公路落石威胁区域预测及对车辆危害研究
一、引言
公路落石是山区公路三大自然灾害之一, 具有发生点多, 面广, 规模小但危害大, 随机性强的特点。落石危害的这些特点, 使得公路落石灾害风险评估难以预测, 对该灾害防不胜防, 已成为我国西部开发和交通建设发展的制约因素之一。
如云南丽江永胜县一辆皮卡车被公路上方塌方落石砸入马过河中, 造成车上6人全部死亡的重大交通事故。
其它由于落石造成交通断道、人员伤亡等事例不胜枚举。据不完全统计, 仅三峡库区内由危岩灾害造成的直接和间接的经济损失达数亿元。落石的研究国内外主要的方法有经验法、现场试验和落石运动计算与模拟等, 目前还停留在依靠落石历史调查来确定威胁区的阶段, 对落石的研究还比较落后。本文利用能量守恒定律, 分析落石的水平最大运动距离。
二、公路落石威胁区域的确定
公路落石威胁区域由水平运动距离和横向偏移组成, 威胁区域的准确划定是正确评估灾害可能损失, 进而准确评价其危险性程度, 进行被动防治设计、防灾及应急抢险决策的基础。
(一) 公路落石水平距离的确定方法
1. 已确定的老危岩地带落石水平距离的确定方法
在工程实践中, 如果已经确定所研究的地带为危岩带, 且曾经有过落石危害。对于这种确定的危岩带, 在其坡脚下往往会留有一些历史上崩落的岩块。通过分析这些岩块, 再根据危岩带岩石的岩性和地质情况, 可以大概掌握坡脚落石的来源即可得出历史上危岩崩落后水平运动距离。如果没有留下痕迹, 可以通过查阅相关记录, 或是咨询当地相关部门, 大概了解落石历史水平距离和横向覆盖范围。通过落石历史调查可以大致确定将来危岩崩落后可能的威胁区域。同时还可以根据历史落石事件的追踪调查、查证综合确定。该方法具有较强的可操作性, 可通过现场踏勘和历史记录调查确定, 有一定经验即可。
2. 新危岩地带落石水平运动距离的确定方法
对于没有发生过落石风险的新危岩段, 可以根据危岩所在坡段的坡段特征进行危岩崩落后的运动路径计算求得落石水平滚动距离, 但该方法计算量大, 计算过程复杂, 且计算所需的各参数确定困难。本文简化其中的落石的运动轨迹, 并假设落石在运动过程中沿坡面正向滑落。根据能量守恒原理, 假设落石在运动过程中只受重力和沿坡面的摩擦力做功, 忽略其他外力对落块做的功, 则有落石的势能变化等于动能变化与克服摩擦所做功之和。
(二) 公路落石横向偏移及威胁区域的确定
由于单个落石在下落过程中, 受下落坡面不平整的影响, 落块不可避免的将产生横向位移。一般来说, 落石的横向偏移通过偏移比衡量, 偏移比是指落石停止点偏移运动坡面的距离同等效坡长的比值。偏移比一般只能通过模型实验获得, 通过参阅相关文献, 建议高速公路及一级公路偏移比可取0.4, 公路等级为二、三级偏移比可取0.3, 公路等级为四级及其它公路偏移比一般取0.2。
(三) 公路落石威胁区域的确定
公路落石突发不可预见性, 经历初始运动阶段, 碰撞等不同阶段。由2.1中知道落石水平运动距离确定方法可得出落石在相应断面水平方向可以达到的最大距离, 再结合2.2节的偏移比指标, 即可确定落石威胁区域。如果斜坡上存在多个危险点的情况, 则需要对多个点进行落块危险区域分析与计算, 并分别划定落石威胁区域, 最终可得到沿斜坡走向方向所有落石威胁区域的总体范围。
三、落石风险对公路行驶车辆的危害性研究
以落石灾害威胁区域预测为基础, 从落石崩落后, 车辆到达落块时, 落块的运动情况来分析落块对公路车辆的威胁。
(一) 落块已停止运动
当落块已停止运动时, 此时落石分两种情况;
1. 落块未停留在路面上
这种情况一般是发生在山区盘山公路上。由于路基一侧为深山或深沟, 落块到达路面的速度较大, 落块从下落点到路面的这段过程中, 重力势能做功远大于摩擦力做的功, 从而使得落块沿路面运动到路基的另一侧。此类落石对车辆的危害最小。
2. 落块停留在路面上
当落块从下落点到路面的这段过程中, 重力势能做功与摩擦力做的功大小相当时, 落块将停留在路面上。由于山区公路行车道一般较狭小、急弯较多, 落块占道将导致公路可行车道变小, 从而导致车辆在避让落块时发生交通事故。特别是如果落块停留在急弯点, 由于司机视角的盲区, 很可能导致由于落块相撞而翻车。对这类危害很可能造成交通事故, 在工程实践中应该引起重视。
(二) 落块还未停止运动
设车辆与落块相遇时, 取落块为研究对象, 由冲量定律可得由于落块与车辆相撞时间极短, 故落块对车辆的冲击力瞬间变的很大。在行进过程中的车辆一般受到沿车辆前进方向的牵引力和地面对车辆的摩擦力, 而垂直于行进方向几乎没有任何阻力, 如果瞬间受到落石沿行进方向的撞击力, 可能改变车辆行进轨道, 造成车辆损坏, 甚至引起人员伤亡。所以这类危害应当尽力在事故发生前处理好。
四、公路落石防治措施
公路落石灾害危险性由崩落概率、到达概率两个方面决定, 而落石风险评估与管理在控制落石灾害过程中起着十分重要的作用。落石的防治应该根据落块的崩落概率和到达概率两方面综合考虑。对落块崩落概率不是很大, 且通过一些措施可以使落块对公路交通的危害降到可接受程度, 则应该尽量采取预防措施;而对那些落石崩落概率较大的, 通过预防措施无法达到预期效果的, 则只能采取落石的治理与应对措施。对于公路落石灾害, 应该预防和治理双管齐下, 才能真正降低和转移公路落石灾害风险。
(一) 公路落石预防措施
落石的预防主是要针对危岩中落块不是很发育, 通过工程方法可以降低其成为落石灾害的概率, 主要措施如下:
1. 加强公路落石风险评估和管理, 制定落石危险性管理制度
开展公路落石风险评估与风险管理可以帮助决策者进行更科学化的风险管理和控制, 减少落石危害事故。主要是规范危险性评价, 建立危险性评价制度;国家或行业部门的风险准则。
2. 降低危岩崩落概率
主要是采取支撑、锚固、封填及灌浆、排水和清除等主动防治措施。
(二) 公路落石治理与应对措施
落石的治理主是要针对落石灾害的发生不可避免, 常规方法不能降低落石灾害危险性, 只能通过降低危岩崩落后到达威胁对象区域的概率来解决。主要措施如下:
(1) 阻止落石到达公路路面影响交通区域。在落石发生坡面上采取拦石墙、拦石网、以及造林等被动防护措施, 阻止落石到达路面, 对车辆形成危害。
(2) 路线改道。在一些落石高发地段, 对落石的预防和治理成本太大, 或者处理后风险达不到安全标准, 则可以对路线进行变更, 绕开落石高危地段。
五、结语
(一) 落石水平运动距离的确定是落石的危害区域范围最为重要的一环
尽管落石在一落过程中会产生横向偏移, 但在一般情况下, 横向偏移只能对落石水平运动距离产生不利的影响。所以本文充分利用能量守恒原理, 在不考虑落石横向移动情况下, 确定公路落石水平运动最远距离。这可以减小落石危害区域预测的难度, 增加其操作性。
(二) 由于落石的运动状况对车辆的伤害情况和伤害作用不同
本文以落石灾害威胁区域预测为基础, 从落石崩落后, 车辆到达落块时, 落块的运动情况来分析落块对公路车辆的威胁。通过研究发现, 运动中的落块对车辆威胁更大。
(三) 落石风险管理在控制落石灾害过程里起着十分重要的作用
开展公路落石风险评估与风险管理可以帮助决策者进行更科学化的风险管理和控制, 减少落石危害事故。
摘要：为研究公路落石下落的动态过程及威胁区域, 利用能量守恒原理, 确定公路落石水平运动的最远距离, 并通过偏移比来衡量公路落石横向偏移, 最终预测公路落石的威胁区域。利用冲量定律, 确定在车辆到达落块时, 落块的运动情况来分析落块对公路车辆的威胁程度。基于此提出加强公路落石风险评估与管理, 建立落石防治应急体系, 减少落石危害。
关键词：公路落石,落石风险,威胁区域,能量守恒
参考文献
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