坡 0.28~0.3 灌木林覆盖的土质边坡 0.78~0.82 松散碎石坡面、软土坡面 0.50~0.85
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    表  2  危岩落石尺寸

    Table  2.   Sizes of the rockfalls

    危岩编号 L/m B/m H/m 不规则系数k 岩性 体积V/m3 密度ρ/(kg/m3) 质量m/kg
    W1 0.18 0.19 0.10 0.90 花岗岩 0.0031 2850 约10
    W2 0.46 0.23 0.22 0.75 花岗岩 0.0175 2850 约50
    W3 1.30 1.00 0.37 0.65 花岗岩 0.3127 2850 约1000
    W4 2.47 1.63 0.89 0.60 花岗岩 2.1499 2850 约6200
    W5 3.82 3.89 3.10 0.70 花岗岩 32.2458 2850 约92000
    注:①不规则系数k根据现场不规则程度决定;②V=L×B×H×k; ③m=ρ×V
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    表  3  坡面特征计算参数表

    Table  3.   Table of calculation parameters for the slope features

    坡面特征 法向恢复系数eN 切向恢复系数eT 动摩擦角/(°)
    硬岩+大量植被 0.37 0.85 13
    风化岩石坡面 0.35 0.85 15
    风化岩石坡面+少量植被覆盖 0.33 0.75 18
    岩堆 0.30 0.82 20
    岩土坡面 0.28 0.82 23
    岩土坡面+少量植被 0.25 0.78 25
    岩土坡面+大量植被 0.20 0.60 30
    房屋 0.40 0.85 10
    泥坡+植被 0.30 0.75 21
    路基路面 0.40 0.90 10
    水(遇水停止) 0.00 0.00 89
    大棚 0.10 0.30 50
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    表  4  落石初始运动参数

    Table  4.   Initial motion parameters for the rockfalls

    危岩编号 质量m/kg 初始水平速度Vp/(m/s) 初始竖向速度V0z/(m/s) 初始弹跳高度h/m
    W1 约10 0.30 0.30 0.05
    W2 约50 0.30 0.30 0.05
    W3 约1000 0.30 0.30 0.05
    W4 约6 200 0.30 0.30 0.05
    W5 约92 000 0.30 0.30 0.05
    注:${V_{\rm{P}}} = \sqrt {V_{0x}^2 + V_{0y}^2} $(V0xV0y为沿x和沿y向的初始水平速度)
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    表  5  不同落石尺寸的最大运动特征值

    Table  5.   Maximum motion eigenvalues of different sized rockfalls

    危岩编号 质量m/kg 弹跳高度/m 速度/(m/s) 冲击能量/kJ
    W1 约10 77.07 71.16 22.21
    W2 约50 57.77 68.31 116.10
    W3 约1000 45.90 61.33 2864.00
    W4 约6200 45.92 61.06 11423.00
    W5 约92000 43.00 61.00 170974.00
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    表  6  常见滚石防护结构选择的依据(何思明等,2015)

    Table  6.   Basis for choosing protective structures for common rockfalls(He et al., 2015)

    主动防治 被动防治
    清除危岩/m3 混凝土喷锚/m2 主动柔性防护/m2 被动柔性防护/m3 棚洞/kJ 落石槽/kJ 柔性挡石墙/kJ
    0~500 300~1500 100~1000 200~1000 1000~3000 100~500 1000~5000
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  • AGLIARDI F, CROSTA G B, 2003. High resolution three-dimensional numerical modelling of rockfalls[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40(4): 455-471. doi: 10.1016/S1365-1609(03)00021-2
    CHEN Z X, YE X, ZHANG W B, et al, 2019. Formation mechanism analysis and stability evaluation of dangerous rock collapses based on the oblique photography by unmanned aerial vehicles[J]. China Earthquake Engineering Journal, 41(1): 257-267, 270. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-ZBDZ201901037.htm
    GU H T Z, WANG T W, 1992. Research on prediction method of rockfall trajectory[J]. Railway Engineering(8): 8-13. (in Chinese)
    GUZZETTI F, CROSTA G, DETTI R, et al, 2002. STONE: a computer program for the three-dimensional simulation of rock-falls[J]. Computers & Geosciences, 28(9): 1079-1093.
    HE S M, WU Y, LI X P, 2009. Research on restitution coefficient of rock fall[J]. Rock and Soil Mechanics, 30(3): 623-627. (in Chinese with English abstract) http://www.researchgate.net/publication/290228032_Research_on_restitution_coefficient_of_rock_fall
    HE S M, WANG D P, WU Y, et al, 2015. Formation and evolution mechanism of collapse and rockfall disaster and key technology of disaster reduction[M]. Beijing: Science Press: 6-19. (in Chinese)
    HU C, 2014. Instability mechanism of high steep dangerous rock body and law of motion of rolling stones[D]. Jinan: Shandong University. (in Chinese with English abstract)
    HU J, LI S C, SHI S S, et al, 2018. Model test study of rockfall impacts on tunnel heading slope and discussion of related mechanisms[J]. Rock and Soil Mechanics, 39(7): 2527-2536. (in Chinese with English abstract)
    HUANG R Q, LIU W H, 2009. In-situ test study of characteristics of rolling rock blocks based on orthogonal design[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 28(5): 882-891. (in Chinese with English abstract)
    JIA Y C, XIE M W, CHANG S X, et al, 2017. A model for evaluation of stability of sliding- and falling-type dangerous rock blocks based on natural vibration frequency[J]. Rock and Soil Mechanics, 38(7): 2149-2156. (in Chinese with English abstract) http://www.researchgate.net/publication/321106294_A_model_for_evaluation_of_stability_of_sliding-_and_falling-type_dangerous_rock_blocks_based_on_natural_vibration_frequency
    JIAO P F, 2017. Study on Rockfall hazard assessment of mountainous highway based on the digital image processing[D]. Xi'an: Chang'an University. (in Chinese with English abstract)
    LAN H X, MARTIN C D, LIM C H, 2007. Rockfall analyst: a GIS extension for three-dimensional and spatially distributed rockfall hazard modeling[J]. Computers & Geosciences, 33(2): 262-279.
    LIU H J, LAN H X, 2012. Rockfall disaster simulation and risk assessment on the Dujiangyan-Wenchuan highway after "5.12" earthquake[J]. Resources Science, 34(2): 345-352. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-ZRZY201202021.htm
    LIU H Y, WANG X L, LI L H, et al, 2017. Application of UAV aerial photogrammetry for Rockfall disaster survey[J]. Journal of Engineering Geology, 25(S1): 82-87. (in Chinese with English abstract)
    LIU W H, 2008. Study on stability, movement characteristics and countermeasures of potential unstable rock mass in high-steep slope[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology. (in Chinese with English abstract)
    LV Q, SUN H Y, ZHAI S K, et al, 2003. Evaluation models of rockfall trajectory[J]. Journal of Natural Disasters, 12(2): 79-84. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-ZRZH200302013.htm
    TANG H M, YI P Y, 2003. Research on dangerous rock movement route[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University, 25(1): 17-23. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-JIAN200301004.htm
    WANG J C, SUN J H, 2019. Characteristics and stability analysis of rock collapse of low-angled Red-bed slope in East Sichuan[J]. Journal of Geomechanics, 25(6): 1091-1098. (in Chinese with English abstract)
    WANG J, HUANG B L, ZHANG Q, et al, 2020. Study on generalized model of collapse-deposit characteristics of cataclastic and columnar dangerous rock mass[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 51(2): 136-143. (in Chinese with English abstract)
    WANG Y S, YANG G Z, 2010. Rockfall risk assessment for a tunnel portal section[J]. Modern Tunnelling Technology, 47(6): 33-39. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-XDSD201006007.htm
    WU M, HE W G, ZHANG B, et al, 2017. Investigation of late quaternary activity along Subei fault[J]. China Earthquake Engineering Journal, 39(2): 285-293. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-ZBDZ201702014.htm
    XIANG X, 2010. Research on motion characteristics and impact force of rockfall[D]. Wuhan: China University of Geosciences (Wuhan). (in Chinese with English abstract)
    XU T H, JIN W X, SUN S Q, et al, 2019. Study on feature of dangerous rock of Purple Mountain in Tibet and its stability and movement characteristics[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 50(1): 169-178. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-SJWJ201901022.htm
    YANG H Q, ZHOU X P, 2009. A new approach to calculate trajectory of rockfall[J]. Rock and Soil Mechanics, 30(11): 3411-3416. (in Chinese with English abstract) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YTLX200911041.htm
    YAO W L, YUE R, 2015. Advance in controversial restitution coefficient study for impact problems[J]. Journal of Vibration and Shock, 34(19): 43-48. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-ZDCJ201519008.htm
    YE S Q, 2008. Research and mitigation of rockfall hazards at tunnel entrance and exit[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University. (in Chinese with English abstract)
    YE S Q, CHEN H K, TANG H M, 2010. Rockfall mitigation techniques and its characteristics[J]. Highway(7): 80-85. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-GLGL201007020.htm
    ZHANG G C, XIANG X, TANG H M, 2011. Field test and numerical calculation of restitution coefficient of rockfall collision[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 30(6): 1266-1273. (in Chinese with English abstract) http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb201106021
    ZHANG G C, TANG H M, XIANG X, 2012. Characteristic parameters theoretical analysis of rockfall impact on ground[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 31(S1): 2839-2846. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-YSLX2012S1030.htm
    ZHANG J J, CHEN L, WANG J C, et al, 2018. Study of disaster-inducing geological conditions of collapse and landslide along Lulang-Tongmai in Se Tibet[J]. Journal of Geomechanics, 24(4): 474-481. (in Chinese with English abstract) http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-DZLX201804012.htm
    陈宙翔, 叶咸, 张文波, 等, 2019. 基于无人机倾斜摄影的强震区公路高位危岩崩塌形成机制及稳定性评价[J]. 地震工程学报, 41(1): 257-267, 270. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZBDZ201901037.htm
    古贺泰之, 王天威, 1992. 落石运动轨迹预测方法的研究[J]. 铁道建筑(8): 8-13. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDJZ199208004.htm
    何思明, 吴永, 李新坡, 2009. 滚石冲击碰撞恢复系数研究[J]. 岩土力学, 30(3): 623-627. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200903010.htm
    何思明, 王东坡, 吴永, 等, 2015. 崩塌滚石灾害形成演化机理与减灾关键技术[M]. 北京: 科学出版社: 6-19.
    胡聪, 2014. 高陡边坡危岩体失稳机理及其崩塌滚石运动规律[D]. 济南: 山东大学.
    胡杰, 李术才, 石少帅, 等, 2018. 隧道仰坡落石冲击模型试验研究与机制探讨[J]. 岩土力学, 39(7): 2527-2536. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201807025.htm
    黄润秋, 刘卫华, 2009. 基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 28(5): 882-891. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200905006.htm
    贾艳昌, 谢谟文, 昌圣翔, 等, 2017. 基于固有振动频率的滑移式和坠落式危岩块体稳定性评价模型研究[J]. 岩土力学, 38(7): 2149-2156. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201707040.htm
    焦盼飞, 2017. 基于图像处理的边坡崩塌危险性评价研究[D]. 西安: 长安大学.
    刘海洋, 王学良, 李丽慧, 等, 2017. 无人机航空摄影测量技术在崩塌灾害调查中的应用[J]. 工程地质学报, 25(S1): 82-87. https://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-GCDZ201711001012.htm
    刘洪江, 兰恒星, 2012. "5.12"震后都江堰-汶川公路崩塌灾害模拟及危险性评价[J]. 资源科学, 34(2): 345-352. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZY201202021.htm
    刘卫华, 2008. 高陡边坡危岩体稳定性、运动特征及防治对策研究[D]. 成都: 成都理工大学.
    吕庆, 孙红月, 翟三扣, 等, 2003. 边坡滚石运动的计算模型[J]. 自然灾害学报, 12(2): 79-84. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZH200302013.htm
    唐红梅, 易朋莹, 2003. 危岩落石运动路径研究[J]. 重庆建筑大学学报, 25(1): 17-23. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JIAN200301004.htm
    王健, 黄波林, 张全, 等, 2020. 碎裂化柱状危岩体崩塌-堆积特征概化模型研究[J]. 水利水电技术, 51(2): 136-143. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJWJ202002016.htm
    王军朝, 孙金辉, 2019. 川东红层缓倾角岩质崩塌特征与稳定性分析[J]. 地质力学学报, 25(6): 1091-1098. https://journal.geomech.ac.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20190610&journal_id=dzlxxb
    王玉锁, 杨国柱, 2010. 隧道洞口段危岩落石风险评估[J]. 现代隧道技术, 47(6): 33-39. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201006007.htm
    吴明, 何文贵, 张波, 等, 2017. 野马河-大雪山断裂肃北段晚第四纪活动特征研究[J]. 地震工程学报, 39(2): 285-293. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZBDZ201702014.htm
    向欣, 2010. 边坡落石运动特性及碰撞冲击作用研究[D]. 武汉: 中国地质大学(武汉).
    许腾晖, 金文祥, 孙书勤, 等, 2019. 西藏紫金山危岩特征及稳定性和运动特性研究[J]. 水利水电技术, 50(1): 169-178. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJWJ201901022.htm
    杨海清, 周小平, 2009. 边坡落石运动轨迹计算新方法[J]. 岩土力学, 30(11): 3411-3416. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200911041.htm
    姚文莉, 岳嵘, 2015. 有争议的碰撞恢复系数研究进展[J]. 振动与冲击, 34(19): 43-48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201519008.htm
    叶四桥, 2008. 隧道洞口段落石灾害研究与防治[D]. 成都: 西南交通大学.
    叶四桥, 陈洪凯, 唐红梅, 2010. 危岩落石防治技术体系及其特点[J]. 公路(7): 80-85. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL201007020.htm
    章广成, 向欣, 唐辉明, 2011. 落石碰撞恢复系数的现场试验与数值计算[J]. 岩石力学与工程学报, 30(6): 1266-1273. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201106026.htm
    章广成, 唐辉明, 向欣, 2012. 冲击地面过程中落石特征参量的理论分析[J]. 岩石力学与工程学报, 31(S1): 2839-2846. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2012S1030.htm
    张佳佳, 陈龙, 王军朝, 等, 2018. 藏东南鲁朗-通麦崩塌滑坡孕灾地质背景特征研究[J]. 地质力学学报, 24(4): 474-481. https://journal.geomech.ac.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20180404&journal_id=dzlxxb
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-13
  • 修回日期:  2020-06-13
  • 刊出日期:  2021-02-28

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