岩质边坡危岩落石室内模型试验研究

摘要

我国西南山区地形条件和地质条件都较为复杂，地质灾害较为发育。危岩落石作为西南山区常见地质灾害的一种，每年给各种线性和带状结构工程，特别是作为我国主要交通运输方式和全国旅客周转和货运周转的重要工具的铁路，带来的国民经济和人民生命财产安全损失颇为严重。据铁道部统计，全国铁路沿线每年平均发生崩塌落石达数千处，危害严重且普遍，是山区交通工程的重大隐患之一。
　　由于落石本身运动的复杂性、不确定性、突发性且影响因素繁多，许多问题尤其是工程应用中如何对落石进行防护设计，需要进一步研究，分析问题，找出规律，提出相应处治措施。
　　本文以岩质边坡的落石运动为研究对象，进行了落石室内模型试验、落石运动轨迹及关键参数理论分析及落石运移距离敏感性分析等研究，并对贵广线羊甲隧道出口处危岩落石灾害进行分析，得到了以下研究成果:
　　(1)以山区铁路最常见的复合式坡形为原型，进行了危岩落石室内模型试验，主要结论有:①落石的水平距离以薄片形落石（启动方式为竖向圆盘滚动）最大，其次是类球形和方形落石，长条形落石最小。②落石质量及坡面特征对水平运动距离的影响不显著，但落石质量仍与其成一定正相关。③落石形状直接影响其横向偏移能力，长条形、薄片形落石的横向偏移能力要比类球形、方形落石强，但随机性较大。④类球形的冲击力最大，其次是方形，而长条形与薄片形相差不大。落石质量与冲击力系数成负相关关系，即冲击力系数随着落石质量增大而减小。
　　(2)落石试验表明，长条形、薄片形落石的横向偏移能力要比类球形、方形落石强;此外，99.38％的落石横向偏移比小于0.25，97.22％的落石横向偏移比小于0.2，78.70％的落石横向偏移比小于0.1。由此建议落石的横向偏移比取值0.3。
　　(3)建立了考虑边坡坡度、坡高、坡面覆盖层情况和落石质量、形状五个因素的落石运移距离神经网络预测模型，在获得落石发生区域的上述五个指标时，即可预测落石的运移距离。
　　基于参数变化敏感性分析表明:①坡度方面:在41.08°～46.98°范围内，落石的运移距离随着边坡坡度增加而减小。②坡高方面:落石的运移距离与边坡高度成正比。③坡面覆盖层方面:坡面覆盖层强度由1.0增至1.6时，落石的运移距离急剧减小;坡面条件由由1.6增至2.6时，落石运移距离随之增大而增大;坡面条件由2.6到3.0时，落石的运移距离变化较小，即受其影响很小。④落石质量方面:落石的运移距离与落石的质量成正比。而当落石质量范围在[0.22kg，0.30kg]内时，落石的运移距离随落石质量的增加趋势不明显。⑤落石形状方面:运移距离最大的是类球形落石，方形落石次之;长条形落石的运移距离最小;薄片形落石运移距离由于受运动模式影响较大，试验中没有呈现规律性差异。
　　此外，对网络连接权重的研究表明，相关因素对落石运移距离的影响程度从大到小依次为:坡面条件(34.69％)、边坡高度(23.05％)、边坡坡度(18.45％)、落石的形状(14.55％)、落石质量(9.26％)。
　　(4)以贵（州）—广（州）高速铁路贵阳至贺州段DK171+774～DK172+041处羊甲隧道仰、斜坡为研究对象，利用隧道洞口段落石风险评估系统(Rock Hazard RatingSystem of Tunnel Portal Section)对该隧道出口处危岩落石风险等级进行评估，评估结果为“危险”;同时利用RocFall软件模拟分析落石运动弹跳高度、运动能量和运动速度并以此为依据进行落石灾害综合防治。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究背景和意义

1．1．1 危岩落石灾害的提出

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 落石运动轨迹的推导计算

1．2．2 落石灾害的防治措施与方法

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 论文主要研究内容

1．3．2 论文研究技术路线

第2章 危岩落石的运动计算模型及关键参数分析

2．1 引言

2．2 假设

2．3 运动学计算方法

2．3．1 自由落体运动

2．3．2 滑动运动

2．3．3 滚动运动

2．3．4 跳跃运动

2．3．5 碰撞运动

2．4 关键参数影响分析

2．4．1 滚动摩擦系数

2．4．2 边坡坡面恢复系数

第3章 落石室内模型试验

3．1 引言

3．2 落石模型试验原理

3．2．1 Azzoni(1995)的落石偏移比原理

3．3 试验方案设计

3．3．1 试验坡段模型设计

3．3．2 试验仪器

3．3．3 模型边坡制作

3．3．4 试验落石模型设计及坡段模型坡面设计

3．3．5 模型试验过程

3．4 试验结果分析

3．4．1 不同形状落石试验现象

3．4．2 各因素对水平运动距离的影响分析

3．4．3 落石偏移特征分析

3．4．4 冲击力分析

3．5 本章小结

第4章 落石运移距离的预测研究

4．1 引言

4．2 落石的运移距离

4．3 人工神经网络—BP神经网络简介

4．3．1 人工神经网络

4．3．2 BP神经网络的基本原理

4．4 落石运移距离的神经网络预测模型

4．4．1 样本数据

4．4．2 样本数据的分配和预处理

4．4．3 落石运移距离的神经网络预测模型

4．4．4 网络性能的预测

4．5 落石运移距离的基于参数变化敏感性分析

4．5．1 边坡坡度对落石运移距离的影响

4．5．2 边坡高度对落石运移距离的影响

4．5．3 落石质量对落石运移距离的影响

4．5．4 坡面覆盖层对落石运移距离的影响

4．5．5 落石形状对落石运移距离的影响

4．6 落石运移距离的基于网络权重敏感性分析

4．6．1 Garson算法

4．6．2 相关因素对落石运移距离的影响程度分析

4．7 本章小结

第5章 隧道洞口危岩落石灾害综合防治实例分析

5．1 引言

5．2 隧道洞口段危岩落石风险评估

5．2．1 初步定性评估

5．2．2 细部定量评估

5．3 贵广线羊甲隧道出口处危岩落石风险评估

5．3．1 羊甲隧道出口处概况

5．3．2 羊甲隧道出口处危岩落石概况

5．3．3 羊甲隧道出口处危岩落石风险评估

5．4 危岩落石数值模拟及安全防护

5．4．1 RocFall建模及参数的确定

5．4．2 危岩落石Ⅱ区威胁区域数值模拟

5．4．3 危岩落石Ⅲ区威胁区域数值模拟

5．4．4 危岩落石整治范围的原则

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献